光纤传感器“护驾”能源安全

“你可别小看这根不起眼的光导纤维，我们利用它研发的传感器不但填补了国内光纤传感技术在矿山安全监测应用方面的空白，而且已在国内矿山、油田、电力等领域的100多个大项目中率先进行了示范性应用，开创了国内外大规模产业化的先河，5年内的市场规模预计将达1100余亿元。”经济导报记者在山东省科学院激光研究所进行采访时，该所副所长王昌博士指着展览室中琳琅满目的各种光纤传感器说。

提起矿山安全，许多人首先会想起我国经常发生的煤矿瓦斯和透水事故。通常情况下，一般是采用电子传感器对各种危险因素进行监测。但这种传统方式由于是带电运行，存在较大的安全隐患，在恶劣环境中的使用寿命也是一大“短板”。因此，如何建立一种安全高效、智能化的监测系统，成为摆在相关科研机构和企业面前的急迫课题 。全光纤综合监测系统的成功研发和推广，无疑使这一难题应刃而解。

光纤传感PK电子传感

“与采用电缆的传统电子传感器相比，光纤传感器使用光导纤维作为传感器件或信号传输媒介，可以解决传统传感器无法解决的许多测量与传输问题，具有无可替代的重要作用。”在实验室中，王昌拿出一段透明的玻璃导线介绍说，光导纤维（光纤）是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有125微米左右。它由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经多次全反射，从另一端射出。因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，故光纤传感安全可靠，对电磁干扰、工业干扰也有很强的抵御能力。

同时，光纤传感器还具有重量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等独特优点，很适合在易燃易爆、高温、高压、潮湿、强电磁场、强腐蚀性等极端恶劣条件下应用，能够对气体、温度、应变、压力等各种参数进行精确测量。此外，由于光纤传输损耗低、频带宽，光纤传感器比传统的传感器在组网和传输距离方面更具优势，特别是通过波分复用技术可以在一根光纤上串联多个相同或不同类型的传感器，实现多点、多参数监测。

由于光纤传感器具有上述诸多优势，近年来国际上开始探索利用其对矿山和油田进行安全监测和灾害预警的可行性，但一直没有形成一个完整的应用体系。鉴于此，山东省科学院激光研究所利用多年来从事煤矿、非煤矿山、尾矿库、油井、电力安全监测技术和光纤工程技术研究所取得的成果，针对能源领域智能监测预警需求，研究开发了基于光纤传感器的在线智能有害气体、应变、温度、水压和矿震等多参数矿山灾害、智能油井、电力系统监测技术，建立了国内首个全光纤煤矿瓦斯、顶板、微震、水位、机电安全综合监测监控系统。

不仅如此，该所还在非煤矿山领域，研制出了金属矿山采空区顶板位移、微震、水害、尾矿库坝综合监测系统；在石油领域，开发了油井极端环境下的温度、压力在线监测系统；在电力领域，开发了变压器油温、高压电缆、开关柜温度等参数的在线综合监测系统。

经国家权威部门鉴定，这些成果均达到了国际领先水平，其中，有10项获得国家发明专利，2项列入国家“863”计划，在国际上也产生了较大影响。

产业化前景可期

据介绍，上述研发成果目前已在兖矿、淄矿、新矿、枣矿、中煤、北京首云铁矿、莱芜铁矿等100余座煤矿和金属矿山成功地进行了示范性应用，开创了国内外光纤传感网络在矿山安全综合监测预警应用的研究及大规模产业化先河；在国家电网、南方电网及主要发电集团、胜利油田、中海油、辽河油田等大型企业，也成功地开展了40余个光纤传感器智能系统工程示范。

“在能源领域及其他领域，全光纤综合监测系统的市场前景非常广阔，一旦全面产业化将带来巨大的经济效益和社会效益 。”王昌说，我国有1万多座煤矿、近10万座非煤矿山，以平均每座矿山投入100万元建设光纤安全监测、灾害预警系统估算，5年内如果有10%的矿山使用该系统，潜在市场规模将达100余亿元。目前，国内高产油井对智能油井技术需求迫切，建设一套智能油井监测系统，预计油田要投入约80 万元，5 年内预计将有2000口油、气井安装光纤智能油井系统，市场规模达16亿元。

另据了解，我国拥有20多万个变电站和发电厂、数十万公里的高压输电线路，目前变电站和发电厂的线缆、开关柜等电力设备的安全监测主要采用红外线手持测温仪或红外热成像仪。王昌预测，如果以每个变电站和发电厂光纤安全监测设备投资100万元计，5年内按照装备10万个电厂、变电站计算，电力安全市场将达1000余亿元。除此以外，全光纤综合监测系统在国防、铁路、化工、环境监测等许多领域也有广阔的市场前景。