1 引言
現(xiàn)代信息技術是由信息的采集、傳輸和處理技術組成，因此傳感器、通信和計算機技術成為信息技術的三大支柱。特別是當今社會已進入以光纖通信技術為主要特征的信息時代，光纖傳感技術代表了新一代傳感器的發(fā)展趨勢。光纖傳感器產(chǎn)業(yè)已被國內(nèi)外公認為最具有發(fā)展前途的高新技術產(chǎn)業(yè)之一，它以技術含量高、經(jīng)濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展和加入世界貿(mào)易組織，我國光纖傳感器的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化也因此面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。
2 光纖傳感器及其特點
光纖最早在光學行業(yè)中用于傳光和傳像，在20世紀70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后，光纖在通信技術中用于長距離傳遞信息。光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且當光波在光纖中傳播時，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種待測量(物理量、化學量和生物量等)，這就是光纖傳感器的基本原理。光纖傳感器可以分為傳感型和傳光型兩大類。利用外界因素改變光纖中光波的特征參量，從而對外界因素進行計量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鳎Q為傳感型光纖傳感器，它具有傳感合一的特點，信息的獲取和傳輸都在光纖中進行。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感元件測得的特征量，由光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，它的特點是充分利用現(xiàn)有的傳感器，因而便于推廣應用。這兩類光纖傳感器都可再分成光強調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制和波長調(diào)制等幾種形式。
與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優(yōu)點:
(1) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。
(2) 靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器，其中有的已由理論證明，有的已經(jīng)實驗驗證，如測量水聲、加速度、輻射、磁場等物理量的光纖傳感器，測量各種氣體濃度的光纖化學傳感器和測量各種生物量的光纖生物傳感器等。
(3) 重量輕、體積小、可撓曲。光纖除具有重量輕、體積小的特點外，還有可撓曲的優(yōu)點，因此可以利用光纖制成不同外型、不同尺寸的各種傳感器。這有利于航空航天以及狹窄空間的應用。
(4) 測量對象廣泛。目前已有性能不同的測量各種物理量、化學量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。
(5) 對被測介質(zhì)影響小，有利于在生物、醫(yī)藥衛(wèi)生等具有復雜環(huán)境的領域中應用。
(6) 便于復用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信設備組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡。
(7) 成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低于現(xiàn)有同類傳感器。
光纖傳感器和電類傳感器的傳感原理及特性比較分別如附圖、附表所示。由此可知，光纖傳感器是一類與電類傳感器并行、互補的新型傳感器。
附圖 光纖傳感器與電類傳感器傳感原理比較圖
3 中國光纖傳感器的發(fā)展概況
我國在70年代末就開始了光纖傳感器的研究，其起步時間與國際相差不遠。目前已有上百個單位在這一領域開展工作，如清華大學、華中科技大學、武漢理工大學、重慶大學、核工業(yè)總公司九院、電子工業(yè)部1426所等。他們在光纖溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計、位移計等領域進行了大量的研究，取得了上百項科研成果，其中相當數(shù)量的研究成果具有很高的實用價值，有的達到了世界先進水平。每年發(fā)表的論文、申請的專利也不少。但我國的研究水平與發(fā)達國家相比，還有不小的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面，大多數(shù)品種仍處于實驗室研制階段，不能投入批量生產(chǎn)和工程化應用。
