CN103940362A - 一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，包括：窄线宽激光器，提供窄线宽激光；电光/声光调制器，对所述窄线宽激光进行调制；射频信号发生器，产生所述线性调频信号；窄线宽光纤滤波器，对被调制的所述激光进行滤波；耦合器，将所获得的预定带宽内可调谐的单边带激光分为两路光源；环行器，将所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光传入探测器；第一、第二光纤光栅应变传感器，分别接受外界应变和温度信号；光电探测器，对所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光进行光电转换；应变解调模块，根据所述数字信号获得所述第一、第二光纤光栅应变传感器之间的波长差，获得其中作为传感的光纤光栅应变传感器的应变值。

Description

一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统。

背景技术

目前，光纤光栅(FBG)传感器广泛的应用到了各行各业。光纤光栅传感器具有尺寸小、响应速度快、大范围的线性响应、易复用等诸多优势，但目前的商用的光纤光栅解调设备应变测量精度只有1με，这难以满足高精度形变测量领域(如地壳形变监测)的应变测量要求。

目前，人们提出了很多提高FBG的应变测量精度的方法，比如采用相移光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪替代普通的光纤光栅，采用PDH激光锁频技术提高光纤光栅测量精度等。其中，结合PDH激光锁频技术，光纤光栅能够获得极高的应变测量精度。最早将PDH激光锁频技术用于光纤光栅(FBG)FFP的应力应变测量，是2005年澳大利亚国立大学的Jong H.Chow等人(J.H.Chow，et a1.，“Demonstration of a passivesubpicostrain fiber strain sensor，”Optics letters，2005)，理论上分析了应变测量分辨率能小于pε/√Hz(100Hz-100kHz)。同时，意大利的G.Gagliardi等人也做了这方面的研究，并且与Jong H.Chow进行了合作，获得了150pε/√Hz(680Hz)、20pε/√Hz(13kHz)应变分辨率(G.Gagliardi，et al.，“FiberBragg-grating strain sensor interrogation using laser radio-frequencymodulation，”Optics Express，2005)。2008年D.Gatti首次将π相移光纤光栅和PDH技术结合，在高频段实现了分辨率5pε/√Hz的应变测量(D.Gatti，et a1.，“Fiber strain sensor based on a pi-phase-shifted Bragg grating and thePound-Drever-Hall technique，”Opt.Express，2008)。

可见，这些技术，大多都是用于高频(动态)信号的测量，很少适用于低频(准静态)信号的测量。对于FBG而言，实现高精度的静态应变测量显得更加困难。之所以高精度的静态应变获取相对于动态应变要困难，是因为动态传感可以以自身作为参考，而静态应变必须与其他的标准作对比，比如稳定的频率成分、不受应变作用的传感头等。2011年以来，日本东京大学的Qinwen Liu等人多次将该项技术引入了地壳形变观测中，实现了5.8ng/√Hz的超低频准静态应变测量(Q.Liu，et al.，“Ultra-high-resolutionlarge-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Halltechnique，”Optics letters，2011)。但是，由于这里采用了可调谐激光器，其线性度限制了最终的应变测量分辨率；并且，可调谐激光器的调谐范围有限，限制了应变测量的动态范围；同时，可调谐激光器的价格昂贵，这都限制了该项技术的推广应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术，实现高精度、大动态范围的应变测量，并重点解决基于可调谐激光器的光纤光栅传感系统中需要使用昂贵的可调谐激光器，且可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变解调精度受限、动态范围较小等问题。

(二)技术方案

本发明公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，包括：

窄线宽激光器，用于提供窄线宽激光；

电光/声光调制器，用于根据线性调频信号对窄线宽激光器提供的所述窄线宽激光进行调制，以使所述激光产生频移；

射频信号发生器，用于产生所述线性调频信号；

窄线宽光纤滤波器，用于对被调制的所述激光进行滤波，获得预定带宽内可调谐的单边带激光；

耦合器，用于将所获得的预定带宽内可调谐的单边带激光分为两路光源，以给第一、第二光纤光栅应变传感器提供光源；

环行器，用于将所述耦合器分成的两路光源传输至第一、第二光纤光栅应变传感器，并将所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光传入探测器；

第一、第二光纤光栅应变传感器，用于分别接受外界应变和温度信号，并分别反射所述两路光源；

光电探测器，用于对所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光进行光电转换，输出电信号；

数据采集卡，用于所述电信号进行模数转换，输出数字信号；

应变解调模块，用于根据所述数字信号获得所述第一、第二光纤光栅应变传感器之间的波长差，进而获得其中作为传感的光纤光栅应变传感器的应变值

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术的方案实现激光线性可调谐，而不需要使用可调谐激光器，大大减小了系统的造价。

