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中国光纤传感40余年:历程、问题及产业化趋势

光纤传感(OFS)是20世纪70年代后期发展起来的传感技术。光纤传感具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、安全性能高,传感器端无需供电、耐高温,便于组成传感器网络、融合进物联网等优点,在极端环境下能完成传统传感器难于甚至不能完成的任务,扩展了传统传感器的功能,因此得到了广泛的研究和应用。


目前世界上已有各类OFS上百种,伴随新的机理及特种光纤、专用器件和新技术不断问世,其性能指标不断提高,更多的应用不断出现,显示了OFS具有广阔的应用前景。


中国的OFS事业开始于20世纪70年代末,其进展随同国际OFS事业发展的起伏而前行。当时国际上OFS技术刚刚起步,中国不少高校和科研单位就紧跟着开展对这种新型传感器的研究,至今已有40年。中国的OFS事业虽起势迅猛,却历经曲折,走过了一条不平坦的道路,大致可以分为三个阶段:

01

从20世纪80年代初到90年代中期,OFS的研究发展迅速,形成一个小高潮;

02

从20世纪90年代中期到21世纪初,OFS的研究处于发展缓慢的阶段;

03

从21世纪初至今,OFS的研究处于新阶段,开始走产业化道路,迎来新的发展高潮。


中国OFS发展三个阶段


第一阶段,小高潮期:得益于国家力量的支持


国际上光纤传感在20世纪70年代后期兴起,一开始就显现出很大的吸引力。基础研究不断创新,学术活动十分频繁;应用领域不断开拓,相关产值每年以30%的速度增长。当时,这些情况引起了中国学术界和产业界的广泛重视,很多科研机关、高等院校和产业部门迅速跟进。


中国光纤传感具体的实验研究工作于20世纪70年代末、80年代初逐步开始。当时,中国有关OFS的研制工作主要在高校和研究所进行。通过结合国外的技术方法,探索适合国情的新方法和技术,进行了多种类型OFS的研制,并试图将其进行推广应用。


此时,中国开展研制的OFS已种类繁多,并取得了初步成果。OFS应用研究涉及电流、电压、电场、磁场、温度、水声、压力、位移、振动、速度、转动、流量等物理量的检测,国际上几种主要类型的OFS均有单位在研制。初期还只局限于借助与利用光通信的及器件来研究基本的传感特性,不久国内就有单位开始研制专用于OFS的光纤、有源和无源器件,有力地推动了有关研究工作,这是中国光纤传感进入深入研制的标志。在这一阶段,中国OFS的研制呈现出迅猛发展的态势,主要体现在两方面:


1)国家重视和制定OFS国家规划与任务


在改革开放初期,事业的发展能否得到国家的重视和政策导向是极其必要和重要的,尤其是在中国OFS事业从无到有、从小到大的早期发展阶段,特别需要国家的支持和推动。20世纪80年代,国家相继出台了《光纤传感技术“七五”发展规划(草案)》、《传感器发展政策》等,明确规划了光纤传感的发展方向、攻关课题以及发展任务,极大地推动了中国OFS行业的形成。由此可见,中国OFS事业的发展离不开国家的支持,列入国家规划是OFS得以起步极为关键的举措。


2)成立学术组织和召开学术会议


在中国OFS的早期发展阶段,研究人员多是自发的、个体的,散见于高校和科研单位的实验室内,各自为战,虽有成绩,但难以取得大成果。因此,加强学术交流,相互学习和借鉴,相互了解和沟通显得尤为迫切。


以清华大学为主的有关单位,倡导成立了光纤传感专业委员会,以及中国首个OFS学术组织——光纤传感技术情报协作组,整合各个科研单位的力量,进一步推动了中国OFS的发展。


在光纤传感专业委员会和情报协作组的主持下,多次全国性OFS学术交流会得以召开。在1985—1993年之间,共召开了5次国内和2次国际OFS学术交流会,以及3次光纤传感培训班。1988年11月中日光纤传感专业委员会在北京联合举办了OFS学术交流会,1991年10月国际光学工程学会首次和中国在武汉联合举办了OFS学术交流会,这两次会议都获得国家自然科学基金委的资助。


第二阶段,低谷期:受制于技术和市场不成熟


20世纪90年代中期,中国光纤传感的研究进入一个小高潮后不久,其发展逐渐显露出动力不足而进入发展低潮。这段时间中国OFS事业的发展变缓,这既有外在原因,也有内在因素。


外在原因主要是中国在继续进行改革开放时,工业的深入发展遇到一定的困难;此外,这一时期光纤通信迅速发展,光通信市场需求急剧增长,国家规划制定和投资部门及光纤技术研究单位纷纷转向了光纤通信,从而减小了对光纤传感的投入。


内在因素则是光纤传感还处于发展初期,技术不成熟、工艺不完善、应用不过关,以及元器件价高质低,难以满足实际需求,没有打开市场。尤其是光通信已影响到千家万户,而人们对OFS却知之甚少,这也大大妨碍了OFS的推广。


在这一阶段,中国OFS的研制还存在多方面的问题,可概括为技术和市场两方面。一个产业的发展,技术优势是推动力,市场需求是牵引力。中国OFS的研制在技术上尚不成熟,与传统传感技术相比并无优势可言,并且难以满足实际的应用和市场的需求,因此 OFS的发展走入低谷是必然。这主要表现在:


1)光纤传感器不达标,尚不能在实际应用中得到认可。在初期,特殊专用的元器件大多由研究者自己研制,其性能、质量难于符合使用要求,且制作工艺落后,批量少、成品率低、成本和价格高。因此大大影响了技术和系统的研究和使用,真正能够投入使用的OFS少之又少,很难适应实际环境。


2)光纤传感技术不过关,尚不能在工程使用中得到认可。OFS技术具有一些传统传感技术不能比拟的优点,但这只是预测与估计,在早期的应用中未能体现,其应有特色也没有在应用中突显。例如:OFS灵敏度高,但信噪比、稳定性低;其抗电磁干扰强,但可靠性差、受温度影响大,因此其潜力未被挖掘出来;加之使用不方便、性价比较低等,使得OFS不适用于工程中。


3)光纤传感系统不成熟,尚不能在市场需求中得到认可。例如:那时国内的油库安全十分重要,全凭人工检测,且管理水平较低,使用高精度、安全的OFS检测系统应是最佳方案。


这一段时间的低潮可以归因于技术不成熟、市场不成熟、国家不重视。然而,中国OFS的研究和发展并未止步不前。


第三阶段,新高潮:进入市场,走产业化道路


凭借光纤传感固有和潜在的性能优势,其走出低谷进入新的高潮是必然的。中国光纤传感现在已进入新的发展阶段。究其原因,一方面是内部原因,OFS技术本身已有很大提高,进入了实用化阶段,不少OFS系统已可满足市场实用的要求。另一方面是外部原因:


1)国家各个层面的重视。进入21世纪以来,传感器作为国民经济的基础产业,在国家的各个层面得到了越来越多的重视。同时,随着整个光通信行业日趋成熟,光纤通信技术进入平稳发展,而市场竞争加剧。许多光纤和有关元器件的生产单位纷纷将目光转向OFS,很多投资者也看好OFS市场。这就给OFS带来了资金和推动力,使OFS走出低谷,带来了促进发展的新局面。


2) 市场需求开始呈现。随着中国经济建设的飞速发展,开始实施创新驱动发展战略,突破更多技术瓶颈需要大力孕育高新技术,其中OFS也逐步得到青睐。随着许多行业、领域的技术进步,有关技术条件得到改善,对高新技术的需求日益增加,如油罐检测的自动化、电力行业(建设超高电压和特高电压、长距离输电线路)、大跨度桥梁、水利大坝等大型构件的安全与健康状况的实时及在线监测,以及国防安全等,均对OFS提出了愈来愈多的需求,也给其应用开发带来了极好的拓展机遇。


随着中国OFS发展涌现出更多更好地机会,走产业化道路的需求越来越深。因此在迈入21世纪之后,更多的光纤传感产业论坛成功举办,加强了国内产学研之间的沟通和交流合作,以及国际学术交流、同国际OFS接轨,推动中国OFS事业进入新的发展节点。


相关文献指出,中国OFS除实验室研究成果外在产业化方面取得了可喜的成绩,在机械、电力电子、航天航空、石油化工、环保、医疗和食品安全等领域的在线检测、故障诊断和自动控制等方面,得到了卓有成效的运用和推广。企业的加入和市场的进入是这一阶段最大的特点和亮点。


中国OFS产业发展的问题及趋势


经过40年的努力,OFS已经成为中国传感器领域的一个重要分支,成为现场在线监测的重要手段,应用于越来越多的行业,并正在渗透于新的不同的应用领域。如光纤Sagnac干涉仪在陀螺领域的应用,光纤迈克耳孙、马赫-曾德尔干涉仪在水声探测、石油勘探、地声探测等方面的应用,光纤光栅传感技术在工程结构健康监测、火灾/地震监测等领域的应用,分布式光纤传感技术在周界安防、石油电力、交通运输、大型结构等领域的应用。


中国在OFS领域已取得很大成绩,涌现出不少新型光纤传感技术,如微纳光纤传感、高精度气体传感与纤维集成传感技术等,并在生物医学应用领域日益活跃;但现实发展中也存在不少问题,如研究与应用不匹配、资金制约了研发进度、性价比不高、实际工程应用面较窄等问题,都极大影响了其进一步的发展。


要加快OFS的产业化进程,就必须加强OFS新器件及技术的研发,加强产学研的结合,企业要在产业化中起主导作用;要继续努力,在中国实现OFS工程化和产业化,争取跻身到世界OFS应用的前列。今后中国OFS的产业化趋势和发展战略主要包括两个方面:


1)“一点突破”打歼灭战。在一个或若干个国家重点应用领域里,充分利用已有的研发平台,集中力量协同攻关争取突破,产生明显的示范效应并形成较大的市场,以此带动在其他领域中广泛使用的OFS技术。


2)“多点开花”打游击战。OFS有百余种,能够探测多种物理量,在许多特殊的场合可充分利用其特点发挥作用,因此OFS市场很可能是个性化的、多品种细分的小批量市场。通过市场运作,多个相同或相似类型的小市场也能聚集为大市场,由此逐步扩大应用的市场,带动OFS行业的全面发展。总而言之,不管中国OFS的产业化道路有多长有多难,必须义无反顾地坚持,加快步伐走下去,进一步促进中国OFS的学术研究,使技术及系统的产业化上一个新台阶,更好地满足国家建设需求、跟上世界科技发展的趋势。深入实施创新驱动发展的战略,脚踏实地推进中国OFS事业的发展,而且有信心赶超世界先进水平,早日实现在OFS方面也有“中国创造”。


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