光纤电流传感器专利技术综述

魏程程　黄　文　李萍萍　李晓玲　丁　虎（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450002）



光纤电流传感器专利技术综述

魏程程黄文李萍萍李晓玲丁虎
（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450002）

摘要：本文立足于专利文献，从专利的角度对几种不同类型的光纤电流传感器进行介绍和分析，普及了光纤电流传感器的基础知识，为相关领域的审查工作提供技术支持，也为光纤电流传感器的发展方向提供了指引。

关键词：光纤电流传感器；法拉第磁光效应；电流测量；专利

1　背景

电流是电力系统的基本参数之一，对电流的测量是其基本并且非常重要的任务。现在对电流的测量主要采用的是以电磁感应原理为基础的电流互感器，它原理简单，可靠性高，不易损坏，但面对超高压测量时，常规的电流互感器很难适应，这时就需要光纤电流传感器。

2　光纤电流传感器技术分支

光纤电流传感器主要分为四种类型：光电混合型、磁场传感器型、块状光纤型、和全光纤型。

2.1光电混合型

光电混合型电流传感器（HOCT）在高压部分没有光学元件，只是采用了有源电子线路，利用光纤的耐高压特性，把光纤仅作为信号传输通道来研制光电式电流互感器。

2.2磁场传感器型

磁场传感器型电流传感器又叫磁致伸缩效应光学电流传感器，一般是将磁致伸缩材料粘贴或镀在单模光纤上，材料在磁场作用下其轴向尺寸发生变化，使得光纤产生相应的变化，从而引起光纤中光的相位发生变化。利用干涉法检测相位变化可得被测磁场（或电流）。磁致伸缩效应光学电流传感器进入实用的主要难点是光纤不仅对外界温度敏感，而且对振动非常敏感。虽然通过尽量匹配干涉仪两臂的长度，对外界缓变温度可起到一定的补偿作用，但振动的影响暂时还没有较好的方法消除。

2.3块状光纤型

块状光纤型即磁光材料型光学电流传感器，它是利用磁光材料，主要是光学玻璃的Faraday效应敏感被测电流，光纤只传光，不传感。

2.4全光纤型

全光纤电流传感器是将光纤缠绕在被测通电导体周围，利用光纤的法拉第效应，通过测量由于通电导体在周围产生的磁场使得光纤中产生微小的法拉第旋转角来间接的测量电流，传光与传感部分都用光纤，又称为功能型光学电流传感器。这种全光型电流传感器的特点有：测

偏振调制型AFOCS也称为非干涉型，它不使用相位调制器，无电流时输出信号为直流量，通过检测出射光的偏振态旋转角度来确定待测电流的大小。

相位调制型的全光纤电流传感器是利用外加磁场使得物质对左旋和右旋圆偏振光的折射率不同，而线偏振光可以分解为一个左旋和右旋的圆偏振光，因而传播一段距离后，表现为线偏振光的振动面发生了旋转，而旋转截取的时间节点从1995年至2014年。从图1可以看出，自1996年后光纤电流传感器专利技术的发展至今，大致经历了几个发展阶段：技术积期、快速增长期、技术停滞期。

自1995年光纤电流传感器的作为新兴技术热点开始进入人们视野，此时，专利申请大国对此技术具有涉足，其年申请量大致在十几篇的范围内，该技术的主要申请在全球范围内的主要集中在中、日、美等专利大国，其中日本尤为突出。在1995-2006年间，光纤电流传感器技术处于稳定发展期，各国年均申请量维持在十几篇的数量级范围内上下浮动，全球的申请总量也趋于稳定。角取决于沿磁场方向传播的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的折射率之差。因此通过测量左旋圆偏振和右旋圆偏振光传播一段距离后产生的相位差，也可以实现电流的测量。

3　全球专利申请量分析

为了研究光纤电流传感器专利技术的发展情况，我们对所采集的数据按照历年专利申请量进行统计分析，在此期间，申请总量不大，但处于较稳定的范围内浮动变化，因而处于技术积累和探索时期。值得关注的是在此期间内，尽管申请量整体维持稳定，但在2000年时，申请量有一个明显的增量，初步预测可能跟当年政策形式或者行业动态相关，该申请量的跳变，其背后原因值得关注。

图1　光纤电流传感器全球专利申请分析

图2　光纤电流传感器不同国家专利申请分析

自2006年申请量有明显增长态势，此状态持续至2012年。在此期间，申请量急剧增长，并于2010年出现一个高峰，2012年创下历史新高，年申请量突破100篇。在2006至2012的增长期中，2011年出现一个波谷，估测其原因可能跟2011年经济形势相关，受到经济冲击，技术发展出现短暂性的停滞。

2012年后，申请量有下滑趋势，本领域对该技术领域的关注度可能被其他新兴相关技术所转移，但此期间的年申请量仍维持在数十篇的数量级，仍然是人们关注的重点和热点。

根据图2不同国家的年申请量对比，可以看出，光线电流传感器技术领域的申请量重点集中在中、日、美三国。在时间维度上，不同国家整体都经历了相同和相似的阶段，均是技术积累期、快速发展期、技术停滞期。但在不同国家之间申请量的变化依然有出入。在技术起步阶段，对该技术的关注和研究，日本表现出主要优势。在1995年当年，全球总申请量21篇，其中日本占据15篇。随着技术的发展，美国仍维持在个位的年均申请量上；日本的专利布局量的优势日渐失去，从开始的年均申请量在数十篇，到后来年均申请量下滑至数篇；与此相反，中国的年均申请量从最初的数篇持续增长，已经突破年均50篇，说明此时中国对该技术的关注度持续上升。

图3　光纤电流传感器专利技术国家或地区分布

4　专利技术国家和地区分布

为了光纤电流传感器专利技术国家或地区分布情况，对所采集的数据进行了统计。从图3可以看出，光线电流传感器的主要申请国家和地区是中国（456篇），其次为日本（151件），再次是美国（70件）、德国（23件），其他国家和地区总和为74件，约占9.85%。由此可见，光纤电路传感器技术主要集中在三个主要申请国，从全球范围看来，各个国家发明专利申请量相差悬殊。在这一领域，我国的创新能力相对较强，申请量排在第一位，这与我国近年来对研发新型电流传感器的重点关注是密切相关的。

5　小结

本文介绍的光纤电流传感器正是以光纤传感技术为基础的传感器件，器件以光纤作为传输媒质，用以法拉第磁光效应为工作原理的磁光材料作为传感元件，具有抗电磁干扰（EMI）、重量轻、尺寸小、带宽大、信号传输方便、结构稳定、灵敏度高、可实现电流值的线性检测等特点，适用于电力系统中高压下的电流检测。

本文立足于专利文献，从专利的角度对几种不同类型的光纤电流传感器进行介绍和分析，普及了光纤电流传感器的基础知识，为相关领域的审查工作提供技术支持，也为光纤电流传感器的发展方向提供了指引。

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［7］严颖维.全光纤电流互感器的研究［D］.北京：北京邮电大学，2012.

［8］罗苏南.组合式光学电压/电流互感器的研究与开发［D］.湖北：华中科技大学，2000.

中图分类号：TM452

文献标识码：A

收稿日期：2015-12-25

作者简介：魏程程（1986—），男，审查员，研究方向：电磁测量领域相关发明专利实质审查。量范围大、电绝缘性优良、结构简单、灵敏度高等。但是由于光纤内部存在线性双折射，从而影响测量精度和长期稳定性。按照它信号检测方法的不同，可分为偏振调制型和相位调制型两种。

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