4 我國光纖傳感器的市場需求
光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟的所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
(1) 我國使用高溫傳感器每年要消耗幾十億元，傳統(tǒng)使用鉑銠絲熱電偶來測量高溫，壽命短，成本高，而且在工業(yè)生產(chǎn)中往往需要停產(chǎn)來更換熱電偶，嚴重影響了生產(chǎn)。80年代，美國提出使用藍寶石光纖來制備高溫傳感器，但其價格昂貴，只能應用于特殊場合。因此，研究和開發(fā)精確度高、性能穩(wěn)定、成本低的光纖高溫傳感器具有極大的市場需求。
(2) 在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電動機的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能使用光纖傳感器。
(3) 在石油化工系統(tǒng)、礦井、大型電廠等，需要檢測氧氣、碳氫化合物、一氧化碳等氣體，采用電類傳感器不但達不到要求的精確度，更嚴重的會引起安全事故。因此，研究和開發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實現(xiàn)上述檢測。
(4) 在環(huán)境、臨床醫(yī)學、食品安全檢測等方面，由于其環(huán)境復雜、影響因素多，使用其他傳感器達不到所需要的精確度，并且易受外界因素的干擾。采用光纖傳感器可以具有很強的抗干擾能力和較高的精確度，可實現(xiàn)對上述各領域的生物量的快速、方便、準確的檢測。
總之，光纖傳感器在我國具有很大的市場需求，其商品化、產(chǎn)業(yè)化前景極為廣闊。
5 我國光纖傳感器的發(fā)展與對策
5.1 目前存在的問題
與其他傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優(yōu)點和更廣闊的應用前景，我國對光纖傳感器的需求量很大，市場前景十分誘人。但我國在光纖傳感器的研究與開發(fā)，尤其是在商品化、產(chǎn)業(yè)化方面，遠遠滿足不了市場需求。與發(fā)達國家相比，光纖傳感器的市場銷售額占我國傳感器銷售額的比例很小，特別是在光纖傳感器的共性基礎、中間試驗、生產(chǎn)裝備技術方面尤為突出，影響了光纖傳感器產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程。
5.2 發(fā)展重點已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化
近幾年來，我國以國內(nèi)外市場為導向、以研究光纖傳感器關鍵技術為重點，加大了有關科技攻關的力度，在光纖傳感器產(chǎn)品化方面取得了明顯的效果。如國家批準武漢理工大學承擔“光纖傳感技術國家工業(yè)性試驗基地”項目，通過對一些關鍵技術如敏感材料的工程化技術、光纖傳感器共有制造技術、光纖傳感器工程技術及器件、儀表進行攻關，以提高我國光纖傳感器及其生產(chǎn)技術水平。該項目已通過國家級驗收，其關鍵技術達到了國際先進水平。由此提高了我國光纖傳感器科研生產(chǎn)的綜合實力，使一批以其關鍵技術為基礎的光纖液位計、煤氣柜位機、閥位回訊器形成批量生產(chǎn)，并在我國石油、鋼鐵、運輸、國防等行業(yè)實現(xiàn)了批量應用，產(chǎn)品質(zhì)量達到國際先進水平。我國第一個具有產(chǎn)業(yè)化特征的生產(chǎn)光纖傳感器產(chǎn)品的武漢工大光纖傳感股份有限公司，能生產(chǎn)7大類30余種光纖傳感器系列產(chǎn)品。但從整個行業(yè)水平來說，與發(fā)達國家相比還有較大的差距，主要表現(xiàn)在大多數(shù)光纖傳感器產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模、市場開發(fā)、銷售等方面。
我國在90年代末期，以研究中間試驗技術、生產(chǎn)裝備技術為重點，進一步加快我國光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化建設，重點支持自主開發(fā)和擁有自主知識產(chǎn)權的科研成果產(chǎn)業(yè)化，培育若干具有國際競爭力的企業(yè)集團及重點產(chǎn)品研制與生產(chǎn)基地，大幅度增加投資力度，僅武漢科技大學承擔的“光纖傳感器國家高技術產(chǎn)業(yè)化示范工作”項目，投資額度就達1億。有關專家認為，通過國家對光纖傳感器示范工作等有關項目的支持，我國的光纖傳感器可得到更快的發(fā)展，整個生產(chǎn)將達到國際90年代末期水平，品種達到上千種，并建成具有較強綜合實力與競爭力的光纖傳感器高新技術產(chǎn)業(yè)。
