现代社会若无适当的传感器给现代的信息处理核心——电子计算机输入信息,那么无论多么高明的电子计算机也都无济于事。这一点正是传感器在现代科学技术中占据重要地位的原因。也正因为如此,在微处理机大量普及推广应用之后,在世界范围内便掀起了一股传感器热。

在信息的采集、发送方面,当前世界发展动向主要是小型化、智能化,提高信息传输容量,提高精度。由于光纤的线径细、重量轻,可挠性好,传输的信息量大,且又能对电、磁、光、声等70多种物理量具有优异的传感和传导性能,这便导致了光纤传感器的迅速崛起。

光纤传感器按其工作原理主要可分为“干涉型”和“强度型”两大类,其中,“干涉型”是一种利用被测对象对敏感元件的作用,导致光经过敏感元件时,其相位发生变化的光纤传感器;“强度型”是利用被测对象对敏感元件的作用,使通过敏感元件的光强度发生变化的光纤传感器。

光纤传感器不同于传统的传感器:一是用光而不是用电来作为信息的载体;二是用光纤而不是用金属导线来传递信息。因此,光纤传感器具有传统传感器无可比拟的一系列特点:

1)响应速度快,容易获得高灵敏度和大动态范围;2)传感对象众多,被测对象可以是力学量(位移、速度、加速度、力、压力等)、热学量(温度)、电磁量(电流、磁场、电压、电场等),光学方面的图像、核工业中的放射线,以及在化学中的物质成分等;3)环境适应性好,可以在高电压、高温和强腐蚀,以及易燃、易爆环境中使用;4)结构上可以做到体积小、重量轻、柔性好等,且构成方式灵活,对同一被测对象可以用多种方式来完成;5)易于构成光纤传感数据采集和过程控制网络系统,因此,光纤传感器在军用、工业自动化控制、医用、科研等领域具有广阔的应用前景,据美国市场信息研究公司(MI%)最近发表题名为“光纤传感器市场”一文的分析,90年代初的光纤传感器市场就像70年代后期的半导体工业那样,肯定会急剧增长。据预测,至2000年、光纤传感器的市场规模将跃增到49亿美元。据此、美国凯斯勒市场情报公司认为,光纤传感器是新兴光纤产业的最大潜在市场,具有巨大的发展潜力,是未来信息化社会的基础技术之一。

美国、日本、西欧国家都非常重视光纤传感器的发展,它们分别从70年代中期起投入了相当大的人、物、财力,制定了发展光纤传感器的重大计划,形或了高等学校、研究所以及军事部门联合研究开发的趋势。从研究开发重点来看,美国、西欧国家侧重于光纤传感器在军事上的应用,日本则侧重于光纤传感器在工业上的应用,现分述如下。

一、美国

美国对光纤传感器的研究开发,早在1977年就受到了军事部门的密切关注,美国国防部特把光纤传感器列为80年代军备改造计划的15项重点之一。据美国凯斯勒市场情报公司(KMI)在1987年的报导,19郎 ~ 1990年的5年中,美国用于军用光纤技术(包括光纤传感器)的总投资计划接近甚至超过17亿美元,其中,1986年为1.964亿美元,1990年预计为5.09亿美元。5年间,用在陆军光纤制导导弹(FOG-M)的经费需6.45亿美元,用在S军光纤陀螺仪的经费为1.62亿美元,用在海军反潜武器(包括光纤声响传感器等)的经费为0.8亿美元。另据报导,美国国防部用在光奸传感器的研究开发经费:1985财政年度为1500万美元;1986财政年度为2000万美元;1987财政年度为2500万美元。由此可见,美国军方对光纤传感器的研究开发相当重视,其发展计划主要有五大项目。

1. 光纤陀螺仪

光纤陀螺仪即是一种光纤旋转传感器,它主要用于旋转物体角速度的检测和飞行体的高精度位置控制。其主要特点是精度高、体积小、重量轻、坚固。据估甘,同级精度的光纤陀螺仪,其成本仅相当于机械或激光陀螺仪的五分之一,甚至十分之一,而重量和体积也仅相当于几分之一。

