深度解析：近期光传感市场机遇与挑战

作者：深圳大学 宋军博士
    7/26/2010,光传感是重要的光电应用领域之一，因市场份额巨，受到众多光电企业的重视。中国许多光电公司都有生产光传感产品，其中不乏优秀产品。但以光传感器为核心产品，且形成规模的并不多。这其中很重要原因是光传感明显有别于其他光电产品，其市场随具体应用不同变化极大。最近的《nature》期刊，有个关于光传感器的小访谈，看后觉得很有意思。现想以这个小访谈为出发点，简要探讨一下近期光传感市场的机遇和面临的主要技术问题。希望能对有意发展光传感市场的中国企业有所帮助。
    光传感器按照应用方式划分，可概括为点式传感和分布式传感两种。顾名思义，点式传感就是对固定一点进行监控，而分布式传感则能对较长工作距离的目标参量变化实时监测。点式光传感具体实现形式也非常繁杂，常见的有光纤传感、波导芯片传感、光谱传感等。但分布式传感则主要使用光纤。当然最近也有一些公司致力于开发基于微机电（MEMs）和无线微波的分布式传感。目前国内的光纤传感产品大多数都是点式的，而对市场份额大的多的分布式传感却鲜有涉及。主要原因是分布式光传感应用复杂，系统开发难度更大。
    由于分布式传感应用范围更广，特别可稳定工作于油气工业等气候条件异常恶劣的场所，以监控温度、应力等的变化，且这些应用都是其他类型传感器所无法企及的，因此其市场整体规模远大于点式光传感。据悉近两年分布式光传感的市场年均市场规模约5.5亿美元。且很有可能近期分布式光传感有井喷式的市场增长。特别是近期众所瞩目的墨西哥湾原油泄漏事件，充分暴露出了油气工业的监管问题。对BP的高额罚单和其面临的巨额索赔很可能对世界油气巨头起到杀鸡骇猴的作用。促使行业加强监管，这无疑是光纤分布传感市场的重要发展契机，如能合理把握就能占得先机。注意，油气企业除了可利用分布式光纤传感来改善油井开采安全性，还能有效提高开采效率。据估计，由于定位及开采困难，许多“枯井”仍有70%的原油被深埋在地下，这就意味着世界上许多油井的开采效率仅30%左右。成功的光纤分布式传感系统能帮助油气公司定位原油富集区，并监控环境条件，如果产品开发得当，能帮助油气公司重新开采老油井，以提取更多的原油。
    就现有的光纤分布式传感技术来看，主要有四种实现方式，一是利用光纤光栅，二是利用布里渊散射，三是利用拉曼散射，四是使用基于光纤的干涉仪结构。一个特定周期的光纤光栅能够对特定波长Bragg全反射，因此一个单独的Bragg光栅实际就是一个点传感器，这样沿光纤在不同距离放置光纤光栅，就能构成多点的网状分布式光纤传感器，这类传感器有许多应用，例如在油气工业上可以对精密结构或油井开采装置做应力监控；相比光纤光栅，利用布里渊散射的光纤分布式传感是个较新的概念，其整体系统价格也远高与前者。但基于布里渊散射的分布式传感具有长距离、连续分布、双参数、高空间分辨率、高精度连续等显著优势。使用布里渊散射，整根光纤任何一点都可以用于传感，且能同时对应力和温度（双参数）做监控；在油气工业的温度测量中，目前基于拉曼散射的分布式光纤传感系统是占有主导地位的技术，这主要是因为基于拉曼效应的光纤传感能同时对15km甚至更长的工作距离做实时监控，这特别适合于油井开采应用；目前已经有一些基于干涉技术的分布式光纤传感系统，主要是利用系统对震动敏感的特性，以对桥梁、路面甚至是地震做监控。分布式传感的应用目标是实现“物联网”式的监控，在桥梁、建筑、油矿等处都埋入传感用的光纤，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。国内已经有这样的分布式应用，如苏通大桥、动车组防护栅栏和南京玄武湖隧道等，都埋入了光纤，然而采用的核心技术均为国外所有。国内光电企业如能准确把握市场，合理定位并开发产品，其市场前景巨大。