我國在光纖傳感器的新產(chǎn)品研究開發(fā)方面取得了可喜的成績，例如在高溫傳感器和光纖光柵傳感器方面獲得了重大突破，特別是高溫傳感器處于較先進的水平。該光纖高溫傳感器針對傳統(tǒng)的鉑銠絲熱電偶壽命短、價格高、消耗大等弊病和非接觸式高溫輻射溫度計測量誤差大等問題，首創(chuàng)采用了“接觸-非接觸式”測量方法來實現(xiàn)高溫測量。該傳感器具有精確度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、成本低、使用壽命長等特點，可適用于多種高溫爐體，特別是一些高電壓、大電流、強磁場、強輻射等惡劣環(huán)境，是替代傳統(tǒng)的鉑銠絲熱電偶的最佳選擇。該傳感器已經(jīng)在化工和冶金行業(yè)得到使用,取得了很好的應用效果。
目前，基于光纖布喇格光柵的光纖應變和溫度傳感器是一種極具代表性的新興傳感結構，它通過檢測在光纖內(nèi)寫入的光柵反射或透射光譜布喇格波長及其變化量來實現(xiàn)對被測結構的應變和溫度的測量。它可廣泛用于對工程結構中的應力、應變、溫度參數(shù)以及對結構徐變、裂縫、整體性等結構參數(shù)的實時在線監(jiān)測，實現(xiàn)對工程結構內(nèi)多目標信息的監(jiān)控和提取。它的出現(xiàn)已引起人們的高度重視，被應用于一些試驗工程的監(jiān)測。美國、加拿大的幾家公司已著手研究它在橋梁、大壩、懸臂梁結構等大型建筑中實現(xiàn)多點、多參量實時監(jiān)測的問題，一些小型演示系統(tǒng)已在某些展覽會上面市。中國緊密跟蹤世界先進水平，只用了較短的時間，在光纖光柵的制備、傳感和解調(diào)技術方面實現(xiàn)了突破，取得了多項成果，成功地研制出光纖光柵溫度報警系統(tǒng)和光纖光柵工程結構的應力應變監(jiān)測系統(tǒng)，并即將用于化工、鐵路油罐的溫度監(jiān)測和民用結構、橋梁的監(jiān)測。
5.3 我國光纖傳感器今后的發(fā)展方向和對策
由于我國目前在光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應用方面還遠遠不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，因此，加快和促進光纖傳感器的商品化、產(chǎn)業(yè)化進程，無疑是光纖傳感器今后的主要發(fā)展方向。未來我國光纖傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略是加強技術創(chuàng)新、優(yōu)化產(chǎn)品結構、突出重點、加快發(fā)展。要實現(xiàn)這個目標，筆者認為應該采取以下措施:
(1) 加強技術創(chuàng)新，不斷研究開發(fā)新產(chǎn)品。新世紀初，微電子技術、大規(guī)模集成電路技術、計算機技術將達到成熟期，光電子技術進入發(fā)展的中期，這均為加速研制新一代光纖傳感器提供了發(fā)展條件。我們應該抓住機遇，開發(fā)出具有世界先進水平的新一代產(chǎn)品。
(2) 跟蹤世界新技術，堅持有限目標，突出重點，進一步加快我國光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化建設，重點支持自主開發(fā)和擁有自主知識產(chǎn)權的科研成果產(chǎn)業(yè)化，培育若干具有國際競爭力的企業(yè)集團及重點產(chǎn)品研制與生產(chǎn)基地。
(3) 光纖傳感器產(chǎn)業(yè)進一步向生產(chǎn)規(guī)模化、專業(yè)化和自動化方向發(fā)展，大幅度降低傳感器的價格。
(4) 進一步提高和完善光纖傳感器制備和加工技術。要盡快將科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須要有先進的光纖傳感器制備和加工技術。這些技術包括光纖火焰顯微加工、準分子激光加工、離子自組裝薄膜制備、微波成膜制備，以及光纖傳感器的封裝、保護與埋設技術，工程安裝技術等。
(5) 加強工程化意識，改進和完善將科研成果推向產(chǎn)業(yè)化的運行機制，使實驗室取得的成果迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，以取得經(jīng)濟效益。
(6) 加強工程型人才的培養(yǎng)。特別是“工程型”復合人才。
“中國2010年遠景規(guī)劃”已將傳感器列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，在傳感器中，光纖傳感器將占有相當大的比例，這預示我國在光纖傳感器領域?qū)⒊霈F(xiàn)一場激烈的競爭和挑戰(zhàn)，在不久的將來，我國光纖傳感器領域必將呈現(xiàn)前所未有的輝煌。
