光纖振動傳感技術綜述

1、光纖振動傳感技術綜述摘要：隨著設備朝著大型化、高速化的發(fā)展，振動引起的問題更為突出，需要 解決的問題更為迫切，也對振動測試與振動分析技術的研究提出了越來越高的要 求。用光纖振動傳感器取代常規(guī)的振動傳感器，尤其是在一些具有強電磁干擾等 環(huán)境惡劣的特殊場合，己成為發(fā)展的趨勢，不同類型、不同原理的光纖振動傳感 技術對于振動檢測領域的發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實意義。本文對光纖振動傳感技 術的全球專利申請脈絡進行了詳細梳理，并通過專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，認識了光纖 振動傳感技術的專利申請狀況、研究熱點以及核心技術的發(fā)展，為光纖振動傳感 技術的后續(xù)審查工作打下了堅實的基礎。關鍵詞：光纖；光柵；振動；傳感；解調(diào)；分布

2、式一、引言振動問題是近代物理學和科學技術眾多領域中的重要課題。目前比較成熟的 振動加速度傳感器主要為動圈式、壓電式、渦流式和微機電系統(tǒng)等電類傳感器， 上述類型的傳感器都存在易受電磁干擾的問題，應用受到一定的限制。由于光纖 不僅可以作為光波的傳輸介質(zhì)，而且光波在光纖中傳播的特征參量（振幅、相位、 偏振態(tài)、波長等）會因外界因素（如溫度、壓力、磁場等）的作用而發(fā)生變化。 用光纖振動傳感器取代常規(guī)的振動傳感器，尤其是在一些具有強電磁干擾等環(huán)境 惡劣的特殊場合，己成為發(fā)展的趨勢。本文旨在通過梳理光纖振動傳感技術的全 球專利申請，通過專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，認識了解光纖振動傳感技術的專利申請狀 況、研究熱點以及

3、核心技術的發(fā)展，為光纖振動傳感技術的審查工作打下一定的 基礎。二、專利分析本文在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）和世界專利文摘庫（SIPOABS）中，篩 選從1969年6月25日至2017年12月22日申請的國內(nèi)外專利申請。將從以下 三個方面對光纖振動傳感技術的專利進行分析：（1）專利申請發(fā)展趨勢狀況分析全球范圍內(nèi)關于光纖振動傳感技術的專利申請共計1268項，其中向中國專利 局提交的國內(nèi)申請為857項。圖1示出了光纖振動傳感技術的全球、國內(nèi)和國外 的專利申請量的發(fā)展趨勢，從圖中可以清楚地看到：光纖傳感技術發(fā)展中經(jīng)歷了 主要三個階段，即：1980年以前，光纖傳感技術的研究主要停留在理論階段，以

4、強度調(diào)制型光纖傳感器的研究為主；從1980年后，開始大規(guī)模研究光纖傳感技 術，出現(xiàn)了大量不同的光纖傳感原理和光纖檢測技術；進入2000后，各種技術 和器件的研究已基本成熟，光纖傳感器開始進入了商業(yè)化的進程，光纖傳感進入 實用階段。圖1.專利申請量的發(fā)展趨勢對于國外申請而言，盡管他們對于光纖振動傳感技術的研究起步很早，但是 總體來看其發(fā)展一直呈現(xiàn)較為平穩(wěn)狀態(tài)，起伏不大；對于國內(nèi)申請而言，呈現(xiàn)出 的趨勢與國外申請有很大的不同，盡管國內(nèi)的第一件申請出現(xiàn)的時間較晚，但是 后期發(fā)展勢頭尤為迅猛。（2）專利申請地域分布狀況分析圖2示出了光纖振動傳感技術專利申請的國別/地區(qū)分布情況，顯而易見，中 國是該領域

5、最大的申請來源國；日本是該領域的第二大申請來源國，剩余的部分中主要由美國、EPO、WIPO、英國和韓國瓜分，可見，光纖振動傳感技術領域中 研究最活躍的區(qū)域是中國和日本。圖2.專利申請的國別/地區(qū)分布情況主要申請人分布狀況分析圖3中可以看到，申請量排全球前十名的申請人中只有一家日本企業(yè)入圍， 其余的全是中國的申請人，而在中國申請人中高校占據(jù)了絕大部分的比例，這也 充分說明了光纖振動傳感技術仍然屬于檢測領域的科研熱點。其中，排名第一位 的上海華魏光纖傳感技術有限公司是一家專業(yè)從事分布式光纖傳感領域共有236 件專利申請，其中振動傳感領域共申請了 43件專利，主要集中在分布式光纖振 動傳感原理的改進

