解读 | 光纤传感器发展现状及主要应用

传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。

光纤传感器是以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维(简称光纤)、光检测器和附加装置等组成。光源种类很多，常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤很细、较柔软、可弯曲，是一种透明的能导光的纤维。

一、光纤传感器的发展现状

全球光纤传感技术发展始于1977年，近年来，在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面，得到了发展和推广。美国光纤传感器研究起步早，光纤传感技术在世界上最为先进，代表着全球最大的光纤传感器区域市场。从2012年到2017年间，全球光纤传感器(包括点分式和分布式)消费值的平均年增幅高达20.3%。美国占据全球光纤传感器的绝大部分市场份额。同时，预计2015-2020年，亚太地区将以12.7%的年均复合增长率成为增速最快的市场。近年来，中国成为亚太地区最主要的光纤传感产品应用市场。2011年交通及石化行业的光纤火灾报警产品市场规模在2亿元水平，电力设备光纤传感温度检测及应用规模达到2亿元水平，光纤传感环境监测、光纤陀螺产品市场达到2亿元水平，光纤周界市场在0.5亿元水平。

与光纤通信产品不同，光纤传感产品具有小批量多品种、分布在各种细分市场的特点，国外的确没有大型的专业做光纤传感的公司；但是很多国外的石油巨头、军工巨头，还有ABB、西门子这样的电力设备大公司都有自己的光纤传感业务，只不过外人对这些业务的发展情况很难摸清楚。在一些新兴领域，比如分布式传感，也有一批中小型的专业公司。

目前，市场上获得成熟应用并且接受度较高的产品有：光纤光栅温度/压力/应变传感器；点式荧光光纤温度传感器产品；点式光纤F-P压力/温度/振动传感产品，光纤电流传感产品；光纤陀螺产品；分布式光纤拉曼测温系统；光纤干涉型入侵监测系统。

虽然光纤传感器技术在实际检测中取得了一些应用，但仍存在一些问题，如光纤埋入结构的工艺问题，虽然可以通过安装方式得到改善，但同时也导致了应变要先经过金属传递，然后再由光纤间接感应到应变，因此需要通过实验修正才能够进行准确测量。同时光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响，这些因素都会降低光纤传感器测量的准确性。再者目前光纤传感器实用性还有待开发，同时其制作成本相当昂贵。目前光纤传感器很大一部分产品还在实验室阶段，因此需要将实验结果尽快投入到使用中去。

二、我国光纤传感器企业现状

仅就光纤传感技术而言，中国学者所取得的成就已经很接近世界先进水平，差距在不断缩小中。过去几年，包括南京大学，深圳中科传感，无锡联河，珠海光辰在内，许多学校和企业都拥有了全套的光纤传感解调方案。在光纤传感系统的核心部件上，包括厦门彼格的窄带光源，世维通的铌酸锂波导，以及长飞，长盈通保偏光纤，先品耐高温耐辐射特种光纤及相关的器件方面都实现了国产化。以往光纤传感系统里比较前沿的OFDR(江苏昂德)，BOTDR(暨南大学，上海交大等)等国内已经有许多机构可以开发。

我国光纤传感器生产及服务企业按地域可分为4大产业群，分别是以江苏、浙江、上海、安徽为主的华东长三角产业群，以北京、河北为主的华北地区环渤海产业群，以湖北为主的华中地区产业群和以广东为主的珠三角产业群，这四大产业群的企业总数占全国光纤传感器生产及服务企业总数的90%。

国内光纤传感器生产及服务企业按照业务分为以下几类：

（1）专注于某一种或几种光纤传感器的研发和生产型企业；

（2）国外光纤传感器的代理商及国内市场支持；

（3）具有鲜明行业应用背景的系统集成商和综合解决方案供应商；

（4）通信产业及其他公司的新业务拓展或者业务转型。

目前，中国市场上光纤传感器厂商的经营模式主要分为两种：

一种是国外厂商在中国主要从事仪器的生产和推广，系统集成工作由国内合作厂商完成。这种经营模式资源利用率高，但产品能否满足客户需求很大程度取决于合作商的技术水平和质量控制水平。

