光纤传感器 论文 光纤传感，从梦想到现实

光纤传感，从梦想到现实

运载火箭、古建筑、输油管道、航空舱……这些看似不同的事物，却有一个共同点：需要安全可靠的监测手段。而在监测过程中，都应用到了同一样技术产品：光纤传感器。

从国际范围来看，光纤传感技术方兴未艾，大多产品处于研发阶段。我国的一家科研单位却实现了很多光纤传感产品的产业化，这就是北京市光纤传感系统工程技术研究中心（以下简称“工程中心”）。

中国石油化工股份有限公司普光气田是国内唯一的高含硫气田，输气管道安全要求极高，利用电力传感器进行安全监测存在安全隐患。2017年，普光气田与工程中心合作，在天然气管道运营安全监测领域首次应用光纤传感产品，实现了安全监测。

目前，传感器的应用已深入日常生活的方方面面。同传统的电力传感器相比，光纤传感具有抗电磁干扰、电绝缘、灵敏度高等优点。因此，在航空航天、石油石化、电力等多个领域都有广泛的应用前景。

不过，由于具有一定的技术难度，只有少数技术进入应用，实现产业化。

为了加强光纤传感技术的产业化进程，2012年，工程中心正式成立，依托航天科技集团九院13所的科研平台，定位于具有自主知识产权的先进光纤传感系统技术创新中心。目前，工程中心累计投资9000余万元，建立了集研发、设计和生产为一体的研发平台，形成了具有完备产业配套的光纤传感系统研制生产体系。

5年来，工程中心不仅技术创新成果显著，在相关领域也有许多技术从研发进入生产应用。例如，智能电网和电力电缆的温度监测；建筑消防监测；储油储气罐温度监测；管道防盗采及油品泄露报警；大型建筑、道桥等设施的健康监测等等。在航天领域已应用于运载火箭应力应变监测、飞机飞行参数监测、大型建筑状态监测等等。

工程中心的光纤传感技术还走进了故宫博物院。

故宫古建筑历史悠久，部分古建筑出现了倾斜、开裂等问题，需要有效的监测手段。但由于文物建筑的特殊性，常规的监测手段均不能满足要求。光纤光栅传感技术具有无源、非介入、无需现场通电等特点，有效避免了引入额外风险。相关项目的顺利完成为我国古建筑在线监测提供了一种新手段。

据悉，光纤传感技术众多，其中较为成熟的是光纤电流/电压互感器技术。如在特高压建设中，从高压端到低压端只有一根光纤，传统产品发生过断电事故；而光纤传感天然绝缘，且测量带宽远高于传统技术，为我国智能电网和特高压建设发挥了重要作用。

工程中心还有许多技术达到世界先进水平。如航天用高性能光纤光栅测量系统技术突破了高可靠性、长期稳定性、高精度及抗辐照等关键技术难点，实现了在卫星、运载火箭等状态监测中的首次应用。

工程中心还在光纤智能结构损伤探测领域实现了重大突破，使我国在该领域进入世界前列，相关成果获得国防科学技术发明一等奖。

此外，由工程中心起草的ISO/CD 20780国际标准《航天系统—光纤器件设计与验证要求》已经完成了国际标准草案阶段的研制任务，并顺利通过注册，启动了最终国际标准草案阶段的工作，即将发布。

对于成果转化及技术应用的经验，工程中心主任王学峰表示“秘诀”有三：强化科研成果的应用开发和论证工作，使其更加贴近市场；建立产学研结合的合作机制，加强对科研成果的直接转化；加强试应用阶段的应用反馈，实现产品研发的快速迭代。

产业化进程加速

近两年，北京和山东淄博出现了一种特殊的燃气巡检车，通过汽车载激光甲烷气体泄漏检测系统对城市燃气管道进行安全监测，防止燃气泄漏。

这正是工程中心研发的产品。据悉，工程中心相继承担“分布式光纤应变传感器研发”和“燃气管道泄漏巡检装置与系统关键技术研究”两项北京市科委科技计划课题，前者成功应用于内蒙古阿拉善盟的自来水管道泄漏监测，后者应用于城市输气管线的泄漏监测。

