1、国内光纤光栅材料研究与应用概况智能传输材料之三课案智能传输材料之三国内光纤光栅材料研究与应用概况一、光纤光栅简介 光纤智能材料与结构是采用光作为信号检测和传输媒介， 具有抗干扰能力强、数字量检测、传输距离远以及组网容量大 等独特的优点。光纤光栅就是一种通过一定方法使光纤纤芯的 折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅。由于光纤光栅 具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等 优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环 境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的 应用。根据光纤光栅的周期大小，主要分为短周期光纤光栅和 长周期光纤光栅两种。短周期光纤光栅也叫光纤
2、布拉格光栅（fiber Bragg grating，简称FBG）,其周期通常小于1卩m,能 实现反向模式间耦合的光纤光栅，属反射型光纤光栅；长周期 光纤光栅（long卩eriod fiber grating ,简称LPFG）的周期为几十 到几百微米，属透射型光纤光栅。其最主要应用在传感领域。二、光纤光栅传感器及其应用自从 1989 年首次报道将光纤光栅用于传感领域以来， 经过 20 多年的发展，光纤光栅在光纤传感领域的作用日益突出，各 类传感器不断涌现。根据实际应用环境不同，光纤光栅传感器 大致可分为温度传感器、应力传感器、弯曲传感器、压力传感 器、扭曲传感器、生化传感器、光纤加速度计等。光纤
3、光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外， 还有一些明显优于光纤传感器的地方，其中最重要的就是它的 传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于测量信号不受 光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影 响 ; 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参 考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多 个布拉格光栅（ FBG ）光栅进行分布式测量。另外，光纤光栅 很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范 围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构的理想 器件。1. 民用工程 民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领 域 , 基础结构的状
4、态 , 力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、 高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的 , 通过测量建筑物的 分布应变 , 可以预知局部荷载的状态 , 光纤光栅传感器既可以 贴在现存结构的表面 , 也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行 实时测量 , 监视结构缺陷的形成和生长。 另外 , 多个光纤光栅传 感器可以串接成一个网络对结构进行分布式检测 , 传感信号可 以传输很长距离送到中心监控室进行遥测 , 因此在民用工程中 光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。例如：武汉天心 洲公铁两用斜拉桥、海口世纪大桥、荆岳大桥等长期安全监测。2. 航空航天工业 航空航天业使用传感器密集，一架飞行器为了监测压力、
5、 温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等 所需要使用的传感器超过 100 个，因此传感器的尺寸和重量变 得非常重要。光纤光栅传感器只有 1 根光纤敏感元件（光栅） 制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲几乎没有其他传 感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤光栅传感技术非常 重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的技术专利。 现在，大量复合材料被用于替代传统金属材料用于航天飞行器 中，而复合材料结构的制造过程中可以便捷埋入光纤光栅传感 器，实现飞行器运行过程中机载传感系统的实时健康和性能监 视，这可以减少飞行器重量、缩短检查时间、降低维护成本 从 而改善其性能。例如，美国
6、 X-33 原型机。3. 电力工业电力工业中的设备大都处在强电磁场中 , 一般电类传感器 无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中 , 如高压开关 的在线监测 , 高压变压器绕组、 发电机定子等地方的温度和位移 等参数的实时测量 , 这些地方的测量需要传感器具有很好的绝 缘性能、 体积要小、 而且是无源器件 , 光纤光栅传感器是进行这 些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方 , 如荒山野岭、 沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站 , 使用分布式 光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。 因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。例如， “西 电东送 ”工程中采