另一种是国内厂商通常直接进口仪器，集成配套设备和软件，进而形成整个监测系统。这种集成化的经营模式不需要厂商具备很强的研发和生产能力，进入壁垒较低。

国内企业受技术研发水平及市场业务发展限制只能掌握一种或几种技术，尚无法参与国际市场竞争。企业规模小，大多属于高新技术企业，行业无协会组织。

三、光纤传感器的主要应用

光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器已被广泛应用于国防、电力、石油、建筑、医学等领域，伴随着物联网技术的发展，光纤传感器将与无线传感技术一起在物联网中起到更为重要的作用。

1、油气应用

光纤传感器可以克服恶劣的井下环境取代传统的电子传感器，实现油井的持气率、含水率、压力、温度、多相流和声波的测量。目前在石油测井系统中主要应用的是非本征光纤F-P腔传感器。

国内陆上油田以新疆克拉玛依和辽河油田为代表，已经进行了大量实验。在国内，包括山东激光所在内，很多机构都在和石油公司开展光纤传感方面的合作研究。

2、煤矿应用

我国煤矿在中国能源格局中占主导地位，大约为94%，我国的煤矿事故是世界上主要采煤国家煤矿死亡总人数的4倍以上。煤矿地下作业，水、火、瓦斯、煤尘、顶板等灾害俱全，基于光纤传感技术的瓦斯安全综合监控系统可以在10公里内对瓦斯、矿压、水压、温度、声发射、地震波等进行监测。

3、城市建筑应用

在建筑工程中，可以利用光纤传感器实时监测桥梁、大坝、重要建筑物等的温度、应力、压力、振动、倾角等物理量，以评估其短期及长期的结构安全性能。例如干涉陀螺仪和光栅压力传感器可预埋在混凝土等材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力。

在大型工程中，因为需要实时监测，并且范围较广，所以主要使用的是连续性分布式光纤传感器。

此外，城市管廊的信息化系统中，至少一半需要用到光纤，其系统动辄一公里几千万的造价，光纤系统即便在里面只占一小部分,也有很大的市场。目前城市管廊的监控整体方案中光纤传感占比并不高，代表城市有青岛、珠海等。

4、电力系统

在电力系统中，需要测定温度、电流等参数，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。还有一个重要的应用是利用OPGW、OPPS等电力复合缆分布式监测电缆线的温度、覆冰、舞动、偷盗、杆塔倒塌等事故。国内长飞和上海康阔等企业，在光纤电流互感器领域已经通过了多次测试，距离实际应用尚有一段时间。

5、军用领域

光纤传感在军用领域同样存在庞大的市场需求。军事应用的光纤传感器可用于水声探潜（光纤水听器）、光纤铡导、姿态控制（光纤陀螺）、航天航空器的结构损伤探测（智能蒙皮）以及战场环境的探测等方面。

在航天航空领域中，战术导弹用光纤陀螺精确制导。光纤陀螺还可以应用于雷达无人控制直升机的姿态控制。

由光纤水听器构成的海防传感网络系统，是目前正在开发的新兴防卫系统，该系统已开始用于海上边防和重要军事地区的海防警戒。近几年发展起来的基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统，也开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。

过去三年来中国的光纤陀螺产业已经有了长足的发展。市场上有包括西安耐威，北京菲斯罗克等四五十家公司涉足这个领域，包括航天电子等多家上市公司切入。一年的总需求有数万个，市场总额数十亿人民币。我国的光纤陀螺科技水平已经达到相当程度，未来在国际市场上会有更多的份额。

素材来源：尚普咨询、OFweek光通讯网、中国光学期刊网、中国安防展览网及网络