光纤陀螺仪在世界上最早是由美国犹他州立大学于1975年开始研究的。由于美国海、陆、空三军看到了光纤陀螺仪在军事应用上的巨大潜力,于是就大力资助美海军实验室、喷气发动机实验室、斯坦福大学、麦道格拉斯公司等10家研究所、大学、公司开展研究。研究工作包括理论研究、元器件开发、实验室模型演示及结构研究等等,因此可以说,光纤陀螺仪是美国发展光纤传感器在军事上应用的最大项目。

1983年,麦克唐纳 · 道格拉斯公司研制成功的零相指示光纤陀螺仪已能与环形激光陀螺仪相竞争,现已在导弹制导系统中得到了应用,目前,从美国三军联合开发光纤陀螺仪的总体水平来看,业已进入开发应用阶段。

近年来,随着光纤陀螺仪性能上的提高,使得它在民用上的应用也引起了美国工业界的浓厚兴趣。其中,与军事上相近的应用项目包括关键部位的反馈和控制,如机器人手臂、自动制造系统、自动导航系统、飞行控制系统、弹射座椅等。最近,已能做到把光纤陀螺仪安装在火箭底部来决定飞行的轨迹。尤为值得一提的是,麦克唐纳 · 道格拉斯公司已设计出许多操作程序来提高光纤陀螺仪的设计水平,并且还研制成具有宽温度范围和能经受强冲击的元件,这便使得该公司有可能发展世界上第一流的光纤陀螺仪。

2. 光纤传感器系统

光纤传感器系统是美国海军发展光纤传感器在军事上应用的重大项目。具体由海军研究实验室实施,主要是研究开发光纤水听器,光纤磁场计以及其它一些用于水下探测的干涉议。其中,光纤水听器M研究开发的重点,它主要用于潜艇、水面的声纳系统、海洋声浮标以及海洋拖曳声纳系统,以供反潜和水下探声之用,也可用于鱼群探测、近海石油的勘探。

美国海军经过多年的大力研究开发,目前光纤水听器已成功地进行现场试验,在试验中经受了全部军用标准的考核,现已进入开发应用阶段。

3. 高级数字光控制系统

高级数字光控制系统是美国陆军发展光纤传感器应用的重大项目,其发展目标主要是要用光编码器的光传感器系统来替代飞行员控制直升飞机。该系统按三个阶段实施:第一阶段(1981 ~ 1982年)进行探索性研究;第二阶段(1983 ~ 1984年)作飞行可行性试验;第三阶段(1986年后)用光纤直接对传动机构作液压控制。美国陆军为发展高级数字光控制系统,前后有11家公司参与研究开发。

4. 核辐射检测

该项目的研究开发涉及到核武器试验时的等离子探测和故障排除,以及光纤线路和元件的辐射灵敏度概,同时还要研究开发可供严重核污染区使用的遥控化学传感器。研究经费由军事部门提供。最近,美国内华达核试验场在进行地下核试验时,已经使用光纤阵列和闪烁体耦合的光纤传感器来检测核爆炸试验的数据。

5. 航空发动机检测

该项目的目标是研究开发用于航空发动机检测的光学检测手段,其中,包括温度传感器、叶片间隙传感器、火焰燃烧传感器,以反应变仪和液面计等。该项目由美国宇航局于1973年起开始实施。现已取得很大进展,如罗斯 - 劳依斯公司研制成功的像散式光纤传感器,其检测结果只与发动机叶片的位置有关,而与光源强度、透镜的污染及叶片的反射率无关。业已在发动机上作过评价,测£范围为600°C-1100°C。

美国除以上五大军事方面应用的重大项目外,一些私营企业和有关的非政府部门也正在为光纤传感器在非军事方面的应用研究提供经费。现在,工业过程控制和医用已成为美国发展光纤传感器应用的两个重要领域。

