我国光纤传感器同国际研发水平比较及研究动态

——我国光纤传感器同国际研发水平比较

一、我国光纤传感器研究水平同国际水平存在差距

国外光纤传感器的产品技术先进，具有很多特点，如精度高、测量范围宽，小型化、系列化、标准化，可靠性高、稳定性好，品种多、更新换代快，产品的集成化、多功能化、智能化程度高。国外对光纤传感器的研究始于上世纪七十年代中期。美国光纤传感器的研究开始最早，投资最大，且技术水平最高。九十年代开始，美国海军研究所研制的全光纤陀螺，其漂移率为0.005°/h，惯导装置水平即角速度极限（短期分辨率）已达到5.3×10－7 rad/s，现在惯导的高性能精密FOG（漂移率为0.001°/h）已进入实用化。国外光纤陀螺在卫星、运载、导弹、航空、航海等领域已得到了普遍应用，其中，德国光纤陀螺仪的研究规模和水平仅次于美国而居世界第二位。目前国外光纤陀螺在长寿命和高精度方面水平较高，其零偏稳定性已达0.0003°/h，寿命达到15年。经过近二十多年的发展，我国光纤陀螺技术取得了突破，目前在卫星、运载、导弹等领域得到了应用。 

美国、英国等国家在光纤水听器方面有较深入的研究，并已装备了光纤水听器及其声纳系统。美国休斯公司研制的微弯光纤水听器最小可探测压力为6×10－6 Pa，用它来测量那些能发现潜艇存在的辐射噪声源，这在反潜战中起到极其重要的作用。我国光纤水听器及其声纳系统也取得了突破，目前正在进行海试。 上世纪九十年代初，美国军方看到了智能结构的价值，提出了一些计划项目以开发智能材料和智能结构，并证明系统的可行性。这些智能结构包括光纤智能机翼计划、光纤智能蒙皮计划等。英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感技术，早在1982年由该部为首成立了英国光纤传感器合作协会。中央电气研究所研制的高压光纤电流测量装置，伦敦大学研制的光纤陀螺仪、水听器，曼彻斯特大学研制的光纤传感器等都有很高的水平。此外，日本、德国、法国、意大利等国家也先后开展了光纤传感器的研究工作。 

目前，光纤传感器的研究在充分提高和利用现有光纤传感技术的基础上，正在向着多功能化、小型化、集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展。其中，光纤陀螺仪和水听器是最近几年各国军方研究的热点。智能材料的研究和开发也为光纤传感器的发展提供了广阔的发展空间，使得光纤传感器向多功能化、模糊识别等方向的发展正在成为可能，光纤传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，并最终发展到具有创造能力。

二、存在差距表现

光纤陀螺

光纤陀螺通常包括光源、探测器、光纤耦合器、光纤环几部分，所用的元器件分为有源和无源器件两大类，有源器件为光源、探测器，无源器件为光纤耦合器、相位调制器等。其中采用的光纤是FOG的重要元件，主要有两种光纤：偏振保持光纤（PM）和普通单模光纤（SM），根据不同的技术方案采用不同的光纤。保偏光纤与普通单模光纤相比，只传输一个偏振态，可大大降低系统的偏振噪声，极大地提高了系统精度，虽然价格较高但普遍采用，目前我国生产的保偏光纤已能满足高精度系统的应用。光纤耦合器要求有固定的分光比和低的插入损耗，国内在保偏光纤耦合器和单模光纤耦合器方面的研制和生产水平已经很好，能够满足科研和生产的需要。多功能集成光学调制器（Y波导）是闭环光纤陀螺的核心，它的性能直接关系到FOG的性能和实际应用。目前国内也已能研制出适合FOG使用的Y波导器件，其消光比、插入损耗、半波电压等技术指标已经达到或接近国际水平。限于半导体技术，目前国内FOG研究主要在1.30μm波长段。通常情况国外在采用中、低精度FOG，主要工作在0.85μm波长，而高精度的FOG工作在1.55μm波长、1.30μm波长，FOG光源采用超发射激光二极管（SLD），尾纤采用保偏光纤。在实验室条件下，并加补偿，SLD已能基本满足要求，而在工程应用上，还存在可靠性和温度特性问题。应用于高精度的掺铒光纤光源国内也开始研究。与国际水平相比，国内光纤陀螺研究和生产尚有一定的差距，其中主要差距表现在产品化上：国内光纤陀螺产品还不成熟，还没有形成大规模生产能力；主要的“瓶颈”是元器件的性能和生产能力。

