论文部分内容阅读
摘要：光纤光栅传感器具有很多独特的优势，如灵敏度高，相应速度快，传输距离远，不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力等。这些使得光纤光栅传感器成为理想的传感器，并在航空航天等军事领域，大型土木工程、电力、医疗等民用领域得到了广泛的应用，日益增多的成果表明，光纤光栅已经成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。
关键词：光纤光栅；温度；写入；封装；解调
一、引言
隨着光纤光栅技术的不断发展，中国的研究人员掀起了研究光纤光栅技术的热潮。本文旨在通过梳理光纤光栅温度传感领域的中国专利申请，通过专利数据统计分析，认识了解光纤光栅温度传感的国内专利申请状况。
二、专利分析
本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和中国专利全文数据库（CNTXT）中，通过关键词和分类号相结合的方式对与光纤光栅温度传感领域相关且已经收录并公开的专利文献进行了检索。
2.1专利申请年度状况分析
国内对光纤光栅温度传感器的研究开发相对滞后，2003年，哈尔滨工业大学的周智、欧进萍申请了国内第一件有关光纤光栅温度传感技术的专利CN2627479Y，自此以后，涉及光纤光栅温度传感技术的中国专利申请量逐年增多，特别是自2007起进入了快速发展期，每年的专利申请量成倍增长，于2012年达到申请量的小高峰。这主要是因为“十一五”期间，在国家有关部门和各级政府的重点支持下，特别是国家科技部在“十一五”国家科技攻关和“863”光电子新材料研究计划中，学校和国家企事业单位的科研人员积极迎接挑战，踊跃投入，加快了具有自主知识产权的光纤光栅温度传感新技术、新工艺和新材料的开发步伐。2013年之后申请量开始出现了下滑趋势，具体分析发现，国内申请在2013年之前大多侧重于光纤光栅温度传感技术的应用，而2013年之后的申请则侧重于关键技术的研发。
2.2中国主要申请人
从表1中可以看出，排名第一的是中国国家电网，由于电力电缆本身的特殊性，其附件需要在电缆敷设完成后现场安装，这些附件在长期高压运行过程中，或因材料发生老化，或因制作质量不良，压接头不紧等原因，造成接触电阻增大，进而局部发热导致绝缘层烧穿，甚至引发火灾，导致设备损坏，大面积停电等巨大损失，因此，有必要对电力电缆进行精准的实时温度监测。由于光纤光栅由于其自身特点，感测和传输信号均为光信号，且具有本质绝缘，不受电磁干扰，不受核辐射影响，环境适应性好等优势，可以有效的实时监测电力电缆的运营能力，提高常规、高压及超高压电力电缆的安全性和可靠性。这些优势促使电力系统工作人员开发具有自主知识产权的光纤光栅温度传感新技术、新工艺和新材料，并取得了瞩目的效果。
2.2光纤光栅封装的专利发展分析
初期，主要集中在研究如何提高光纤光栅温度传感器的寿命，避免传感器受热膨胀疲劳损坏，其大多采用使用和光纤光栅热膨胀系数相同的材料制作封装结构来解决上述技术问题。如：2003年，哈尔滨工业大学的周智的专利CN2627479Y中将光纤光栅通过胶黏剂悬空封装在装有热传导液体汞的封装管中，达到保持光纤光栅固有温度传感特性的目的，封装管起到保护光栅和传输热量的功能，它与被测结构对象具有较一致的热膨胀系数，以防传感器热膨胀疲劳破坏。同年，哈尔滨工业大学的欧进萍的专利CN2621288Y中通过真空管吸技术用胶黏剂封装在高热膨胀系数毛细金属管内的光纤光栅，在毛细金属管外设置有封装管，封装管内充填有热传导液体，封装管的两端有胶黏剂封头，光纤光栅的两端伸出封头。该结构利用毛细金属管高热膨胀系数改变光纤光栅的温度敏感系数，达到增敏的目的。封装管起到保护光栅和传输热量的功能，它与结构对象具有较一致的热膨胀系数，以防热膨胀疲劳破坏。
