光纖電流傳感器專利技術綜述

魏程程　黃　文　李萍萍　李曉玲　丁　虎（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450002）

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光纖電流傳感器專利技術綜述

魏程程黃文李萍萍李曉玲丁虎
（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450002）

摘要：本文立足于專利文獻，從專利的角度對幾種不同類型的光纖電流傳感器進行介紹和分析，普及了光纖電流傳感器的基礎知識，為相關領域的審查工作提供技術支持，也為光纖電流傳感器的發(fā)展方向提供了指引。

關鍵詞：光纖電流傳感器；法拉第磁光效應；電流測量；專利

1　背景

電流是電力系統(tǒng)的基本參數(shù)之一，對電流的測量是其基本并且非常重要的任務。現(xiàn)在對電流的測量主要采用的是以電磁感應原理為基礎的電流互感器，它原理簡單，可靠性高，不易損壞，但面對超高壓測量時，常規(guī)的電流互感器很難適應，這時就需要光纖電流傳感器。

2　光纖電流傳感器技術分支

光纖電流傳感器主要分為四種類型：光電混合型、磁場傳感器型、塊狀光纖型、和全光纖型。

2.1光電混合型

光電混合型電流傳感器（HOCT）在高壓部分沒有光學元件，只是采用了有源電子線路，利用光纖的耐高壓特性，把光纖僅作為信號傳輸通道來研制光電式電流互感器。

2.2磁場傳感器型

磁場傳感器型電流傳感器又叫磁致伸縮效應光學電流傳感器，一般是將磁致伸縮材料粘貼或鍍在單模光纖上，材料在磁場作用下其軸向尺寸發(fā)生變化，使得光纖產(chǎn)生相應的變化，從而引起光纖中光的相位發(fā)生變化。利用干涉法檢測相位變化可得被測磁場（或電流）。磁致伸縮效應光學電流傳感器進入實用的主要難點是光纖不僅對外界溫度敏感，而且對振動非常敏感。雖然通過盡量匹配干涉儀兩臂的長度，對外界緩變溫度可起到一定的補償作用，但振動的影響暫時還沒有較好的方法消除。

2.3塊狀光纖型

塊狀光纖型即磁光材料型光學電流傳感器，它是利用磁光材料，主要是光學玻璃的Faraday效應敏感被測電流，光纖只傳光，不傳感。

2.4全光纖型

全光纖電流傳感器是將光纖纏繞在被測通電導體周圍，利用光纖的法拉第效應，通過測量由于通電導體在周圍產(chǎn)生的磁場使得光纖中產(chǎn)生微小的法拉第旋轉角來間接的測量電流，傳光與傳感部分都用光纖，又稱為功能型光學電流傳感器。這種全光型電流傳感器的特點有：測

偏振調制型AFOCS也稱為非干涉型，它不使用相位調制器，無電流時輸出信號為直流量，通過檢測出射光的偏振態(tài)旋轉角度來確定待測電流的大小。

相位調制型的全光纖電流傳感器是利用外加磁場使得物質對左旋和右旋圓偏振光的折射率不同，而線偏振光可以分解為一個左旋和右旋的圓偏振光，因而傳播一段距離后，表現(xiàn)為線偏振光的振動面發(fā)生了旋轉，而旋轉截取的時間節(jié)點從1995年至2014年。從圖1可以看出，自1996年后光纖電流傳感器專利技術的發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段：技術積期、快速增長期、技術停滯期。

自1995年光纖電流傳感器的作為新興技術熱點開始進入人們視野，此時，專利申請大國對此技術具有涉足，其年申請量大致在十幾篇的范圍內，該技術的主要申請在全球范圍內的主要集中在中、日、美等專利大國，其中日本尤為突出。在1995-2006年間，光纖電流傳感器技術處于穩(wěn)定發(fā)展期，各國年均申請量維持在十幾篇的數(shù)量級范圍內上下浮動，全球的申請總量也趨于穩(wěn)定。角取決于沿磁場方向傳播的右旋圓偏振光與左旋圓偏振光的折射率之差。因此通過測量左旋圓偏振和右旋圓偏振光傳播一段距離后產(chǎn)生的相位差，也可以實現(xiàn)電流的測量。

3　全球專利申請量分析

為了研究光纖電流傳感器專利技術的發(fā)展情況，我們對所采集的數(shù)據(jù)按照歷年專利申請量進行統(tǒng)計分析，在此期間，申請總量不大，但處于較穩(wěn)定的范圍內浮動變化，因而處于技術積累和探索時期。值得關注的是在此期間內，盡管申請量整體維持穩(wěn)定，但在2000年時，申請量有一個明顯的增量，初步預測可能跟當年政策形式或者行業(yè)動態(tài)相關，該申請量的跳變，其背后原因值得關注。

