光纤振动传感技术综述

光纤振动传感技术综述

吕新强

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

摘要：随着设备朝着大型化、高速化的发展，振动引起的问题更为突出，需要解决的问题更为迫切，也对振动测试与振动分析技术的研究提出了越来越高的要求。用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等环境恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势，不同类型、不同原理的光纤振动传感技术对于振动检测领域的发展有着非常重要的现实意义。本文对光纤振动传感技术的全球专利申请脉络进行了详细梳理，并通过专利数据统计分析，认识了光纤振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感技术的后续审查工作打下了坚实的基础。

关键词：光纤；光栅；振动；传感；解调；分布式

一、引言

振动问题是近代物理学和科学技术众多领域中的重要课题。目前比较成熟的振动加速度传感器主要为动圈式、压电式、涡流式和微机电系统等电类传感器，上述类型的传感器都存在易受电磁干扰的问题，应用受到一定的限制。由于光纤不仅可以作为光波的传输介质，而且光波在光纤中传播的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）会因外界因素（如温度、压力、磁场等）的作用而发生变化。用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等环境恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势。本文旨在通过梳理光纤振动传感技术的全球专利申请，通过专利数据统计分析，认识了解光纤振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感技术的审查工作打下一定的基础。

二、专利分析

本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和世界专利文摘库（SIPOABS）中，筛选从1969年6月25日至2017年12月22日申请的国内外专利申请。将从以下三个方面对光纤振动传感技术的专利进行分析：

（1）专利申请发展趋势状况分析

全球范围内关于光纤振动传感技术的专利申请共计1268项，其中向中国专利局提交的国内申请为857项。图1示出了光纤振动传感技术的全球、国内和国外的专利申请量的发展趋势，从图中可以清楚地看到：光纤传感技术发展中经历了主要三个阶段，即：1980年以前，光纤传感技术的研究主要停留在理论阶段，以强度调制型光纤传感器的研究为主；从1980年后，开始大规模研究光纤传感技术，出现了大量不同的光纤传感原理和光纤检测技术；进入2000后，各种技术和器件的研究已基本成熟，光纤传感器开始进入了商业化的进程，光纤传感进入实用阶段。

图1.专利申请量的发展趋势

对于国外申请而言，尽管他们对于光纤振动传感技术的研究起步很早，但是总体来看其发展一直呈现较为平稳状态，起伏不大；对于国内申请而言，呈现出的趋势与国外申请有很大的不同，尽管国内的第一件申请出现的时间较晚，但是后期发展势头尤为迅猛。

（2）专利申请地域分布状况分析

图2示出了光纤振动传感技术专利申请的国别/地区分布情况，显而易见，中国是该领域最大的申请来源国；日本是该领域的第二大申请来源国，剩余的部分中主要由美国、EPO、WIPO、英国和韩国瓜分，可见，光纤振动传感技术领域中研究最活跃的区域是中国和日本。

图2.专利申请的国别/地区分布情况

（3）主要申请人分布状况分析

图3中可以看到，申请量排全球前十名的申请人中只有一家日本企业入围，其余的全是中国的申请人，而在中国申请人中高校占据了绝大部分的比例，这也充分说明了光纤振动传感技术仍然属于检测领域的科研热点。其中，排名第一位的上海华魏光纤传感技术有限公司是一家专业从事分布式光纤传感领域共有236件专利申请，其中振动传感领域共申请了43件专利，主要集中在分布式光纤振动传感原理的改进以及应用于实际生活中的研究。

图3.全球申请人分布情况

三、核心专利技术分析

当前，光纤传感技术的研究热点主要集中在以下两个大方向：光纤传感技术的原理性研究和光纤传感技术的应用研究。前者的研究重点是发现新的传感机理、提高传感的性能等，后者的研究己经体现在很多领域，主要包括大型土木工程及机械结构的状态监测、电力系统中的参数测量和设备监测等。

1、光纤振动传感技术的原理性研究

对于原理性研究的初期，是从仅仅简单测量振动位移量和振动频率的光纤传感结构的研究开始的，清华大学于1999年8月申请的名为“光纤偏振光干涉位移和振动测量仪”（CN1245284A）的专利中，由光纤偏正光干涉仪获得的测量光信号具有由被测物体移动而引入的位相差信息，从而实现高精度的振动位移量和振动频率的测量；复旦大学于2003年6月申请的名为“全光纤干涉方法及其测试系统”（CN1460870A）的专利中首次提出了全光纤干涉的技术，不仅能应用于激光的干涉，还能应用于宽光谱光源的干涉；南开大学于2003年11月申请的名为“光纤光栅微振动传感测试仪”（CN2708279Y）的专利首次提出了利用光纤光栅和匹配光纤光栅解调技术对微振动进行传感的技术方案，该技术有效增加了振动检测的灵敏度；天津大学于2015年12月申请的名为“基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置及解调方法”（CN105606193A）的专利中，提出了一种基于双可调谐光源的光纤法珀声振动传感装置，实现信号解调的工作原理。

2、光纤振动传感技术的应用研究

图5.光纤振动传感应用性研究大致分布情况

图5即为光纤振动传感领域应用性研究的大致分布情况。具体地，电子科技大学申请的名为“基于光纤感知的油气管道安全监测方法”的专利，实现了对油气管线安全隐患的高分辨率定位；河海大学申请的名为“一种边坡稳定性测试评价系统及测试评价方法”的专利，能够对现场碎石土边坡在自然工况、有地下水工况、降雨工况和地震工况下的稳定性进行测试评价及预警；三峡大学申请的名为“一种基于菲索干涉的超弱光栅周界安防系统”的专利，有效解决了传统分布式周界安防系统的灵敏度、传感距离、定位、误报等问题，在周界安防领域具有重要的应用前景；山东省科学院激光研究所申请的名为“基于光纤传感的水电站机组振动测量监测装置”的专利，能检测出低达0.1Hz的振动信号，从而满足水电机组低频振动信号0.4Hz-200Hz频响范围的监测功能，并改善已有的低频振动传感器的长期运行稳定性差、精度降低等问题。

四、结束语

由于光纤自身具有传统电类传感器无法替代的优点，光纤振动传感器在国内外受到了广泛的关注。本文首先梳理了全球范围内，光纤振动传感技术的专利申请发展趋势，其次统计分析了该领域国内外主要申请人的申请量排名情况、地区分布情况、以及申请人的主要类型构成，最后对于该领域的部分核心专利技术进行了分类归纳和罗列；在了解光纤振动传感领域的发展概况和明晰该领域技术发展趋势后，能够快速理解发明申请的技术方案，准确定位发明点，可以有效判断和定位对比文件，有效提高审查效率，得到的结论对于该领域审查员的审查工作而言具有很大帮助。

参考文献：

[1]“振动测试和分析技术综述”，纪国宜等，《机械制造与自动化》，第39卷第3期，2010年6月，第1-5页。

[2]《高级光纤传感技术》，江毅，科学出版社，2009年。

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[4]“基于光纤技术的铁路沿线崩塌落石监测报警系统研究”，杨小军等，《中国铁路》，2012年第10期，2012年10月，第57-60页。

[5]“一种基于等强度梁的光纤光栅高频振动传感器”，孙华等，《传感技术学报》，第22卷第9期，2009年9月，第1270-1275页。