美国光纤传感器在工业过程控制方面实际应用的地方,是一些危险的、不能用电子传感器的区域,诸如核电站、石油化工厂、油井和存在易燃、易爆气体的场所,在这些场所应用的光纤传感器主要有光纤温度、压力、液面、流量等传感器。目前这些被应用的各种光纤传感器大部分是采用“强度型”的,然而许多传感器专家认为,具有高灵敏度的“干涉型”传感器将在几年后渗透到工业过程控制方面的应用,从而改变这种状况。

据美国市场情报研究公司(MIRC)估计,在工业过程控制方面应用的各种光纤传感器中,光纤温度和光纤压力传感器应用得最多,它们要占到整个光纤传感器应用数量的50%,其中光纤温度传感器的应用数量要占到25%以上。估计1986年美国光纤温度和压力传感器的市场销售额要达到500 ~ 600万美元。

光纤传感器由于具有体积小、重量轻的特征,因此可以把光纤传感器集中在小型探头插入人体内,或简单地置于皮肤表面,这样便可对人体内的生物功能进行实时监测。现在,美国光纤传感器的发展已进入医疗产品,并在诊断和外科两方面起越来越大的作用。如美国国际生物公司开发成功的血氧测定计,就是一种以光纤传感器为基础的pH监测系统。使用时,只要把探头刺入皮肤,便可检测皮下组织的pH值、血液的氧含量。在临床应用中,如把探头触及胎儿的头皮,便可对月台儿的血液氧含量进行实时监测,这在剖腹产中将发挥重要的作用。据该公司介绍,它们开发的血氧测定计,有效测量范围在PH值为7.09—7.4之间,当pH值在7.2之下,说明胎儿已窒息。又如美国ISI公司开发的血液渗透监测器,也是一个光纤传感器系统,其工作原理是通过循环测量红血球散射的激光多普勒相移,从而来测定血,液流速。这种血液渗透监测器的医疗用途,包括有关血管或整形外科方面的诊断,循环监测、以及估计烧伤的程度。据美国马里兰州巴尔的摩区域烧伤中心的临床试用,该监测器有助于医生对严重烧伤病人的治疗。

二、日本

日本为大力推广光纤传感器在工业上的应用,于1979年正式拟定了“光应用测量控制系统研究开发”这一对工业应用具有重大战略意义的大型计划。实施该大型计划的目标是:应用光测量技术,对存在电磁感应和可燃性气体等的恶劣环境中,能安全可靠、精确地测量和综合监视、控制工业区和大型工厂等一定范围内发生的包括图像在内的大量工业过程控制信息。为保证该大型计划的实施,日本通产省拨出了160亿日元投资,在日本光产业振兴协会的协调下,由冲电气、住友电工、东芝、日立、富士通、日本矿业以及岛津制作所和富士电机综合研究所等15家公司和研究机构组成研究开发集团攻关,经过6年左右的努力,先后开发成功了12种具有世界第一流水平的光纤传感器:可视图像监视光纤传感器、光振动传感器、光开关传感器、光液面(压力)传感器、光流量传感器、光温度传感器、波长扫描型光温度传感器、分布型光温度传感器、光漏气传感器、光漏油传感器、光波液位传感器、热图像传感器。其中,最有代表水平的是波长扫描型光纤温度传感器,光开关传感器、光纤分布型传感器、光漏气传感器、热图像监视传感器。

