我国光纤传感技术规模化应用的春天还有多远?光纤传感技术发展路线(二)
发布时间:2022-08-24 15:11:03
  在上一篇“我国光纤传感技术发展路线:关键技术发展现状”中,我们介绍了光纤传感若干关键技术的发展路径,包括特种光纤、FBG、光纤陀螺、光纤水听器、分布式布里渊光纤、Ф-OTDR、OFDR,详细阐述了

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  在上一篇“我国光纤传感技术发展路线:关键技术发展现状”中,我们介绍了光纤传感若干关键技术的发展路径,包括特种光纤、FBG、光纤陀螺、光纤水听器、分布式布里渊光纤、Ф-OTDR、OFDR,详细阐述了这几类技术的发展现状及面临的问题。今天,我们再来看看在光纤传感技术在产品应用到气体感测、三维形状传感、煤矿安全监测、油气井下测量以及海洋开发应用等领域的应用情况。

  传统的光谱学气体传感器由分立的光学元件构成,使用空间气室作为传感单元,其体积较大,对准比较困难。激光光谱技术具有选择性好、无需标记等优点。尤其是,微纳结构光纤柔性好,可实现光与气体在光纤中的长距离相互作用并保持紧凑的气室结构。微纳结构光纤对光场的束缚强、模场尺寸小、能量密度高、和样品重叠度高,可增强光与气体的非线性作用,提高检测灵敏度。

  使用微纳光纤自身作为气室传感单元,简化了光路之间的对准和链接,有助于推动光谱学测量技术向实用化方向发展,便于实现远程探测。利用微纳光纤本身的光学模式、声学模式及热传导等特性,可以实现新型高灵敏的气体传感器。传感光纤可以是空芯光子带隙光纤、空芯反谐振光纤或微纳芯光纤。根据测量需要,工作波长可选择紫外、可见光或红外波段。

  目前在实验室条件下,微纳结构光纤气体传感器已经实现了对多种气体(如甲烷、乙烷、乙炔、氨气、一氧化碳、二氧化碳等)的测量,灵敏度已达到10-6至 10-12量级。面向不同领域的实际应用,仍需解决如下主要问题:

  优化微纳结构光纤的模式和偏振特性以提升气室的光学稳定性,采用合适的防水、防污、防震封装以适应不同的应用环境。

  如果想要对一个动态的物体进行跟踪,在缺乏视觉接触的情况下,形状感知就显得特别关键。近年来,基于光纤形状的传感方法受到了学术界和工业界的广泛关注。光纤形状传感器为传统的形状感知提供了一种非常有效的替代方法,它允许对形状进行连续、动态、直接的跟踪,而不需要视觉接触。光纤传感器具有结构紧凑、体积小、灵活性强、嵌入能力强等特点,可以很好地附着在被监测的物体上,同时保证了安装的方便性和形状跟踪的有效性。这些优势使得其在医疗、能源、国防、航空航天、结构安全监测以及其他智能结构等领域具有广泛的应用。图1是全部国产化的四芯光纤三维形状传感系统的几个关键部件。

  光纤三维形状传感技术经过近二十年的快速发展,目前该项技术涉及的关键器件已经能够实现全部国产化,接近实际应用的水平。国内有多家单位相继开展了有关研究,桂林电子科技大学所研制的基于多芯光纤光栅三维形状传感系统具有动态三维形状感测能力,为工程化应用提供了各项关键技术,近年来逐步应用于若干领域,其面临的主要问题是:

  多芯光纤相关器件性能及技术的提升,是多芯光纤形状传感技术进一步发展的关键,如低损耗多芯光纤扇入扇出器件、方便可靠的熔接技术以及低损耗活动连接技术等。

  无论是基于多芯光纤光栅阵列的解调技术,还是基于多芯光纤OFDR的解调方案,三维重构算法都有待于进一步的改进。

  多芯光纤及其光器件还没有统一的工业标准,不同器件兼容性较差,难以降低成本并推进工业化批量生产。

  光纤传感器无需供电,对于煤矿井下易燃易爆气体监测和长距离多点巷道围岩变形、岩石应力等在线监测具有独特优势。

  近二十年来,半导体激光甲烷传感器(如图2)的研发和煤矿应用工程化技术的研究较多,经历了从实验室原理验证到工程样机,再到近10万只光纤传感器在一千余座煤矿的规模化应用。激光甲烷传感器具有全量程、免标校、高选择性、长期稳定可靠性等独特优势,已得到了煤矿行业的普遍认可,并逐步替代传统催化燃烧式甲烷传感器。2016年12月底原国家煤矿安全监察局在《煤矿安全监控系统升级技术方案》中明确指出推荐使用先进传感器,包括全量程、低功耗、自诊断功能的激光甲烷传感器,这标志着激光甲烷传感器正式进入商业化应用。

  光纤传感技术在国外石油公司已经得到了广泛应用,是一项较为成熟的技术。随着近几年的迅猛发展,国内各油田公司已加大对该技术的市场化推广力度,目前该技术已实现产业化发展规模。目前光纤传感技术已广泛应用于油田测井各个领域,用于监测井下温度、压力、声波、流量等,可有效分析油田储层动用情况,指导油气开发方案设计与调整。

  基于拉曼散射的光纤分布式温度传感(DTS)技术:DTS最早被应用于稠油热采井中监测井筒的温度,丰富的温度资料可以帮助油田经营者更清晰地认识油藏区块,以实现有效开发。传统的测温传感器只能在某个时间内检测间断点的温度;而光纤分布式温度传感技术可以实现在全井范围内连续且长时间的温度监测,因此可以更好地跟踪井下温度剖面的情况,如图3。但是,典型稠油井的井下温度高达260℃~300℃,并且存在含氢层段,光纤在这种环境下的使用寿命大大缩短,无法实现目标井全生命周期的监测。所以,加大高温耐氢损光纤的研发和试验力度,在关键技术上力争突破是一个迫切的问题。

  近年来,海洋勘探与监测光纤传感技术受到了学术界和工业界的广泛关注,得到了国内外诸多学者的深入研究,并取得了丰硕的研究成果。研发出的传感器,如海洋光纤温度传感器、盐度传感器、深度传感器、海洋光纤油污传感器、光纤水听器、海洋光纤流速流向传感器、海洋风电光纤磁场传感器和光纤地震传感器,为了解海洋、认知海洋、经略海洋提供了技术与装备支撑。

  各种参量的海洋光纤传感技术经过了近十年的快速发展,其传感结构与关键器件已经能够实现全部国产化,接近实际应用的水平,近几年来逐步进入若干应用领域,其面临的主要问题是:

  目前使用的多芯光纤的纤芯位置与间距需要特制,它关系到传感器的灵敏度和成本,限制了应用开发的速度。

  无论是基于多芯光纤的光栅阵列解调技术,,还是复合结构中多参量的解调方案,其重构算法还有待进一步完善。

  伴随着我国光纤传感技术领域的发展,各高校中相关人才培养的模式也在缓慢地发生着变化,这是因为需求牵引着学术技术化,市场驱动着技术工程化。在这个信息技术发展急速变化的时代,已经很少有机会能够有较多的时间容许人才缓慢地发展,来跟随信息技术快速变化的脚步。如何满足人才市场多样性的需求?如何应对快速发展变化的相关产业?这些问题对各个高校的人才培养方式提出了新的挑战。

  从市场的逻辑出发,需求牵引着市场扩展,市场驱动着技术的进步。就光纤传感技术而言,若某项特殊的感测技术有用,这项技术就能得到更深入的研究,就能得到市场更多的投入,该项技术本身才能得到更快的发展与进步。

  另一方面,市场的多样性也促进了那些能够满足应用端细分市场需求的各个行业企业的发展,它们是活跃在各个应用终端的工程应用型企业,能够与各个传统应用领域深度紧密结合。基础器件层工业级骨干企业的需求是少而精,应用端工程技术企业需求是多而强,通过这两类企业的分工协作,以及技术市场风投资本的投入不断加大,我国光纤传感产业链的各个环节的高速成长期已经来临。

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