2、本发明提供的一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用高精度射频信号发生器，结合电光/声光调制和光纤滤波实现激光调谐，可以解决可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、可调谐激光器扫描范围受限应变测量动态范围较小等问题，提高基于可调谐激光器的光纤光栅传感系统中光纤光栅应变测量的精度和动态范围。

附图说明

图1为本发明提供的基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参照图1，图1为本发明提供的一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统的结构示意图。

如图1所示，该高精度光纤光栅低频应变传感解调系统包括：窄线宽激光器1，用于给整个解调系统提供窄线宽光源；电光/声光调制器2，用于对窄线宽激光器的激光进行调制，使激光光源发生大范围的频移(即实现激光频率的调谐)，它与窄线宽光纤滤波器组合，可以替代窄线宽可调谐激光器的频率可调谐的功能；射频信号发生器3，用于产生线性调频信号，给电光/声光调制器提供调制信号，使被调制的激光按照线性调频信号对应的规律(如锯齿波、三角波)产生频移；窄线宽光纤滤波器4，用于对被电光/声光调制器2调制后的激光光源进行滤波，获得一定带宽内可调谐的单边带的激光光源；隔离器5，其位于窄线宽光纤滤波器4光路后面，用于隔离光路反射回来的光，保护窄线宽激光器1；耦合器6，其位于隔离器5光路后面，用于将光源分为两路，以给两路光纤光栅传感器提供光源；第一环行器和第二环行器7，分别位于耦合器6分出的两路光路后面，用于将耦合器分束后的两路光分别传输至第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器9，并将第一、第二光纤光栅应变传感器9反射回来的光传入探测器10；第一偏振控制器和第二偏振控制器8，分别位于第一环行器和第二环行器7与两路光纤光栅传感器之间，用于对所述第一、第二光纤光栅传感器反射的光进行偏振控制；由于两路光纤光栅都具有两个正交的偏振态，我们可以通过偏振控制器消除每个光纤光栅反射谱中一个偏振态对测量结果的影响；第一、第二光纤光栅应变传感器9，分别位于第一偏振控制器和第二偏振控制器8光路后面，用于接受外界应变和温度变化，并产生应变信号和温度信号；第一、第二光电探测器10，其分别位于第一、第二环行器7与数据采集卡11之间，用于对光纤光栅传感器反射回来的光进行光电转换并输出模拟电信号；数据采集卡11，用于对第一、第二探测器10输出的模拟电信号进行采集并输出数字信号；应变解调设备12，用于对数据采集卡11采集到的数字信号进行解调，计算得到第一光纤光栅应变传感器相对于第二光纤光栅应变传感器9的波长差，进而换算得到作为传感的光纤光栅的应变值；计算机13，用于对光纤应变传感信号进行显示，并通过软件设置射频信号的扫频参数，对射频信号发生器3进行控制。

所述窄线宽激光器1可以是光纤激光器、也可以是半导体激光器，具有保偏输出。这里，采用激光线性扫频调制技术替代了商用的可调谐激光器的频率可调谐功能，因此激光光源不需要具有频率可调谐功能，可以减小光源的成本。

在本发明中，所述的电光/声光调制器2，由射频信号发生器3进行驱动。电光/声光调制器2可以是电光幅度调制器、电光相位调制器、声光调制器等，具有较高的带宽。另外，这里需要根据调制器的技术参数，使调制后的激光的主频、二阶边带及以上边带能量最小，仅保留两个第一阶边带；并且，其中一个第一阶边带可以通过窄线宽光纤滤波器4滤掉。采用电光/声光调制器2，其目的是实现窄线宽激光光源的可调谐功能，以替代目前商用的可调谐激光器的功能；这一技术的特点在于，实现的激光频移量可以优于目前基于压电陶瓷的可调谐激光器的频率调谐量，并且具有更高的频率可调谐一致性。

在本发明中，所述的射频信号发生器3，用于产生线性调频信号，给电光/声光调制器提供调制信号，使被调制的激光按照线性调频信号对应的规律产生频移。这样要求射频信号发生器3具有较高的电压分辨率以满足对激光进行调制产生频率可调谐的高一致性要求；同时，射频信号发生器3的带宽需要覆盖激光被调制的整个带宽。

在本发明中，所述的窄线宽光纤滤波器4，用于对被电光/声光调制器2调制的激光光源进行滤波，获得一定带宽内可调谐的单边带的激光光源。窄线宽光纤滤波器4与窄线宽激光器1具有相同的中心波长；并且，其带宽需要覆盖激光被调制的整个带宽；电光/声光调制器2当采用单边带电光/声光调制器时，可以免去使用窄线宽光纤滤波器4。