光纤水听器

光纤水听器研究始于上个世纪70年代末的美国海军实验室，30多年来，美、英、法、日、挪威、意大利等国家相继投入大量人力和物力，使该技术在理论研究和应用开发上都有了很大的进展。随着核潜艇技术以及潜艇发射导弹技术的迅速发展，而潜艇的噪声日益降低，常规探测潜艇声纳的灵敏度已接近极限值，使电缆连接的海底声纳警戒系统的探潜能力大大降低。鉴于光纤技术为信息传输和信息传感带来了革命性的变革，各国都对水听器进行了深入研究，获得了很多有价值的研究成果。我国的光纤水听器研究也已取得较大进展，在若干技术指标上已达到目前国际水平，但是主要处于理论和实验室的层次，实用化、工程化的还未见报道。

光纤光栅传感器 

光纤光栅是利用光纤中的光敏性（也称为光致折射率变化效应）制成的。光纤光栅的写入方法有很多种，主要有纵向驻波写入法、逐点写入法、横向写入法、相位掩模法。光纤光栅传感器，其中的光纤布拉格（Bragg）光栅传感器是目前国内外研究的热点。它是利用紫外激光的干涉条纹在一个窄小的长度范围内照射具有光敏性的光纤，使该段光纤芯的折射率发生周期性的改变，从而形成光纤Bragg光栅。当光栅受到应变时，产生弹性变形，光栅的周期发生了改变，且由于光弹效应使纤芯的折射率变化，从而引起中心波长的改变，光栅中心波长的改变与光栅应变成为一一对应的线性关系。另一方面，当光栅的温度发生变化时，热膨胀和热光效应也会引起折射率改变，而光栅中心波长的改变与光栅温度的改变也形成良好的线性关系。通过测定光栅的中心波长的改变量，即可计算应变和（或）温度。通过相关的光电转换，可以测量多种物理量和化学量。光纤光栅实质上是一种波长选择反射器，其反射信号的波长会受施于其上的温度和应变的影响而发生变化，这种反射波长的变化称之为波长位移。利用光纤光栅的温度和应变两种效应，即采用光纤光栅做敏感元件，从而检测许多被测量。 

以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器，除了具有普通光纤传感器的优势之外，还有一些特别的优势，最主要的是传感信号为波长调制以及复用能力强；其好处在于：测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响；避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入（或粘于）被测结构，可同时几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。例如，通过实时测量应力、温度、振动等传感信息，以同时进行建筑物健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测时，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。 

目前，对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面：1）对具有高灵敏度、高分辨率且能同时感测应变和温度变化的传感器研究。2）对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究。目标是开发低成本、小型化、温度补偿技术、可靠且灵敏的探测技术。3）光纤光栅传感器的实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。觉的光纤光栅传感器有：基本光栅传感器、啁啾光纤传感器、长周期光栅传感器、Bragg光栅传感器、多轴温度和应变光栅传感器。 

某些类型的光纤光栅传感器已经商业化，虽然其在性能和功能方面需要提高，但可以说光纤光栅传感技术已开始向成熟阶段接近。目前对于光纤光栅传感的研究主要致力于实用和廉价解调系统的研究。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、船舶航运、民用工程结构、电力工业、医药和化学传感中有广泛应用。除上述应用外，光纤光栅传感器还在其它领域得到了应用，并且在许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、更可靠、更准确。美国、

德国、加拿大、英国等都在致力于新型光纤光栅传感器及解调系统的研究。我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些，但已经有了较大发展。随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展和完善，光纤光栅传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的发展前景。

——近几年中国光纤传感器产业研究成果

一、高灵敏度多模光纤应变传感器

由天津大学李恩邦教授研发的高灵敏度多模光纤应变传感器引起国际学术界关注。天津大学拥有"高灵敏度多模光纤应变传感器"的全部知识产权,并已申请4项国家发明专利,是天大科研人员在多年的研究基础上产生的一项成果。

据了解,高灵敏度多模光纤应变传感器比目前世界上使用最广泛的光纤布拉格光栅（FBG）传感器更灵敏,其结构也更为简单。它具有不受电磁场以及其他外界环境变化的影响、灵敏度高、体积小、寿命长、绝缘性好、可实现分布测量等传统电传感器不可比拟的优点,越来越受到国际光子学领域的重视。光纤应变传感器广泛应用于建筑、石油、化工、交通、能源、冶金、核工业等领域,特别是在建筑结构的健康监测方面,光纤应变传感器正在发挥越来越大的作用,对实现桥梁、大坝等大型建筑物的使用状况的在线实时监测,防止恶性和灾难性事故的发生等具有重要意义。