6、以及應用于實際生活中的研究。圖3.全球申請人分布情況三、核心專利技術分析當前，光纖傳感技術的研究熱點主要集中在以下兩個大方向：光纖傳感技術 的原理性研究和光纖傳感技術的應用研究。前者的研究重點是發(fā)現(xiàn)新的傳感機理、 提高傳感的性能等，后者的研究己經(jīng)體現(xiàn)在很多領域，主要包括大型土木工程及 機械結構的狀態(tài)監(jiān)測、電力系統(tǒng)中的參數(shù)測量和設備監(jiān)測等。1、光纖振動傳感技術的原理性研究對于原理性研究的初期，是從僅僅簡單測量振動位移量和振動頻率的光纖傳 感結構的研究開始的，清華大學于1999年8月申請的名為光纖偏振光干涉位移 和振動測量儀(CN1245284A)的專利中，由光纖偏正光干涉儀獲得的測量光信 號具有

7、由被測物體移動而引入的位相差信息，從而實現(xiàn)高精度的振動位移量和振 動頻率的測量；復旦大學于2003年6月申請的名為全光纖干涉方法及其測試系 統(tǒng)(CN1460870A)的專利中首次提出了全光纖干涉的技術，不僅能應用于激光 的干涉，還能應用于寬光譜光源的干涉；南開大學于2003年11月申請的名為 “光纖光柵微振動傳感測試儀”(CN2708279Y)的專利首次提出了利用光纖光柵和 匹配光纖光柵解調(diào)技術對微振動進行傳感的技術方案，該技術有效增加了振動檢 測的靈敏度；天津大學于2015年12月申請的名為基于雙可調(diào)諧光源的光纖法 珀聲振動傳感裝置及解調(diào)方法”(CN105606193A)的專利中，提出了一種

8、基于雙 可調(diào)諧光源的光纖法珀聲振動傳感裝置，實現(xiàn)信號解調(diào)的工作原理。2、光纖振動傳感技術的應用研究圖5.光纖振動傳感應用性研究大致分布情況圖5即為光纖振動傳感領域應用性研究的大致分布情況。具體地，電子科技大學申請的 名為基于光纖感知的油氣管道安全監(jiān)測方法”的專利，實現(xiàn)了對油氣管線安全隱患的高分辨 率定位；河海大學申請的名為“一種邊坡穩(wěn)定性測試評價系統(tǒng)及測試評價方法”的專利，能夠 對現(xiàn)場碎石土邊坡在自然工況、有地下水工況、降雨工況和地震工況下的穩(wěn)定性進行測試評 價及預警；三峽大學申請的名為“一種基于菲索干涉的超弱光柵周界安防系統(tǒng)的專利，有效 解決了傳統(tǒng)分布式周界安防系統(tǒng)的靈敏度、傳感距離、定位、

9、誤報等問題，在周界安防領域 具有重要的應用前景；山東省科學院激光研究所申請的名為基于光纖傳感的水電站機組振動 測量監(jiān)測裝置”的專利，能檢測出低達0.1Hz的振動信號，從而滿足水電機組低頻振動信號 0.4Hz-200Hz頻響范圍的監(jiān)測功能，并改善已有的低頻振動傳感器的長期運行穩(wěn)定性差、精度 降低等問題。四、結束語由于光纖自身具有傳統(tǒng)電類傳感器無法替代的優(yōu)點，光纖振動傳感器在國內(nèi)外受到了廣 泛的關注。本文首先梳理了全球范圍內(nèi)，光纖振動傳感技術的專利申請發(fā)展趨勢，其次統(tǒng)計 分析了該領域國內(nèi)外主要申請人的申請量排名情況、地區(qū)分布情況、以及申請人的主要類型 構成，最后對于該領域的部分核心專利技術進行了分類歸納和羅列；在了解光纖振動傳感領 域的發(fā)展概況和明晰該領域技術發(fā)展趨勢后，能夠快速理解發(fā)明申請的技術方案，準確定位 發(fā)明點，可以有效判斷和定位對比文件，有效提高審查效率，得到的結論對于該領域審查員 的審查工作而言具有很大幫助。參考文獻：“振動測試和分析技術綜述”，紀國宜等，機械制造與自動化，第39卷第3期， 2010年6月，第1-5頁。高級光纖傳感技術，江毅，科學出版社，2009年?！肮艿佬孤z測分布式光纖振動傳感器研制”，何存富等，儀器儀表學報，第27卷 第 S2 期