圖1　光纖電流傳感器全球專利申請分析

圖2　光纖電流傳感器不同國家專利申請分析

自2006年申請量有明顯增長態(tài)勢，此狀態(tài)持續(xù)至2012年。在此期間，申請量急劇增長，并于2010年出現(xiàn)一個高峰，2012年創(chuàng)下歷史新高，年申請量突破100篇。在2006至2012的增長期中，2011年出現(xiàn)一個波谷，估測其原因可能跟2011年經(jīng)濟形勢相關，受到經(jīng)濟沖擊，技術發(fā)展出現(xiàn)短暫性的停滯。

2012年后，申請量有下滑趨勢，本領域對該技術領域的關注度可能被其他新興相關技術所轉移，但此期間的年申請量仍維持在數(shù)十篇的數(shù)量級，仍然是人們關注的重點和熱點。

根據(jù)圖2不同國家的年申請量對比，可以看出，光線電流傳感器技術領域的申請量重點集中在中、日、美三國。在時間維度上，不同國家整體都經(jīng)歷了相同和相似的階段，均是技術積累期、快速發(fā)展期、技術停滯期。但在不同國家之間申請量的變化依然有出入。在技術起步階段，對該技術的關注和研究，日本表現(xiàn)出主要優(yōu)勢。在1995年當年，全球總申請量21篇，其中日本占據(jù)15篇。隨著技術的發(fā)展，美國仍維持在個位的年均申請量上；日本的專利布局量的優(yōu)勢日漸失去，從開始的年均申請量在數(shù)十篇，到后來年均申請量下滑至數(shù)篇；與此相反，中國的年均申請量從最初的數(shù)篇持續(xù)增長，已經(jīng)突破年均50篇，說明此時中國對該技術的關注度持續(xù)上升。

圖3　光纖電流傳感器專利技術國家或地區(qū)分布

4　專利技術國家和地區(qū)分布

為了光纖電流傳感器專利技術國家或地區(qū)分布情況，對所采集的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。從圖3可以看出，光線電流傳感器的主要申請國家和地區(qū)是中國（456篇），其次為日本（151件），再次是美國（70件）、德國（23件），其他國家和地區(qū)總和為74件，約占9.85%。由此可見，光纖電路傳感器技術主要集中在三個主要申請國，從全球范圍看來，各個國家發(fā)明專利申請量相差懸殊。在這一領域，我國的創(chuàng)新能力相對較強，申請量排在第一位，這與我國近年來對研發(fā)新型電流傳感器的重點關注是密切相關的。

5　小結

本文介紹的光纖電流傳感器正是以光纖傳感技術為基礎的傳感器件，器件以光纖作為傳輸媒質，用以法拉第磁光效應為工作原理的磁光材料作為傳感元件，具有抗電磁干擾（EMI）、重量輕、尺寸小、帶寬大、信號傳輸方便、結構穩(wěn)定、靈敏度高、可實現(xiàn)電流值的線性檢測等特點，適用于電力系統(tǒng)中高壓下的電流檢測。

本文立足于專利文獻，從專利的角度對幾種不同類型的光纖電流傳感器進行介紹和分析，普及了光纖電流傳感器的基礎知識，為相關領域的審查工作提供技術支持，也為光纖電流傳感器的發(fā)展方向提供了指引。

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中圖分類號：TM452

文獻標識碼：A

收稿日期：2015-12-25

作者簡介：魏程程（1986—），男，審查員，研究方向：電磁測量領域相關發(fā)明專利實質審查。量范圍大、電絕緣性優(yōu)良、結構簡單、靈敏度高等。但是由于光纖內部存在線性雙折射，從而影響測量精度和長期穩(wěn)定性。按照它信號檢測方法的不同，可分為偏振調制型和相位調制型兩種。

Overview of Fiber-optic Current Sensor patented technology

Wei ChengchengHuang WenLi PingpingLi XiaolingDing Hu
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

Abstract:Based on patent documents，this paper introduces and analyzes different types of optical sensors from the perspective of patents，and promotes basic knowledge of them as well，which provides technical support for patent ex?aminations of related fields and shows direction of the development of optical sensors.

Keywords:fiber-optic current sensors；faraday effect；current detect；patent