光纤光栅应变传感器专利技术综述

摘要：光纤光栅应变传感器是伴随着光纤光栅传感技术发展起来的一项新技术，广泛应用于桥梁、建筑物等结构变形监测中，本文立足于专利文献，从专利角度对光纤应变传感器进行了介绍和分析，通过对国内外相关专利文献进行统计分析，梳理出光纤光栅应变传感器的专利申请状况、重要申请人，给出光纤光栅应变传感器专利分析的结论。

关键词：光纤光栅;应变;FBG

一、概述

应变是表征工程结构安全的重要指标，人们通常通过检测结构的应变来评估一项工程的健康状况。结构体受外界作用产生的应变过大，会使结构产生裂纹等损伤，进一步发展会导致结构的破坏，甚至威胁工程安全。因此，对工程结构的应变进行长期、实时、动态的监测具有非常重要的意义。光纤光栅应变传感器、具有体积小、质量轻、灵敏度髙、耐腐蚀、抗电磁干扰、易于进行分布式测量等诸多其他传感器所不具备的优点，为大型工程结构监测提供了一种新型的手段，光纤光栅应变传感器是一种极具发展潜力和应用价值的应变传感器。

（一）、光纤光栅应变传感器测量原理

光纤光栅是通过特定波长的紫外光曝光改变纤芯区折射率后产生周期性变化形成的[1]。光纤光栅应变传感器的传感原理是：宽带光源发出的一定带宽的光束人射进入光纤并产生模式耦合会反射回一个特定波长的窄带光，光栅将起到一个反射镜的作用，其余的光波将会正常传播透射出去，反射回来的窄带光的中心波长即为光栅布拉格波长 ，即： ，其中n为光栅导模有效折射率， 为光栅周期。当光栅受到外界应变等作用时，符合布拉格条件的反射波波长发生变化 ，通过检测反射波中心波长变化来检测作用在光纤光栅应变传感器上的应变等外界被测信号。

（二）、技术发展

1978年HiLL等人首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅;1994年，Alavie 等人将光纤Bragg光栅传感器埋入碳纤维复合材料测其应变的实验，表明了其良好的使用寿命[2]。据统计，利用光纤光栅应变传感器可以测量多个物理量，其中尤以应变和温度传感最为成熟，光纤光栅应变传感器在结构上的广泛应用最常见的是在桥梁结构上的应用。

（三）、技术分支

工程应用中光纤光栅应变传感器涉及的技术分支较多，必须考虑其所涉及的多个技术分支，通过采用对宏观数据进行定量分析及对重点技术进行定性分析相结合的研究方式，发现目前申请人最关注的技术为光纤光栅应变传感器的传感元件、信号解调、封装技术及温度补偿技术等。因此，将光纤光栅应变传感器的关键技术划分为：传感元件、解调仪、封装结构和温度补偿模块四个一级技术分支，传感元件具体又细分为光纤光栅和连接光纤两个二级技术分支，具体涉及根据不同的测量对象涉及的传感机理的研究，光纤光栅的布置，光纤光栅材质、结构及制造;信号解调技术是把光纤光栅感测的光信号转换为电信号以表征被测的应变量的技术，按调制方法可以细分为光强调制、相位调制和偏振调制三个二级技术分支;封装技术涉及光纤光栅应变传感器的具体安装，以适应高温、腐蚀等特殊环境，以及提高灵敏度，增大量程及测量范围等，具体细分为基片式封装、金属管封装和聚合物封装三个二级技术分支;温度补偿技术涉及温度变化造成的对应变测量造成的影响，温度补偿的方式可以通过具体算法或者设置具体温度补偿元件的方式，因此可细分为软件补偿和硬件补偿两个二级技术分支。

二、全球专利申请态势分析

1、全球专利申请趋势

图1给出了光纤光栅应变传感器全球专利申请趋势，在1993年起，其技术发展按专利申请状况主要分为三个阶段：

萌芽期（1993-1999年）：光纤光栅应变传感器随着光纤光栅传感技术产生而被提出，处于刚刚起步阶段，主要在美国发展，处于萌芽阶段。

快速增长期（2000-2007年）：光纤光栅应变传感器专利申请呈快速增长趋势，是由于光纤光栅传感技术从美国转移到其他国家，例如此阶段日本在光纤光栅传感技术方面也得到快速发展，申请量快速增长。

急剧增长期（2008年至今）：2008年以后，随着中国城市化进程的加快以及专利布局意识的提高，對结构应变检测的需要增大，各市场主体对光纤光栅应变传感器的研发及专利布局增强，申请量急剧增长，处于急剧增长期。

2、技术来源国分析

根据各国专利申请量统计，中国申请量最大，美国、日本紧随其后，图2给出了光纤光栅应变传感器中国、美国、日本逐年申请趋势，从图2可以看出，由于光纤光栅应变传感器起源于美国，早期美国申请量较大，逐渐日本申请量也开始增加，中国的申请起步较晚，但在2008年之后呈爆发式增长趋势，申请量也超过了美国和日本等发达国家。

三、重要申请人分析

根据国内外申请人专利申请量的统计，选取国内申请人中国计量大学和大连理工大学，国外申请人日立和安捷伦作为研究对象，研究其技术分布，得到图3，从图3可以看出，国内申请人中国计量大学侧重于传感元件和封装结构的研究，大连理工大学侧重于封装结构的研究，并且封装结构研究居多，国外申请人侧重于传感元件及解调方法的研究，传感元件及解调方法是光纤光栅应变传感器的核心技术，处于基础地位，国内外申请人研究侧重点不同，但由于国内研究起步晚，在核心技术与国外申请人还有较大差距。

四、结论

光纤光栅可以埋入结构对其内部的应变等参数进行实时的高分辨率和大范围监测，是未来结构健康监测首选的传感器。通过以上分析，光纤光栅应变传感器的研究方向主要有以下几个方面：（1）光纤光栅应变传感器设计及技术研究;（2）信号解调系统研究;（3）光纤光栅应变传感器封装技术的研究;（4）应变、温度交叉敏感的问题的解决研究;（5）光纤光栅应变传感器稳定性和耐久性问题。

参考文献

[1]毕卫红.光纤应变传感器的研究现状与发展[J].激光与光电子学进展，1999，12：1-8.

[2]甘维兵.光纤光栅传感器关键技术综述[J].技术综述，2007：6-12.

作者简介：梁兵，研究方向：长度测量领域相关发明专利实质审查;秦婷婷（等同第一作者），研究方向：长度测量领域相关发明专利实质审查。

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