我国光纤传感技术规模化应用的春天还有多远?

2022-9-7 20:25| 发布者: 2233| 查看: 80| 评论: 0|来自: 光电汇

摘要: 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 ...

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。

若干典型领域中的光纤传感技术应用情况

1光纤气体传感技术

航天、航海、能源、食品卫生、环境保护、医学等领域的发展,对气体探测的能力提出了愈来愈高的要求。目前常用的气体检测技术包括气相色谱/质谱分析,电化学、光离子化探测等,在测量精度、动态范围、气体种类、成本、体积、在线或远程测量等方面难以满足日益增长的需求。

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。

首次应用微纳结构光纤进行气体测量的报道可以追溯到2001年。最早研究中用的是实芯微结构光纤,之后是空芯光纤。二十年来,研究人员在光纤气室的设计和制作、响应速度的提高、新型检测方法、噪声抑制、灵敏度的提高、动态范围的增大、系统稳定性的提高及实用化方面取得了令人瞩目的进展,如表1。

表1 微纳结构光纤气体传感技术发展简表

我国光纤传感技术规模化应用的春天还有多远?11 / 作者: / 来源:光电汇

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:

  • 探头技术。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。
  • 光学解调技术。光学干涉相位检测系统需具有高灵敏、大动态范围、稳定、小型化和低成本的特点。
  • 光源技术。不同波段,尤其是红外波段的低成本、可调谐、窄线宽激光器是高灵敏多组分气体测量的关键器件。

2光纤三维形状传感技术

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。

我国光纤传感技术规模化应用的春天还有多远?67 / 作者: / 来源:光电汇图1 基于四芯光纤的三维形状传感系统的关键部件

实际应用中,如输油管线、桥梁结构等大尺度三维形状传感场景,适合将多根单芯光纤与待测物进行组合,并使用布里渊光时域反射技术监测其形状变化;而对于中等尺度或小尺度应用场景,例如机器人、柔性医用器械等,则适合采用多芯光纤阵列FBG解调技术或者分布式OFDR的曲率积分及形状重构的方法,来实现较高精度的三维形状感测。其中,该技术在医疗领域最具有发展潜力。

光纤三维形状传感技术的发展思路有两个:一是采用多芯光纤;二是采用多根单芯光纤与柱状结构物相结合的方式实现三维形状传感。这里谈的主要基于第一种思路。表2为基于多芯光纤的三维形状传感技术发展梗概。

表2 多芯光纤三维形状传感技术发展简表

我国光纤传感技术规模化应用的春天还有多远?74 / 作者: / 来源:光电汇

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:

  • 目前使用的多芯光纤的纤芯间距较小,其精度相对于较大纤芯间距的光纤形状传感器还有一定差距。
  • 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。

3煤矿光纤传感技术

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。

我国光纤传感技术规模化应用的春天还有多远?0 / 作者: / 来源:光电汇图2 激光甲烷传感器模块和激光甲烷便携仪

此外,基于拉曼散射原理和多模光纤的光纤分布式温度传感器在煤矿采空区自燃发火隐患在线监测及预警定位方面展现了独特的作用,解决了采空区火灾隐患电子传感器存在检测盲区的难题,该类传感器经历了从隔爆兼本安型到低功耗本安型矿用仪器的升级过程,现已在全国数百个煤矿中对采空区和胶带运输系统进行火灾隐患监测预警方面得到了应用。

基于激光/光纤的甲烷、CO等多种气体传感器,基于光纤光栅的温度、位移、应变、压力、风速等传感器,以及光纤分布式温度、应变、振动和气体传感器将在日益兴起的智能矿山建设中拥有十分广阔的发展空间。随着中红外半导体激光器技术的发展,煤矿火灾监测预警技术可望在“十四五”期间取得突破。而下一步研究和突破的重点则在于,光纤分布式振动、光纤风速、光纤粉尘传感器,光纤电流、电压传感器,在煤矿井下高湿、粉尘、强机械冲击等情况下的适应性。

4油气光纤传感技术

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。

我国光纤传感技术规模化应用的春天还有多远?90 / 作者: / 来源:光电汇图3 DTS测量蒸汽辅助重力泄油(SAGD)水平井井下温度

光纤法布里-珀罗腔测压技术(PT):根据光纤法布里-珀罗腔的腔长随外界压力的变化而变化的原理来实现对油井中压力的监测,该方法具有抗干扰能力强、安全性高、长期工作稳定等优点,因此在井下监测中得到广泛应用,其应用场景如图4所示。但井下测压传感器的加工工艺要求高、可靠性低,在井下高温、含氢环境中,传感器寿命短;且解调算法中存在模型不准确导致的模式跳变。

我国光纤传感技术规模化应用的春天还有多远?23 / 作者: / 来源:光电汇图4 采用光纤测压技术测量地层压力

DAS技术:基于Φ-OTDR原理对空间分布的振动进行测量的DAS技术,是近几年光纤测井领域的最前沿技术。为达到最好的监测效果,需将光纤铺设在油气井套管外、与地层直接接触,但施工难度大。此外,还需要进一步提高低频甚至超低频信号采集性能,并面临着数据预处理、降噪及人工智能特征提取时,数据量大,算法复杂的问题;以及油气井的生产过程中,声波信号微弱、信噪比低的问题。

5海洋勘探与监测光纤多参量传感技术

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。
  • 复合结构中的不同种光纤间的低损耗熔接技术,是实现海洋光纤传感技术的重要环节。
  • 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。

我国光纤传感技术发展的愿景

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。

光纤传感技术的成熟伴随着光纤通信技术的成熟,但是与光纤通信的市场情况则相反。光纤传感市场不仅被各种不同的需求和多样化的应用场景细分,而且能够满足各种应用的支撑性技术也各不相同,这样的现实情况阻碍了资本的投入规模,客观上也制约了光纤传感技术的发展。

时至今日,我国光纤传感技术正处于一个高速发展期,又恰逢我国金融市场的活跃期。一方面,细分市场促进工业级骨干企业的崛起,以实现细分市场的整合,完成基础层高可靠性、低成本、规模化的关键材料与器件的供给。这些供给包括三个内容:

1) 提供适用于具体应用场景的特种传感光纤与光缆;

2) 提供与特种传感光纤相配套的特种光纤器件;

3) 提供工业级高可靠性、低成本专用光电信号集成处理芯片或处理模块。

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。

本文作者

苑立波1,童维军2,江山3,杨远洪4,孟洲5,董永康6,饶云江7, 何祖源8,靳伟9,刘统玉10,邹琪琳11,毕卫红12

1桂林电子科技大学电子工程与自动化学院光子学研究中心

2长飞光纤光缆股份有限公司光纤光缆制备技术国家重点实验室

3武汉理工光科有限股份公司

4北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院

5国防科技大学气象海洋学院

6哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室

7电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室光纤光学研究中心

8上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室

9香港理工大学电机工程系

10山东省光纤传感技术重点实验室,齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院激光研究所

11北京知觉科技有限公司

12燕山大学信息科学与工程学院,河北省特种光纤与光纤传感重点实验室

本文改写自发表在《光学学报》上“我国光纤传感技术发展路线图”一文,在此特别感谢杨远洪老师对本文的指导

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