应变测量的应用专利技术综述刘云

应变测量的应用专利技术综述刘云

刘云

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

摘要：在应变测量技术领域中，电阻应变片测量方法是获取应变数据的一种基本传统手段，而光纤光栅作为一种新型的光无源器件，因其抗干扰性、寿命长、复用性好等优点，日益在温度、应变的检测等领域得到广泛应用。本文从电阻应变测量、光纤光栅应变测量的申请趋势、区域分布、申请人排序等方面进行分析，对重点技术的发展进行梳理，并对发展趋势进行了预测。

关键词：电阻；应变；光纤光栅

一、概述

应变测量是材料和结构力学性能试验中的一项基本任务，是了解材料在力学载荷等因素作用下的变形、损伤和失效行为的基础，对于确定结构设计许用值、结构寿命预测和评估等均有重要价值。

应变测量方法主要包括：电测法、光测法、声发射、脆性涂层法、应变机械测量法等。其中以电测法和光测法应用最为广泛。

电测法是借助于电子仪器，将应变这一非电量转为电量的测量方法。它可以用于现场测定和模拟测定。电测法中应用最广泛的是电阻应变测试法，基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。

与应变片电测法不同的是，光学测试法，能够运用光学手段研究和解决内部或表面的应力、应变、位移等信号的测试，它的发展与现代光学技术或计算机图像处理技术的发展息息相关，是力学测试中一个非常重要的分支，如基于材料双折射效应的光弹法和数字光弹法、在光纤传感技术的基础上发展起来的光纤光栅应变测试方法以及利用双目立体视觉测量原理进行的三维变形测量技术等。

本文选取了传统的电阻应变测量，和相对新型的光纤光栅应变测量两个方面进行了分析和梳理。

二、电阻应变片、光纤光栅测应变的专利整体情况

1、专利申请量趋势

经过检索发现，由于2017年申请的专利申请有相当一部分尚未公开，因此统计数据中没有申请日为2017年的专利申请。

电阻应变片起源较早，在1936-1938年间，美国加利福尼亚理工学院的教授便研制出电阻丝纸基应变片，20世纪中叶到21世纪，电阻应变片技术不断得到发展，申请量逐年增加，目前用作电阻应变敏感栅材料主要有金属应变电阻合金、半导体材料及金属氧化物等，形状有丝式、箔式、薄膜和厚膜等，但是随着材料科学和工艺技术的限制，以及新型传感器的相继出现，在近几年，电阻应变片的申请量出现大幅下降。

光纤光栅测量应变技术的发展基本与光纤光栅的发展相适应，1978年加拿大制成了世界上的第一根光纤光栅，经过近二十年的研究和开发，光纤光栅传感技术得到了快速发展，尤其在2013-2014年达到发展的高峰期，虽然近些年申请趋势有所下滑，但是申请量仍然比较高。

2、不同国家专利申请量分析

由图表可以看出，无论是传统的电阻应变测量还是近些年兴起的光纤光栅应变传感器，我们国家的申请量都是最多的，尤其是在光纤光栅应变测量领域，申请量高达48%。

在电阻应变片领域，除了我们国家之外，专利申请主要集中在日本、美国、俄罗斯、德国等发达国家，电阻应变式传感器主要应用在大坝、桥梁、航天飞机、船舶结构、发电设备等工程结构的应力测量和健康监测中，因此其申请量也集中在综合实力比较强的几个国家中。

美国是光纤光栅传感器研究最早、技术水平最高的国家，斯坦福大学海军研究室、动力系统公司、SpecificBabeck&Wilcox公司、FiberDynamics公司、Eotec公司、Optra公司在研究与开发光纤传感器方面享有盛名，日本、韩国、挪威、欧洲等也投入相当大的力量研制和开发光纤光栅传感器。

三、重点技术发展：

（一）电阻应变测量

电阻应变测量方法是应力分析方法中应用最为广泛的一种方法，该方法利用应变敏感元件—电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应变—应力关系得到构件表面的应力状态。不用用途的电阻应变片，其构造不完全相同，但一般都由敏感栅、引线、基底、盖层和粘结剂组成，根据应变片敏感栅所用的材料不同可分为金属电阻应变片和半导体应变片。

常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化

金属丝电阻应变片(又称电阻丝应变片)出现得较早，现仍在广泛采用。其典型结构如图所示。把一根具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金等)绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。

金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约1—10μm，散热好，粘结情况好，传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片。

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。半导体应变片的特点是，灵敏系数大，比金属栅应变片大20-70倍，输出信号大，不需放大就能直接测量，因而使测试系统简化，机械滞后小、横向效应小、尺寸小等优点，但是也存在电阻温度系数大、线性差、热稳定性差等缺点。

（二）光纤光栅应变测量

光纤光栅是近年来发展起来的一种新型光纤无源器件。光纤光栅是一种利用光纤本身材料特性,通过一定方法使其纤芯呈现周期性变化的光波导,从而形成具有波长选择性反射功能的器件,这一波长称为布拉格中心波长。光纤光栅的周期、长度和折射率的调制强度共同决定了光栅反射率的高低、带宽的大小。光纤光栅传感器就是利用布拉格中心波长的移动来感应外界微小应力或温度变化的敏感元件。通过建立并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以由布拉格中心波长的变化计算出被测量的值。

光纤光栅就是利用掺杂如锗、磷等光纤的光敏特性,通过某种工艺方法（如紫外侧写入法、相位掩膜法等）使光纤纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化,从而在纤芯内形成空间相位光栅。当宽带光源在带有光纤光栅的光纤中传输时,通过光纤光栅的光波就在这种折射率微扰下产生模式耦合,在光栅的入口反射出布拉格波长的反射谱。当外界温度或应变变化时,会导致光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率的变化,从而引起光纤光栅的布拉格波长的移动,这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。

四、专利趋势预测

随着电子计算机技术及有限元计算方法的发展，以及新型传感器的开发，电阻应变片技术发展速度减慢，但是由于材料科学的进步，电阻应变传感器的核心部分，即电阻应变计的制作材料与工艺仍在不断的发展。纵观国内外的应变计市场，电阻应变式传感器今后的发展呈现以下几种趋势：普通应变计朝向高精度、使用方便快捷省力方向发展；传感器朝向多功能、高稳定性、智能化发展；应用在特殊环境中的应变计的多样化和稳定性的需求。

目前光纤光栅传感技术已经相对成熟，几乎涵盖了国民经济的所有领域，是近年来发展极为迅速的一种新型光纤无源器件，根据分析，其未来的专利申请方向将集中为以下几个方面：测量的多功能性，同时实现多个变量的检测；提高可靠性与稳定性，可靠性与稳定性一直是衡量光纤光栅传感器的两个重要指标；使其能够适应恶劣的环境，例如高温、高压、高辐射等环境；微型化、智能化、低功耗、便携式。