在此之后，科研人员将主要精力集中在提高光纤光栅温度传感器的精度和灵敏度上，其大多通过改进封装结构和材料来解决上述技术问题。如：哈尔滨工业大学的周智的专利CN2748888Y，在纤维增强树脂筋上开有槽，光纤光栅封装在不锈钢管内，封装好的光纤光栅粘结在纤维增强树脂筋的槽上，通过将光纤光栅温度传感器和导热系数较小的FRP材料相结合，提高了光纤光栅温度传感器的精度。哈尔滨工业大学的专利CN1869619A提出了一种在高电压环境下测温的光纤光栅传感器，其光纤光栅预先封装在GFRP（玻璃钢）中，用GFRP高热膨胀系数改变光纤光栅的温度敏感系数，达到增敏的目的，同时可以达到绝缘的效果。北京嘉润森盛光纤传感科技有限公司的专利CN1715848A将光纤光栅封装在石英材料制成的壳体中，其热膨胀系数和光纤光栅纤芯材料热膨胀系数相近，使该光纤光栅温度传感器具有绝缘性且能够消除因封装结构变形对温度测量精度的影响。中国石油大学（北京）的专利CN1971226A公开了一种能够在恶劣的工作环境中对光纤光栅进行有效保护和并去除应力影响的封装，裸光纤光栅用胶黏贴或焊接在支撑架上，支撑架通过底座粘贴或焊接在保护管的内壁，且裸光纤光栅支撑架除底座和保护管内壁接触外，其余部分均不与保护管接触，从而完全消除了纵向应力对光栅的影响，基本上消除轴向应力对光栅的影响。天津工业大学的专利CN101581610A公开了一种使用聚合物封装的光纤光栅温度传感器，其使用具有高膨胀系数的不饱和聚酯树脂聚合物封装光纤光栅，有效的提高了传感器的温敏系数。
三、总结
通过对国内光纤光栅温度传感年度申请量的变化、及国内光栅温度传感主要申请人的统计、光纤光栅封装方向的专利申请，可以看出在国家为提高民族创新能力、自主研发水平，提出了自主创新政策，在该政策的引领下，民族光纤光栅温度传感技术的自主创新研究能力显著增强。
关键词：光纤光栅；温度；写入；封装；解调
一、引言
隨着光纤光栅技术的不断发展，中国的研究人员掀起了研究光纤光栅技术的热潮。本文旨在通过梳理光纤光栅温度传感领域的中国专利申请，通过专利数据统计分析，认识了解光纤光栅温度传感的国内专利申请状况。
二、专利分析
本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和中国专利全文数据库（CNTXT）中，通过关键词和分类号相结合的方式对与光纤光栅温度传感领域相关且已经收录并公开的专利文献进行了检索。
2.1专利申请年度状况分析
国内对光纤光栅温度传感器的研究开发相对滞后，2003年，哈尔滨工业大学的周智、欧进萍申请了国内第一件有关光纤光栅温度传感技术的专利CN2627479Y，自此以后，涉及光纤光栅温度传感技术的中国专利申请量逐年增多，特别是自2007起进入了快速发展期，每年的专利申请量成倍增长，于2012年达到申请量的小高峰。这主要是因为“十一五”期间，在国家有关部门和各级政府的重点支持下，特别是国家科技部在“十一五”国家科技攻关和“863”光电子新材料研究计划中，学校和国家企事业单位的科研人员积极迎接挑战，踊跃投入，加快了具有自主知识产权的光纤光栅温度传感新技术、新工艺和新材料的开发步伐。2013年之后申请量开始出现了下滑趋势，具体分析发现，国内申请在2013年之前大多侧重于光纤光栅温度传感技术的应用，而2013年之后的申请则侧重于关键技术的研发。
2.2中国主要申请人
