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上海尖丰光电技术有限公司

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光纤传感器四十年发展历史

光纤传感器的发展史

导读: 始于1977年,光纤传感技术研究伴随着光纤技术和光通信技术,迅猛发展起来成为一种新型传感技术。

一、全球概况

  始于1977年,光纤传感技术研究伴随着光纤技术和光通信技术,迅猛发展起来的一种新型传感技术。

  近年来,光纤传感在机械、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,得到了卓有成效的发展和推广。

  30多年的发展,中国光纤传感市场产业化格局基本形成,从最初单一的技术产品推广逐步向成熟的整体解决方案迈进,从产品种类、工艺质量及工程实施服务等多方面得以逐步完善,行业标准及规范逐渐形成。主要研究领域包括:

  (1)新型敏感材料研究;

  (2)分布式光纤传感系统开发;

  (3)新型专用光电子器件开发;

  (4)适合于易燃易爆、强磁场干扰、高辐射、高温高压场所的光纤传感器开发;

  (5)大型结构工程长期安全监测与健康诊断的光纤传感器及其传感系统开发;

  (6)光纤光栅传感器产业技术研究;

  (7)光纤智能材料与结构及其应用研究;

  (8)光纤陀螺的工程应用研究;

  (9)微光机电系统;

  (10)准分子激光微加工技术研究;

  (12)特种光纤传感器件及其他类型光纤传感器的开发。

  2011年到2015年之间,全球光纤传感器市场消费规模以年平均20.5%成长,2011年规模为13亿4000万美元,预计到2016年,将扩大为33亿9000万美元。同时,这5年间,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。

  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。据BCCResearch统计和预测,美国光纤传感器市场在2007年达到2.35亿美元,预计将以30%的年复合增长速度增长,有望在2014年达到16亿美元。从细分市场看,2007年,美国内在型光纤传感器市场达1.7亿美元,大于外部型光纤传感器市场,预计将以35%的年均增长率增长,到2014年达到14亿美元;2007年至2014年,美国外部型光纤传感器市场复合年增长率约为12%,将从2007年的0.65亿美元增加到2014年的2.19亿美元。

  随着市场逐渐开放和中国投资环境的改善以及全球化经济的进程加速,各国传感器厂家纷纷进入中国市场,这加剧了市场的竞争。中国本土传感器技术水平与世界水平相比仍存在很大差距,这种差距一方面表现为传感器在感知信息方面的落后,另一方面则表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后。国产企业形成了“外强中干”的局面,不仅失去了中高端产品市场,而且直接导致自己能生产的产品品种单一,同质化严重,国产传感器价格优势明显,但质量上与国外产品相比仍存在一定差距,一般应用在对信号要求不高的区域。

 光纤传感器历史进程:

  1975年军用及工业应用开发

  1976年光纤陀螺概念提出;光时域反射计提出

  1977年美国FOSS计划

  1979年第一只光纤光栅

  1980年实验室级别设备

  1982年光纤水听器海上试验

  1985年军事传感器开发

  1987年光子晶体光纤概念出现

  1990年第一代工业设备

  1995年石油和天然气首次实地实验

  2001年首套石油和天然气光纤测试系统

  2005年全光纤分布式系统出现

  2011年国产光纤陀螺在天宫一号空间站应用

  二、光纤传感器外部环境分析

  随着中国工业自动化应用环境的不断发展,仪器仪表行业日新月异,当前仪器仪表行业面临新的发展,这一行业的十二五规划(草案),也根据新时期的要求,提出了重点发展的若干关键技术,这对行业未来发展无疑有着重要的指导意义。

  新型传感器技术包括固态硅传感器技术、光纤传感技术、生物芯片技术、基因芯片技术、图像传感器技术、全固态惯性传感器技术等。“十二五”将以智能传感器作为重点,进行关键技术攻关。在光纤传感领域,重点发展新原理、新效应的传感技术,传感器智能技术,传感器网络技术,微型化和低功耗技术以及传感器阵列及多功能多参数设计、制造和封装技术。

  目前有数百个单位在这一领域开展工作,如清华大学、复旦大学、天津大学、重庆大学、北京航空航天大学等,他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量研究。此外,在武汉、上海、广东、深圳等地,还建立了许多光纤无源器件生产厂家,市场规模达到1200亿元以上。

  (一)、影响行业发展的有利因素分析

  国家科委于1987年4月制定的《传感器发展政策》白皮书确定了必须大力发展传感器技术,特别是要把新型传感器技术作为优先领域予以发展。1991年12月30日《中共中央关于制定国民经济和社会发展的十年规划和八五计划的建议》中第21条明确了要大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用。

  (二)、影响行业发展的不利因素分析

  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。

  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。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、重要领域市场态势分析

  (一)、石油石化领域

  光纤传感器可以在油田井下进行压力监测,易于安装,体积小,抗干扰能力强。美国CIDRA公司的光纤布拉格光栅传感器目前能够工作在175oC,在测试范围(0Mpa~34.5MPa),测量误差小于6.89kPa。

  (二)、天然气储运管道监测

  为掌握天然气贮槽结构体的应力及变形,采用了基于PPP-BOTDA的分布式传感技术,贮槽的水平和垂直断面均埋设了两条传感光纤,用于测量贮槽表面应变的测量,定量分析管道内部侵蚀发展状态。澳大利亚FFT公司是世界上为数不多掌握管道防破坏及泄露监测需求技术的公司之一,他们的FFTSecurePipe系统是专门用于管道安全监测的产品,该公司于2013年3月将分布式光纤声音监听系统布设于印度的长约200Km的管道BIJWASAN管道。

  (三)、煤矿

  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。

  (四)、电网

  在日本,富士通刚刚完成了对采用基于光纤的多点传感器的实时温度分布可视化系统的实验测试。目前该技术由单一光纤组成的传感器安装在各个服务器机架的前面和后面、机房顶部和数据中心的楼层上,用来采集空调系统电力能耗。

  (五)、交通隧道领域

  截止2007年底,我国已营业铁路隧道5941座,3750271米,其中长度在10000m以上的特长隧道7座,我国万米以上的特长隧道有京广线的大瑶山隧道(14295m),西康线隧道(18456m),宁西线东秦岭隧道(12268m),兰新线乌鞘岭隧道(20050m),渝怀线圆梁山隧道(11070m)。截止2002年,公路隧道总数达1782座,是世界上公路隧道最多的国家。截止2009年底,我国铁路隧道总长度已经超过7000公里。对隧道的安全监测是十分重要的,在隧道内铺设光纤火灾报警系统,意义深远而重大。

  四、光纤传感器生产及服务企业现状分析

  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。受制于技术特点和市场条件,没有任何一家公司可以形成垄断地位,各个公司规模较小,各个企业在光纤传感领域的年度营业额在数千万元左右,年度营业额能够超过亿元的不多。