在首都城市建设中，工程中心开发的光纤温湿度传感系统用于北京某烟草仓库的环境参数监测；光纤电流互感器应用于国家电网北京分公司菜市口数字变电站建设。此外，光纤传感产品的产业化开发也有效带动了北京市光电子器件、新一代信息技术等产业的发展。

目前，工程中心已获得国家技术发明二等奖、中国机械工业科学技术一等奖，发表论文40余篇，获授权专利30余项，培养硕士10余人。中心第一任主任、现技术委员会主任王巍研究员还被评为中国科学院院士。

经初步统计，工程中心成立5年来，累计实现产值2亿多元。由于光纤传感技术在国际上正处于方兴未艾的阶段，工程中心的多项技术成果已成功奠定了我国在该领域的领先地位。未来几年，工程中心还将陆续有产品面世。

王学峰表示，工程中心高度重视技术的产业化布局和市场推广应用，将与多个产业链上下游企业构筑产业技术联盟，并与国内外高校和科研机构进行合作开发，加速技术转化和产品产业化进程。

科研进展：EFPI光纤声波传感器在局放检测中的发展趋势

局部放电（简称局放）是危害高压电力设备安全运行的重要因素，其发生时伴随有电信号、光信号、超声信号及化学反应产生。在这些现象中超声信号具有高时效性、易于检测及抗电磁干扰等特点，成为近年来的研究热点。对局放超声信号的检测方法逐步由传统的外置压电陶瓷检测法转变为内置的光纤声波传感器检测法。在众多的光纤声波传感器中，非本征光纤法布里-珀罗（Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer, EFPI）传感器由于具有结构简单、体积小及灵敏度高等优点而获得国内外研究学者的高度关注。

图 EFPI传感器结构图

大型电力设备在发生局部放电时，其放电量一般较小，产生的局放超声信号较为微弱，同时超声信号在电力设备内部传播时受多方因素影响衰减较大。因此为了能够更好、更全面地检测到局放信号，就要进一步提高传感器的检测灵敏度。

传感器膜片是决定其检测灵敏度的重要因素，不同材料的膜片本身材料属性存在一定差异，且加工难度也相差甚远。以聚合物、硅和石英为基底制作的膜片厚度达到微米级，使用上述材料制备的传感器检测灵敏度基本在100nm/kPa左右；以银、金和多层石墨烯为基底制作的膜片厚度已经达到100nm，使用上述材料制备的传感器检测灵敏度可达到1000nm/kPa；以二硫化钼为基底制作的膜片厚度达到10nm以下，使用其制备的传感器检测灵敏度达到89nm/Pa。

通过EFPI传感器的发展历程可以看出，为了能够获得更高的检测灵敏度必须要提高膜片基底材料的加工技术，同时寻找性能更为良好的材料。

在确定传感器膜片所用材料后，为进一步优化传感器检测灵敏度需要对传感器结构尺寸进行深入计算。目前关于对传感器结构尺寸优化计算的研究较少，对于不同材料在微米甚至纳米级别的物性研究也较少，使传感器结构设计无法形成完善的系统，这也成为制约传感器发展的一个原因。

在获得最优传感器结构后，对于其结构稳定性的要求就显得尤为迫切，这是由于几乎所有的大型电力设备都工作在极其复杂的工况下。在复杂工况下，安置于其中的传感器如果结构发生破坏，极容易导致二次事故的发生，危害生产安全，这也是多数电力生产部门对在大型电力设备内部安装EFPI传感器的最大顾虑。加快EFPI传感器的应用推广，必然要提高其结构稳定性，优化安装位置，杜绝因传感器损坏而引发的二次事故。

本文编自2022年第5期《电工技术学报》，论文标题为“非本征光纤法-珀传感器局部放电检测研究进展”，作者为陈起超、张伟超 等。本文第一作者为陈起超，1988年生,博士研究生,研究方向为高压电力设备绝缘检测。通讯作者为张伟超，1984年生,博士,副教授,研究方向为光纤传感及高压绝缘检测。本课题得到了国家自然科学基金青年基金、黑龙江省普通高校基本科研业务费专项资金和国网浙江省电力有限公司科技项目的资助。

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