从表1中可以看出，排名第一的是中国国家电网，由于电力电缆本身的特殊性，其附件需要在电缆敷设完成后现场安装，这些附件在长期高压运行过程中，或因材料发生老化，或因制作质量不良，压接头不紧等原因，造成接触电阻增大，进而局部发热导致绝缘层烧穿，甚至引发火灾，导致设备损坏，大面积停电等巨大损失，因此，有必要对电力电缆进行精准的实时温度监测。由于光纤光栅由于其自身特点，感测和传输信号均为光信号，且具有本质绝缘，不受电磁干扰，不受核辐射影响，环境适应性好等优势，可以有效的实时监测电力电缆的运营能力，提高常规、高压及超高压电力电缆的安全性和可靠性。这些优势促使电力系统工作人员开发具有自主知识产权的光纤光栅温度传感新技术、新工艺和新材料，并取得了瞩目的效果。
2.2光纤光栅封装的专利发展分析
初期，主要集中在研究如何提高光纤光栅温度传感器的寿命，避免传感器受热膨胀疲劳损坏，其大多采用使用和光纤光栅热膨胀系数相同的材料制作封装结构来解决上述技术问题。如：2003年，哈尔滨工业大学的周智的专利CN2627479Y中将光纤光栅通过胶黏剂悬空封装在装有热传导液体汞的封装管中，达到保持光纤光栅固有温度传感特性的目的，封装管起到保护光栅和传输热量的功能，它与被测结构对象具有较一致的热膨胀系数，以防传感器热膨胀疲劳破坏。同年，哈尔滨工业大学的欧进萍的专利CN2621288Y中通过真空管吸技术用胶黏剂封装在高热膨胀系数毛细金属管内的光纤光栅，在毛细金属管外设置有封装管，封装管内充填有热传导液体，封装管的两端有胶黏剂封头，光纤光栅的两端伸出封头。该结构利用毛细金属管高热膨胀系数改变光纤光栅的温度敏感系数，达到增敏的目的。封装管起到保护光栅和传输热量的功能，它与结构对象具有较一致的热膨胀系数，以防热膨胀疲劳破坏。
在此之后，科研人员将主要精力集中在提高光纤光栅温度传感器的精度和灵敏度上，其大多通过改进封装结构和材料来解决上述技术问题。如：哈尔滨工业大学的周智的专利CN2748888Y，在纤维增强树脂筋上开有槽，光纤光栅封装在不锈钢管内，封装好的光纤光栅粘结在纤维增强树脂筋的槽上，通过将光纤光栅温度传感器和导热系数较小的FRP材料相结合，提高了光纤光栅温度传感器的精度。哈尔滨工业大学的专利CN1869619A提出了一种在高电压环境下测温的光纤光栅传感器，其光纤光栅预先封装在GFRP（玻璃钢）中，用GFRP高热膨胀系数改变光纤光栅的温度敏感系数，达到增敏的目的，同时可以达到绝缘的效果。北京嘉润森盛光纤传感科技有限公司的专利CN1715848A将光纤光栅封装在石英材料制成的壳体中，其热膨胀系数和光纤光栅纤芯材料热膨胀系数相近，使该光纤光栅温度传感器具有绝缘性且能够消除因封装结构变形对温度测量精度的影响。中国石油大学（北京）的专利CN1971226A公开了一种能够在恶劣的工作环境中对光纤光栅进行有效保护和并去除应力影响的封装，裸光纤光栅用胶黏贴或焊接在支撑架上，支撑架通过底座粘贴或焊接在保护管的内壁，且裸光纤光栅支撑架除底座和保护管内壁接触外，其余部分均不与保护管接触，从而完全消除了纵向应力对光栅的影响，基本上消除轴向应力对光栅的影响。天津工业大学的专利CN101581610A公开了一种使用聚合物封装的光纤光栅温度传感器，其使用具有高膨胀系数的不饱和聚酯树脂聚合物封装光纤光栅，有效的提高了传感器的温敏系数。
三、总结
通过对国内光纤光栅温度传感年度申请量的变化、及国内光栅温度传感主要申请人的统计、光纤光栅封装方向的专利申请，可以看出在国家为提高民族创新能力、自主研发水平，提出了自主创新政策，在该政策的引领下，民族光纤光栅温度传感技术的自主创新研究能力显著增强。