二、"晶体吸收式光纤温度传感器"项目成果鉴定通过

中国科学院西安分院组织专家鉴定委员会通过了“晶体吸收式光纤温度传感器”项目成果鉴定。该项目由中国科学院西安光机所投资控股的飞秒光电科技(西安)有限公司承担研制。

晶体吸收式光纤温度传感器利用砷化镓晶片吸收光谱随温度变化的特性实现温度的实时测量。该项产品具有不受电磁干扰，瞬时响应，测温精确等特点，可广泛应用于油田、油库、电力系统、大型粮仓、化工、印染等一些易燃、易爆和无法通过常规电测量方式进行温度监控的场所，有效地解决了在复杂、特殊环境条件下的实时温度监控问题。

专家鉴定委员会认为，该项目基于砷化镓晶体光谱吸收特性而成功研制的晶体吸收式光纤温度传感器，测量精度高，响应时间快；项目采用光纤分光技术，降低了对光源稳定度的要求，使传感器更加实用、稳定；该传感器采用微型光纤准直器，有效地减小了测温探头的体积。

三、新一代微纳光纤珐珀传感器研制成功

电子科技大学通信学院光纤技术研究中心饶云江教授团队首次在国际上应用157nm和飞秒激光微加工技术制作出新一代微纳光纤珐珀传感器。该项工作作为国家自然科学基金重点项目“新一代微纳光纤传感器基础研究”的一部分，在今年的中期评估中获得了相关专家的高度评价。该技术有助于研制出目前世界上体积最小、光学性能最好、工作温度最高（800℃）的微光纤在线珐珀应变传感器，可望在航空航天、能源工业等环境十分恶劣的极端条件下使用，从而解决长期以来存在的高温下应变精确测量的世界性难题。

与传统手工制作方法相比，利用激光微加工技术制作光纤珐珀腔具有方法简单、一次成型、能够实现光纤珐珀腔的高质量批量制造等突出优点，具有很好的应用前景。

四、长飞公司"先进光纤传感器系统研制及应用"课题通过专家组验收评审

2016年10月19日上午，国家科技部高技术研究发展中心组织专家对长飞光纤光缆股份有限公司（以下简称“长飞公司”）承担的国家高技术研究发展计划（以下简称“863计划”）——“先进光纤传感器系统研制及应用”课题进行了现场评审验收。国家科技部高技术研究发展中心先进制造处刘进长处长和专家组听取了长飞公司课题执行情况的汇报，审查了相关材料，并进行了现场考察。经质询和讨论，验收专家组一致认为本课题完成了任务书规定的研究内容，实现了课题目标，达到了课题的技术指标要求，验收专家组建议通过技术验收。

“先进光纤传感器系统研制及应用”课题于2012年1月正式立项，2015年12月结题，执行期为4年，项目负责人是长飞公司光纤光缆制备技术国家重点实验室副主任熊良明博士，参与单位有武汉长盈通光电技术有限公司、华南理工大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、武汉理工大学、武汉理工光科股份有限公司。本课题通过研制高精度压力传感器、时栅位移传感器、光纤传感器、工业型扫描探针显微测试系统、面向航空数字化制造的跨尺度精密测量系统、跨尺度原位力学测试仪器等先进传感器核心部件和系统，满足了高端装备制造和工业仪器仪表对位置、压力、温度、形貌等基本物理量精准测量的需求，形成了示范应用和产业化能力，满足了国内在传感器产品方面的巨大市场需求。

本课题自主开发了先进光纤传感器用新型特征光纤和关键器件，有效提高了传感系统的性能指标和测量精度；采用与光纤温度应力相匹配的固化胶及骨架，提出了桥纤的四级对称绕制方法及低张力的绕制工艺，绕制光纤环，抑制光纤环的shupe效应，提高了光纤环的温度稳定性及精度；研制单频激光器作为传感光源，从源头上提升传感性能，构建了高性能分布式光纤温度应变传感系统，实现了电力电缆的在线监测示范应用。

通过本课题的实施，长飞公司实现了保偏光纤、光子晶体光纤和掺稀土光纤的产品化和特种光纤集成技术，研制了分布式光纤温度应变传感系统样机、系列新型光纤传感器件，开发了高速高精度解调仪和状态智能分析系统、机械装备运行状态智能感知云服务平台原型系统，实现了对大型复杂机械装备运行状态的温度、压力、应力应变、加速度、位移等多参数分布式在线监测。

五、大连理工大学研发新型光纤应变传感器

大连理工大学黄辉教授团队发明了一种“温度系数可调的高灵敏度光纤应变传感器”。与现有主流产品——光纤光栅应变传感器相比，灵敏度提高了100多倍，特别是可以补偿各种被测物的热膨胀，消除因环境温度变化导致的测量误差。