波长扫描型等光纤温度传感器是一种偏振型(即偏振调制方式)光纤传感器,光源采用1.3 μm波长的分布反馈激光管,能实现远距离的稳定检测:在1公里距离内测量精度可达1%,而测量的温度范围在-30 ℃ ~ +70°C;光开关传感器是一种集线装置,即通过安装在各信息源的光开关传感器和能给各个传感器提供固定延时的延迟线,把分散在工厂各场所的许多开关信息进行时序化,以全光方式收集。这种集线装置可连接100个以上传感器,且数据的更新周期在1米/秒以下。由于光开关传感器和延迟线等构成的传输线路都不使用电气元件,因此便具有抗电磁噪声、安全防爆及高速传输等优越性。特别适用炼油厂、化工厂等各种工厂控制和物质流动系统的控制;光纤分布型传感器可以检测出用以构成传感器的光纤上任意一点的温度变化,它由耐热被覆层的传感元件和光时域反射仪(OTDR)构成,其主要性能指标:测温范围为25°C ~ 600°C,可测长度在200米以上,测量精度为+30℃:光漏气传感器是利用设计在光波导部件中的反应层与氢气相互作用后产生着色(透过率变化)效应来进行检测的。其检测精度若以氢气为对象,可以达到20 ppm,非常适宜在炼油厂等化工厂中用来对可燃性气体的检测,以确保工厂安全。光纤热图像监视传感器是利用红外探测测量出温度在绝对零度以上时,被测物体辐射出与温度相对应的红外线辐射量,来对被测物体的温度进行检测,它具有5个方面的优点:1)可作温度遥测;2)不受电磁干扰影响;3)传感头小而轻;4)在环境温度高的情况下也能使用;5)维护保养简单。其主要性能指标:测量下限温度为300°C,温度分辨率为1°C,响应速度为6秒/画面,画面为80×80像素,即8级浓淡模拟色。

日本通过实施“光应用测量控制系统研究开发”的大型计划,有力地促进了光纤传感技术的发展。现在,传感器已开始在工业计测和电力系统中得到了较多的应用。而光纤电压、电场等传感器由于成本问题,与前二者相比较,发展速度还较慢。

日本与美国明显不同之处,是重视发展光纤传感器在工业上的应用。因此,日本当前研究开发的光纤传感器是以“强度型”为主的,但对光纤陀螺仪的研究开发也相当重视,现也取得引人注目的进展。

三、西欧国家

西欧国家如英国、法国、联邦德国等为促进光纤传感器的发展,也都由各国政府提供经费来实施发展光纤传感器的计划。其中,英国为促进光纤技术应用的发展,于1981年7月拟定了一个五年计划(1981-1985年),投资总额为5500万英镑。根据该计划,英国政府明确规定,开发研究包括光纤传感器在内的各项光纤应用技术,只要经过政府认可,都给予25多的经费资助。其中,开发研究光纤传感器在军事上应用的项目由协作评价开发机构(C. V. D)、皇家信号雷达研究所(RSRE)、海军部水下武器研究所(AUWE)提供经费 · 开发研究光纤传感器在工业上的应用,则由各工业部提供经费,为此,还专门成立了一个“光纤传感器协作协会”(OSCA)来促进工业用光纤传感器的研究开发。

联邦德国也制订有发展光纤传感器的计划,在经费的资助上,属军事应用的项目由国防部提供,在工业应用上的项目由联邦研究技术部提供。据报道,联邦德国用于光纤传感器的科研经费每年约82万美元。

法国军用光纤传感器的研究开发经费由海军、空军和国家电技术研究局提供,而在核检测化学传感器等民用光纤传感器的研究开发经费则由法国原子能委员会提供。

总的来讲,光纤传感器在军用方面,西欧各国都致力于小规模的光纤陀螺仪和光纤音响传感器的研究。其中,法国、联邦德国特别重视光纤陀螺仪的研究。目前,法国汤姆逊司已把光纤陀螺仪作为商品推出。而英国特别重视光纤音响传感器的研究。关于工业应用光纤传感器的研究,英国、法国、联邦德国研究开发的光纤位移和光纤电流(磁场)这两种传感器都获得了较高的水平。如法国研制成功的“干涉型”电流(磁场)传感器可以测量几毫安到几兆安的大电流。

综上所述,当前,美国、日本、西欧国家发展光纤传感技术已取得了显著的进展,光纤传感器已开始从实验室推向市场。据不完全统计,目前,这些国家总共拥有72家从事光纤传感器研究和产品开发的研究所、大学、公司。其中,美国有28家,日本有25家,英国有3家、法国有4家,联邦德国有7家。从研究开发光纤传感器的项目来看,以光纤陀螺仪为最多,共有38家,其中美国有17家,日本有10家,西欧国家有3家,其次是光纤温度传感器,计有28家,美国有11家,日本有15家,西欧国家有2家。