7、用光纤光栅高压开关柜逐点监控系统对高压 电缆的温度进行检测。4. 石油化学工业 石化工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油 气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤 光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域里应用。5其他如 船舶航运业应用 中，能够为现代船舶的操作提供瞬时和 丰富的传感信息，进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危 险报警和损伤评估来保证船舶的安全。 医学应用 中，光纤光栅 传感器是现今能够做到最小的传感器，能够通过最小限度的侵 害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和 声波场的精确局部信息，光纤光栅传感器对人体组织的损害非 常之小，足以
8、避免对正常医疗过程的干扰。 核工业应用 中，核 工业是个高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁，因 此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装置受辐射影 响会加速老化，会需要更多的维护和修理，会需要更多的传感 器以便遥控设备，处理不确定情况。同时核废料的管理也变得 越来越重要，需要有监测网络来监视核废料站的状况，对监视 网络长期稳定的要求也是前所未有的。三、光纤光栅材料国内现状我国在 70 年代末就开始了光纤传感器的研究， 目前武汉理 工大学、中国计量学院、国家电网公司、浙江大学、清华大学 等在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领 域进行了大量的研究。 特别是 1997 年
9、国家计委批准在武汉理工 大学建设了全国唯一的“光纤传感技术国家重点工业性试验基 地 ”、2000 年批准在武汉理工光科股份有限公司建设 “光纤传感 器国家高技术产业化示范工程 ”、2009 年发改委批准在武汉理工 大学成立 “光纤传感技术国家工程实验室 ”，使得我国光纤光栅 领域若干关键技术和产业化研发方面取得一系列重要突破，大 大加速了这一高新技术的产业化进程。以下从2015、2014、2013年在国内期刊 发表文章及在国家 知识产权局申请与授权专利两个方面具体分析光纤光栅材料领 域各高校、科研院所与企业的研究与应用情况。（一）国内期刊从知网、维普、万方数据库搜索关键词（文章题目）含 光 纤
10、光栅”结果来看，研究较为热门，集中在工程应用领域，详见 表1。表1:年度研究领域2015 年2014 年2013 年物理学185336370土木工程504960电气工程294350建筑学262331矿业工程234849信息与通信工程204561仪器科学与技术174872机械工程133559控制科学与工程10-航空宇航科学9-石油与天然气-2839电子科学与技术-2322其他6983163合计451761976注：因2015年部分期刊还未刊登电子版，检索会不全面。另外，可搜索出六本相关图书，分别为科学出版社光纤光栅原理及应用（饶云江、王义平著）、国防工业出版社光 纤光栅传感原理及应用（吴朝霞、吴
11、飞著）、国防工业出版 社光纤光栅及其传感技术（赵勇著）、中国建筑工业出版 社结构健康监测光纤光栅传感技术（李宏男、任亮著）、 科学出版社光纤光栅理论基础与传感技术（张自嘉著）、 科学出版社光纤光栅传感应用问题解析（孙丽著）。（二）申请与授权专利截止2016年2月12日，在国家知识产权局专利检索中，搜索发明专利名称含关键词“光纤光栅”，共检索出2724件专利， 因涉及太多，表 2列举出部分申请量较大的高校、科研院所和 企业（人工检索统计，会有遗漏）。表2:发明人（申请人，包括联合申请人） 数量武汉理工大学197中国计量学院189国家电网公司114浙江大学105清华大学98电子科技大学 80哈尔滨
12、工业大学 83华中科技大学 68南京航空航天大学 65山东省科学院激光研究所 53武汉理工光科股份有限公司 48重庆大学 40国网电力科学研究院 36吉林大学 34西北工业大学 31中国电子科技集团公司第八研究所 24杭州欧忆光电科技有限公司 19中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 13西安盛佳光电有限公司 10深圳大学 9无锡津天阳激光电子有限公司 8杭州聚华光电科技有限公司 7合计 1331四、相关高校、科研院所与企业概况及研究方向1、武汉理工大学该校光纤传感技术国家工程实验室重点是围绕大型桥梁与 土木工程、电力工程和石化工业等国家重大建设项目对安全监 测和信息采集的需求，开展光纤传感
13、关键技术的研发，构建基 于光纤传感的新一代安全监测技术体系，研究和制定光纤传感 技术与产品标准。该实验室主要负责人是中国工程院院士姜德 生。目前，重点开展基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实 时在线监测技术与系统、旋转轴系振动（位移）的光纤光栅测 量技术与方法、基于光纤光栅传感的机床温度与切削力测量、 基于光纤光栅传感的损伤识别研究、基于光纤传感技术的重大 装备安全监测等，该校光纤传感技术已成功用于武汉天心洲公 铁两用斜拉桥、公路隧道火灾安全监测、国家四大战略储备油 库火灾报警、三峡工程重点文物保护工程结构安全监测等。2、中国计量学院中国计量学院是我国质量监督检验检疫行业唯一的一所本 科院校，
