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中国光纤传感技术40年发展历程与市场展望
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更新于2024-06-27
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我国光纤传感技术发展路线图深度探讨了自改革开放以来我国在这领域的重大进展。过去四十多年间,光纤传感技术在政策支持、市场需求驱动以及科技进步的多重因素下,实现了飞跃式的发展。它不仅在学术界取得了理论突破,还在实际应用中展现出强大的生命力,如电力系统的状态监测、石油天然气勘探中的光纤光栅传感器、环境监测中的光纤温度和压力传感器等。 随着微纳技术、材料科学和生物技术的融合,光纤传感技术催生了许多创新应用,例如生物医学领域中的光纤探针和光纤内窥镜,以及在智能制造中的光纤拉曼光谱分析。这些交叉学科的应用拓宽了光纤传感技术的应用范围,并推动了新技术的研发。 中国经济的持续增长为光纤传感技术提供了巨大的市场空间,各行业对高效、精确、耐用的传感解决方案的需求日益增长,尤其是在智慧城市、物联网、工业4.0等新兴产业中。这使得我国光纤传感技术市场呈现出前所未有的增长态势,预示着未来几年将有更多创新技术和应用场景出现。 为了更全面地了解我国光纤传感技术的细分发展情况,本文汇集了来自学术界和产业界的专家观点,他们对各自领域的核心技术、挑战和未来发展趋势进行了深入解析。通过这些综述,读者可以洞悉当前我国光纤传感技术的热点和瓶颈,以及可能的突破方向。 我国光纤传感技术的发展路线图是一张描绘了科技创新与市场需求交织的画卷,它展示了我国在这个关键领域的战略定位和前瞻性思考。未来,随着技术的不断迭代和市场的持续催化,我国有望在全球光纤传感技术竞争中占据重要地位。
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式光纤传感”各自的优势,是实现大容量、高精度、高密度、长距离、高可靠性光纤传感网
络的最有效途径。
近年来,中国在高速铁路、城市轨道交通、高速公路、军用/民用机场、石油天然气管线、
大型桥梁与水利设施等大型基础设施的建设及其运营方面一直保持高速发展。这些大型基
础设施与重大工程的运行状态监测与安全管理,成为当前急需考虑和解决的首要问题。
FBG 阵列传感作为一种可灵活配置的大规模、长距离、高精度、快响应、多参量、高可靠
性的新一代光纤光栅传感新技术,能够为上述重大基础设施的状态监测与安全管理提供完整
先进的解决方案,可及时掌握其在役状态、健康状况,对潜在的病害和突发的事件及时地进
行预警和报警,以显著提升实时监测能力与安全管理水平。
2.2.4 挑战性的问题与难点
分立式 FBG 传感器开始商用至今已有 30 多年的历史,该项技术的关键器件已经全部实现国
产化,并在众多领域得到广泛应用。其面临的主要问题是:
1) 极端工作条件下,光纤光栅传感器本身及其熔接组网的可靠性较低,例如油气井下耐高温
高压以及抗氢损的能力、核辐照环境下的耐受能力较弱等。
2) 分立式光纤光栅传感器种类繁多、适用场景广泛,目前仍缺少统一的工业标准,极大限制
了其发展应用。
FBG 阵列传感技术自 2003 年提出至今已接近 20 年。目前国际上三家机构的相关工作最
具代表性:国外的德国莱布尼茨光子技术研究所(IPHT)、比利时 FBGS 公司,以及国内的武
汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室姜德生院士团队(实现了单根光纤几十万个光纤光
栅阵列的工业化生产,其已在交通、电力、石化等领域实现大规模应用,为多个行业的智能
化发展提供了新的传感手段和方法),其面临的主要问题是:
1) 面向诸多实际应用场景的光纤光栅阵列传感光缆的成缆关键技术、规模化生产工艺与工
程安装规范;
2) 结合实际应用场景需要的光纤光栅阵列海量传感大数据的实时采集、存储、处理以及人
工智能模式识别;
3) 面向大型基础设施结构健康监测和重点行业领域安全监测的基础数据库/样本库建设、
专家系统与智能化功能平台开发。
2.3 光纤陀螺技术
光纤陀螺自 1976 年被提出以来,已有 45 年的发展历史。尽管相关的理论和技术已达到很
高的成熟度,但光纤陀螺作为一种能实现大量程且极小相位可靠测量的“神奇”干涉型光纤传
感器
[22-23]
,依然是光纤传感和惯性技术领域的研究热点。现阶段的研究焦点集中在提高精
度、降低噪声和抑制成本等方面。光纤陀螺是一种基于 Sagnac 效应的光纤旋转传感器,是
光纤和光波器件组成的全固态结构,无运动部件,重量轻,可靠性高,配置灵活,通过优化设计可
实现高精度、低成本,是目前惯性技术领域的主流陀螺仪表。进入工程应用的光纤陀螺有开
环和闭环干涉型两种,其中闭环干涉型光纤陀螺的精度高、测量范围大,为目前主流的光纤
陀螺方案。谐振型光纤陀螺的光纤谐振腔短,具有激光陀螺的可靠性高、精度高、易于维
护、寿命长的特点,具有重要的应用潜力,为目前光纤陀螺技术领域的主要研究方向之一。
光纤陀螺在国防、航空航天、天体运动观测、无人载体(机器人、无人机等)以及其他自主
智能系统等领域具有广泛的应用。
2.3.1 工作原理
Sagnac 效应原理如图 2 所示,如箭头所指,输入光源 O 的反射光 R 和透射光 T 沿相同的路
径传输,形成两个闭合光路,并在分光面 J 发生干涉。当环形干涉仪沿与面法线平行的轴旋
转时,顺、逆时针的光波间将产生一个正比于旋转速度的相位差,F 为水平狭缝,M
1
~M
4
为偏
转镜,P、P’为探测器。相位差的大小正比于旋转角速度,而且比例系数由光路包围面积和光
频率决定。干涉型光纤陀螺是通过采用长光纤绕制光纤环而成,从而形成足够大的等效面
积,增大 Sagnac 效应比例系数,实现旋转量的测量。闭环干涉型光纤陀螺的基本结构如图 3
所示,在调制器上施加变台阶高度的数字台阶波以产生反馈相位、通过方波调制开环检测实
现闭环控制,其线性度好、精度高。对于谐振型光纤陀螺,可用很短的光纤形成光纤谐振环
腔,基于环腔内光的谐振特性实现比例系数增大,其基本原理如图 4 所示。通过测量在光纤
谐振腔内顺、逆时针谐振光频率的差 Δf 实现输入角速度的测量。
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