    对点式光纤传感器，目前需求量最大的是光纤陀螺产品，尽管这类传感器价格较贵，但一些独特优势是其他传感器产品无法比拟的，因此仍有较广泛的市场。例如光纤陀螺没有移动部件，因此测试可靠性强，这使得这类系统特别适合具有高稳定性要求的场合。点式光纤传感的另一个振奋人心的潜在市场是医疗应用。例如以光纤为媒介的内窥探测产品已经被成功商用。这类产品开发面临的一个主要问题是价格。因为医疗应用，我们都知道，出于卫生原因大部分产品都要求是一次性的，特别是这种深入体内的探测手段，相关元件最好用过一次就丢掉，不重复使用，以免交叉病毒感染。这就要求相关部件价格足够低，目前还很难做到这一点。
    但可以说点式传感器最大的市场机遇就在于医疗，主要用于疾病诊断、病人监控，以及药物开发。此外，点式光传感器也有望在能源工业得到广泛应用。例如在煤炭工业上，使用点式光传感器通过实时的光谱测试，能最小化成渣率；再比如在电力系统里，点式光传感是用作电网监控及热点检测的有效手段；和油气工业的应用有点像，基于拉曼散射的光纤传感还可用于地热井的检测与监控，但这种应用需要更高的温度适用范围，工作场所条件异常艰苦。目前除了基于拉曼散射的光纤传感器，尚未有其他更合适的方法。用于地热能源监控的分布式光纤传感是一个新兴的应用领域，但市场前景非常好。我国地热资源非常丰富，特别是东南沿海(闽、赣、粤、台)带、辽东-胶东，以及华北盆地京津唐地区，这些地区经济发达，却资源短缺，作为下一代能源，做为就地取材的有效方法，地热这种安全洁净的能源方式很有希望在这些地区得到广泛推广，在推广的同时配套的分布式传感市场规模巨大。从世界范围来看，据悉2011年开始，面向地热应用监控的光纤传感市场规模将有突破性的增长。
    另一个非常有潜力的新能源技术是风力。光传感器还有望用于风力发电，并有效用于提高转换效率和延长风力机使用寿命。前文提到的《nature》小访谈里还简单提到了一种设想，将激光探测及测距系统(LIDAR)与应力传感器相集成，一起用于风力机组上。以探测并预估风向变化，探测到的信息用于及时控制涡轮叶片转动至正确的位置，以最小化桨叶表面应力，并最大化功率输出。注：LIDAR是LIGHT DETECTION AND RANGING的首字母组合，即激光探测及测距系统，它是采用单个激光脉冲量测从激光源到目标,再回到激光接收器的时间,同时结合传感器定位,定向数据,精确量测出被测物体(目标)的三维坐标。
    在了解了光传感近远期市场机遇后，我们还有必要合理认识产品开发的市场风险，从本质上把握今天光传感市场推广和产品开发所面临的主要问题。对于光电企业，在开发推广光传感产品之前，必须对产品应用的领域有充分的理解，让产品充分配合应用市场的客观要求。光传感应用不同于其他光电产品的根本原因就在于应用场所的多样性。举个例子用于油气工业的传感器，即便原理行得通，也不能照搬用于食品领域。领域的不同，对产品开发提供的具体要求差异就非常大。因此目前许多以光传感为主导产品的企业往往仅将目光专注于有限的一两个应用领域，这也使得企业难以形成规模效应。在前面提到的《nature》访谈里，有一句意味深长的话“据我们估计，在光传感领域失败的企业，有超过70%失败的原因不是技术问题，而是没有正确认识市场”。对那些有意开发光传感产品的中国企业来说，如果能切实领会这句话的深层含义，相信会受益良多。除了这一点，光传感市场还面临其他一些挑战。其中最主要的是价格和标准。近些年关于光传感应用的行业标准和相关法规正逐渐健全并完善，随着标准的建立，主要元件的制造将形成规模化效应，其生产成本肯定会下降。但在这之前，企业合理关注相关动态，在标准建立之前合理规划产品开发和市场推广，以适应未来规范化的市场也至关重要。