14、是一所计量标准质量检验检疫特色鲜明、多学科协调 发展的普通高校。中国工程院院士庄松林教授任名誉校长，国 家杰出青年基金获得者、浙江省特级专家林建忠教授任校长。该校现有两个国家及部级科技平台，即计量测试技术与仪 器教育部工程研究中心、国家磁性材料及其制品质量监督检验 中心，及五个省级重点实验室和创新平台，在数字量检测（传 感器应用研究）领域拥有明显优势。3、国家电网公司该公司世界企业 500 强位列第 7 位，是全球最大的公用事业企业。因涉及到电力输送，该公司及其下属各省电网公司、电力研究所针对光纤光栅传感器线路检测进行了大量的研究， 从专利库中检索来看（若包括下属企业），相关专利也是最多。4、
15、浙江大学 浙江大学信息与电子工程学系光纤电子学实验室，通过和 国外著名实验室的合作，在国内较早开展光纤传感器方面的研 究，分别在分布式光纤传感器、航空用光纤传感器、光纤水声 传感器和光纤传感网络等方面开展了国内领先的科研工作。是 目前国内唯一能全系列提供分布式光纤传感技术（包括布里渊 和拉曼分布式光纤传感器等）的研究单位。因中国计量学院及浙大两所高校的影响，杭州市已成为我 国光电技术转化应用较为集中的地区之一，如有杭州欧忆光电 科技有限公司（专利 19 件）、聚光科技（杭州）股份有限公司 （专利 7 件）、杭州布里特威光电技术有限公司（专利 4 件）等。5、武汉理工光科股份有限公司该公司是烽火
16、科技集团武汉邮电科学研究院旗下专门从事 光纤传感及智能化应用的高新技术企业。作为中国最早从事光 纤传感技术的企业之一，理工光科为石油石化 /公路隧道火灾监 测、重要场所周界入侵防范、大型桥梁健康监测与综合管养、 智能电网、重大装备状态监测与故障诊断等多种不同应用场景 提供了一系列完整先进的综合解决方案，是中国最大的光纤传 感安全监测设备提供商。理工光科自成立以来，一直与武汉理工大学光纤传感技术 研究开发中心开展密切的“产学研”合作， 积极参与国家光纤光栅 传感行业标准化工作，为推动我国在光纤传感物联网技术方面 的总体研究水平和自主创新能力， 也为“武汉中国光谷”的光纤传 感技术与产业处于国内的
17、领先地位并在国际上产生重要影响做 出了突出贡献。作为武汉中国光谷的核心企业之一，理工光科 目前营销和服务网络遍及全国 100 多个地市，网点覆盖率在同 行业中位居榜首， 公司掌握光纤光栅传感系统的全部核心技术。6、 中国电子科技集团公司第八研究所 中国电子科技集团公司第八研究所（又名：安徽光纤光缆传输技术研究所）是从事光传输技术、光传感技术研究开发和 应用的国家一级研究所。产品应用于雷达通信、预警探测、航 空航天、水下通信、安防监控、通信设备等领域，应用区域遍 布海、陆、空、天各个场合，为我国国防事业和国民经济信息 化做出了重要贡献。现所区分别位于安徽省淮南市和合肥市。7、 电子科技大学电子科
18、技大学是教育部直属、国家“ 985 工程”2“11 工程”重 点建设大学，坐落于四川成都市。学校原名成都电讯工程学院。 目前，该校完整覆盖整个电子类学科，以电子信息科学技术为 核心，以工为主，理工渗透，理、工、管、文协调发展的多科 性研究型大学。该校通信与信息工程学院、光电学院、电子工程学院及通 信抗干扰技术国家级重点实验室等院室，使得在光纤通信领域 科研实力雄厚。附件 1：国内部分光纤传感器公司一览表公司所在地企业名称北京 北京 北京 北京 北京 北京 北京 广州 杭州 杭州 杭州 杭州 合肥 南京 宁波 宁波 宁波 上海 上海 上海 上海 上海 上海 上海 上海 上海北京菲博泰光电科技有限
19、公司 北京睿光通科技有限公司 北京基康科技有限公司 北京迪恩康硕科技发展有限公司 北京蔚蓝仕科技有限公司 北京品傲光电科技有限公司 北京托普光研科技发展有限公司 广州天赋人财光电科技有限公司 杭州欧忆光电科技有限公司 聚光科技（杭州）股份有限公司 杭州布里特威光电技术有限公司 杭州恒川科技有限公司 合肥容知光纤传感技术有限公司 南京格能仪器科技有限公司 宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公 宁波振东光电有限公司 宁波汉迪传感技术有限公司 上海华魏光纤传感技术有限公司 上海波汇通信科技有限公司 上海光栅信息技术有限公司 上海紫珊光电技术有限公司 上海森首光电科技有限公司 上海前所光电科技有限公司
20、 上海八运水科技发展有限公司 上海仪表（集团）公司 上海汉昆光电科技有限公司上海上海光维通信技术股份有限公司深圳深圳市欧普申光电科技有限公司深圳深圳市安捷工业光电有限公司深圳深圳市迅捷光通科技有限公司深圳深圳市科斯通科技有限公司深圳深圳太辰光通信有限公司苏州苏州市盛信光纤传感科技有限公司苏州苏州光格设备有限公司天津依诺维信科技(天津)有限公司威海威海北洋集团无锡无锡科晟光子科技有限公司无锡无锡成电光纤传感科技有限公司无锡无锡津天阳激光电子有限公司武汉武汉理工光科股份有限公司武汉武汉东隆科技有限公司西安西安博康电子有限公司西安西安固泰传感器有限公司珠海珠海拓普智能电气股份有限公司附件2:部分知名国外光纤光栅技术应用企业公司所在地企业名称美国Micron Optics Intern ati onal美国Agile nt Tech no logies （ 安捷伦）日本日本光纳株式会社(Neubrex Co.,Ltd)加拿大OZ光学有限公司德国LIOS