作为物联网的核心器件之一，传感器被认为是继集成电路芯片之后的又一重大产业。与电学传感器相比，光纤传感器适用于易燃易爆以及电磁干扰等苛刻环境中。但面临的问题是：由于材料的热胀冷缩，光纤传感器对温度很敏感(如光纤光栅也可用于检测温度变化)；同时，被测物自身的热膨胀也会带来测量误差，并且对于不同材质的被测物(如混泥土、钢、铝等)，其热膨胀系数差异很大，这使得温度干扰更为复杂。因此，当外力和温度共同变化时(二者都可以产生应变)，如何消除环境温度变化的影响，从而精确测定外力所产生的应变和应力，是长期困扰业界的难题。

黄辉教授团队发明的光纤应变传感器，由应变膜、光纤准直器以及传动杆构成。其中，传动杆采用旋钮结构——由两种不同热膨胀系数的螺帽与螺丝构成，因此可以在大范围内精确调节传动杆的热膨胀系数，从而抵消各种被测物的热膨胀影响。此外，通过采用光纤准直器来接收应变膜反射的光束，大幅提高了检测灵敏度。

六、天大刘铁根教授"混合式光纤传感技术"获国家技术发明奖

由天津大学刘铁根教授所在的团队自主研发的混合式光纤传感技术解决了当下光纤传感领域的诸多难题，为保障重大工程项目安全提供了可靠的监测保障。不同的工业产业对传感器有着不同的需求。在电力应用中，传感器需要抗强电磁干扰、电绝缘；在石油化工应用中，传感器需要本身不带电；在航空航天、土木工程应用中，传感器则需要在恶劣环境下长期工作。与常规电测传感器技术相比，光纤传感技术能够从根本上适应上述各类应用环境和工程需求。

然而，光纤传感技术要真正投入应用，还必须要解决信号解调中的方法单一、长期漂移和响应慢，传感器封装中的交叉敏感、胶粘老化失效和传感灵敏度低，传感组网融合困难等难点问题。

面对难题，刘铁根教授团队选择迎难而上，终于通过深入研究，实现一系列光纤传感领域的技术突破。高精度、高稳定混合式光纤传感解调技术，恶劣环境下高可靠性光纤多传感器封装技术，多波段混叠式光纤多气体传感技术以及混合式光纤传感组网融合技术。这些技术突破引领了光纤传感安全监测领域技术探索的前沿。

混合式光纤传感技术近10年来已应用到28项国家航空航天试验及重大关键基础设施工程的安全监测。其在全国电力和石化行业分立式光纤传感市场占有率超过30%，近三年共取得直接经济效益2.4亿元。成功地对多起过热异常进行了预警。2012年，该技术成功对独山子石化分公司50万方罐区温度超过阈值进行报警，将事故隐患消除在初始阶段。

目前，该项目已获得授权发明专利56项，其中美国专利3项。制定国家军用标准1项。获光纤传感产品测试认证38项。获天津市、教育部和中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖各1项，获中国发明专利优秀奖1项。发表学术论文216篇，SCI检索103篇，其中在国际顶级光学工程期刊上发表47篇。鉴定委员会认为“该项研究成果在理论探索、技术研发和工程应用中具有多项创新，总体技术达到国际领先水平”。

七、光纤光栅传感器助力开发高精度称重技术

湖北化肥携手武汉理工大学于近期共同成功研发了“光纤光栅传感连续载荷动态称重技术”，称重精度达到国标最高等级标准。当前，无论是日常生活还是生产、运输、建设、科研都离不开称重。特别是随着工业生产精细化程度的不断提升，对称重的精度要求越来越高，传统的静态称重装置已无法满足当下需求。因此，研究出一种适应复杂环境，且称重精度高的动态称重装置就显得日趋重要。基于光纤光栅的发展，动态称重也有了新的研究方向。

在中石化的牵头下，湖北化肥携手武汉理工大学展开“皮带机光纤光栅动态称重技术及应用”项目的研究工作。最终于近期共同研发了光纤光栅传感连续载荷动态称重技术，通过中国石化专家组的结题验收。

光纤光栅具有灵敏度和可靠性高、寿命长、抗电磁干扰等突出优点，而且光纤光栅传感器的传输信号为光信号，没有零点漂移。因此，上述新技术采用双光栅承重传感器，其称重系统通过光纤传输信号，反应灵敏，现场无电、本质防爆。技术稳定性良好、精度高，传感器重复性误差低于±0.125%，称重精度达到国标最高等级标准。

目前，该研究成果已在中石化湖北某公司的皮带机上进行了实际的工程应用。结果表明，该成果足了我国易燃、易爆和强电磁干扰条件下的重要产业对散装物料的安全输送和精确计量的需要，有助于这些产业的发展和智能化管理。