在本发明中，所述光纤光栅应变传感器9，可以采用光纤光栅法珀式干涉仪、相移光纤光栅，也可以使用其他干涉式光纤传感器；同时使用的两个光纤传感器一个作为参考、一个作为传感，并且两个传感器具有相同的技术指标(如反射率、带宽、自由谱长度、温度敏感系数等)。

在本发明中，所述的两个光纤光栅应变传感器9应该处于温度相对恒定、噪声较小的环境中，保证解调结果的正确性。

在本发明中，所述的应变解调设备12，通过对两个光纤光栅应变传感器9的反射谱信息(通过第一、第二光电探测器10和数据采集卡11采集到)进行互相关计算，实现对光纤应变传感信号进行解调。

在本发明中，整个解调系统的原理如下：首先通过可调谐激光光源扫描第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器9的反射谱，由于光纤光栅在外界应变、温度的作用下其反射谱的中心波长会发生漂移(中心波长的漂移量与所受应变值、温度值具有线性关系)，因此我们可以通过对两个光纤光栅反射谱进行互相关计算(即计算两路光纤光栅反射谱中心波长的位置差)，得到其中作为传感光纤光栅由外界应变引起的波长漂移(作为参考的光纤光栅只受到温度作用，不受到应变作用，它用于对传感光纤光栅进行温度补偿)，进行根据应变-波长漂移量关系获得外界的应变值。

请参照图1，该基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统的工作原理为：首先，通过窄线宽激光器1、电光/声光调制器2、射频信号发生器3和窄线宽光纤滤波器的组合实现高频率一致性的可调谐单频激光光源，以替代商用的可调谐激光器；其次，采用典型的基于可调谐激光器的光纤光栅传感解调系统方案来实现高精度的光纤光栅低频应变传感解调，即通过可调谐激光光源扫描两个光纤光栅的反射峰，再监测两个光纤光栅9的反射峰，并对两个光纤光栅9的反射峰信号进行互相关计算(即计算两路光纤光栅9的反射峰信号的位置差)，再反推得到传感光纤光栅的波长漂移，进行获得外界的应变值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，包括：

窄线宽激光器，用于提供窄线宽激光；

电光/声光调制器，用于根据线性调频信号对窄线宽激光器提供的所述窄线宽激光进行调制，以使所述激光产生频移；

射频信号发生器，用于产生所述线性调频信号；

窄线宽光纤滤波器，用于对被调制的所述激光进行滤波，获得预定带宽内可调谐的单边带激光；

耦合器，用于将所获得的预定带宽内可调谐的单边带激光分为两路光源，以给第一、第二光纤光栅应变传感器提供光源；

环行器，用于将所述耦合器分成的两路光源传输至第一、第二光纤光栅应变传感器，并将所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光传入探测器；

第一、第二光纤光栅应变传感器，用于分别接受外界应变和温度信号，并分别反射所述两路光纤传感信号；

光电探测器，用于对所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光纤传感信号进行光电转换，输出电信号；

数据采集卡，用于所述电信号进行模数转换，输出数字信号；

应变解调模块，用于根据所述数字信号获得所述第一、第二光纤光栅应变传感器之间的波长差，进而获得其中作为传感的光纤光栅应变传感器的应变值。

2.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述窄线宽激光器为光纤激光器或半导体激光器，且具有保偏输出。

3.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述电光/声光调制器为电光幅度调制器、电光相位调制器、声光调制器中的一个。

4.根据权利要求3所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，还包括：

隔离器，其位于所述窄线宽光纤滤波器光路后面，用于隔离反射回来的光。

5.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器采用光纤光栅法珀式干涉仪或相移光纤光栅，也可以采用其他干涉式传感器。

6.根据权利要求2所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述应变解调模块，通过对所述第一、第二光纤光栅应变传感器的反射谱进行互相关计算，获得两者的波长差。

7.根据权利要求1所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，所述第一、第二光纤光栅应变传感器中的一个作为参考光纤光栅应变传感器，另一个作为传感光纤光栅应变传感器，且所述第一、第二光纤光栅应变传感器具有相同的技术指标。

8.根据权利要求7所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，其还包括：

第一、第二偏振控制器，其用于对所述第一、第二光纤光栅传感器反射的光进行偏振控制。

9.根据权利要求7所述的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，还包括：

计算机，其用于显示所述应变解调模块得到的结果，并控制所述射频信号发生器产生的线性调频信号的参数。