CN105352446B - 亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统 - Google Patents

Abstract

一种亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统，包括：信号发生及探测机构和分别与之相连的光脉冲调制机构以及光纤光栅传感机构，其中：信号发生及探测机构向光脉冲调制机构输出调制信息，使得光脉冲调制机构生成调制后光脉冲并输出至光纤光栅传感机构，光纤光栅传感机构的反射光信号通过信号发生及探测机构进行采集和检测；本发明能够同时具有高测量精度、高传感带宽，且复用成本低的优点。

Description

亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种分辨率达到亚纳应变级(<10^-9ε)，且能够实现多点复用的光纤光栅准静态应变传感系统。

背景技术

光纤光栅传感机构技术是光纤传感技术的重要分支之一，其特点包括测量精度高、尺寸小、成本较低、抗电磁干扰等，具有很高的应用价值。其中，光纤光栅应变传感器发展最为成熟，广泛用于各种人工结构或自然结构中，实现对应变的传感与观测。

地球物理学相关研究是光纤光栅应变传感系统的重要应用场景之一，如地质构造中地壳微变过程的研究，地震、火山等地质灾害监测等。该类应用场景中，待观测应变信号的最显著特点在于其变化量极其微小、变化周期长，且长期变化范围广。因而对传感器的灵敏度、绝对精度、动态范围及传感带宽等指标提出了很高的要求。另外，为实现对二维及三维空间内应变张量的测量、多区域应变检测实现应变场的检测等，需要采用多个应变传感器协同工作。

现有的各类光纤光栅应变传感系统中，基于普通光纤布拉格光栅(FBG)实现的波分复用应变传感系统具有成本低、容易进行多点复用等特点，例如中国专利文献号CN101458100公开(公告)日2009.06.17，公开了一种FBG传感器的解调系统及其解调方法，该系统依此连接有脉冲光源、环形器或耦合器、耦合器，然后一路依此连接边带滤波器和光电探测器，另一路连接光电探测器，最后两路再依此与除法器和传感信号响应处理模块连接。然而，由于普通光纤光栅的反射峰宽度较宽，其应变分辨率一般在微应变数量级(即10^-6ε)，无法达到地球物理学研究中对传感器精度的要求。为了实现亚纳应变级的测量精度，一般采用相移光纤布拉格光栅(phase shifted FBG，PSFBG)或光纤法布里-泊罗谐振腔(fiber Fabry-Perot Interferometer，FFPI)实现，其中心透射峰宽度仅有几pm甚至小于1pm，大大提高了传感器的应变分辨率。但由于相移光纤光栅及光纤法布里-泊罗谐振腔的解调方法与普通光栅不同，需要用到较为调制和解调技术，例如文献专利号CN102997859，公开日2013.03.27,公开了一种基于相位调制-强度解调的方案，通过比较传感探头与参考器件的谐振频率差，实现纳应变级的测量精度。然而，该方案所用到的调制技术复杂，激光器只能实现对单个传感器探头的检测，现有技术中未能给出针对该类传感器的有效多点复用方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统，能够同时具有高测量精度、高传感带宽，且复用成本低的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：信号发生及探测机构和分别与之相连的光脉冲调制机构以及光纤光栅传感机构，其中：信号发生及探测机构向光脉冲调制机构输出调制信息，使得光脉冲调制机构生成调制后光脉冲并输出至光纤光栅传感机构，光纤光栅传感机构的反射光信号通过信号发生及探测机构进行采集和检测。

所述的信号发生及探测机构包括：控制模块和分别与之相连的信号发生模块和光电采集模块，其中：光电采集模块与光纤光栅传感机构反射端相连，将光强度信号转为模拟电信号；信号发生模块分别生成相位调制信号、射频载波信号和电脉冲调制信号并输出至光脉冲调制机构；控制模块对光电采集模块获得的信号进行解调，并通过解调结果控制电信号发生器与射频信号发生器，以实现反馈控制。

所述的光脉冲调制机构包括：依次串联的窄线宽激光器、光相位调制器、光强度调制器和声光调制器，其中：窄线宽激光器产生用于探测各个相移光栅的窄透射峰的激光，光相位调制器根据调制信息对激光进行相位调制；光强度调制器进一步对窄线宽激光进行可变频率的强度调制，产生频率可控的调制边带，作为光开关的声光调制器产生用于时分探测的光脉冲并输出至光纤光栅传感机构。

所述的光纤光栅传感机构包括：依次串联的光纤环行器、光纤耦合器、延时光纤阵列和相移光栅阵列，其中：光纤环行器接收用于时分探测的光脉冲以导入光纤光栅阵列，并将其反射的光信号输出至信号发生及探测机构；光纤耦合器将一路探测光脉冲分成多路以导入各个光栅；延时光纤阵列由各路不同延时的光纤组成，将光脉冲以不同延时进行传输；相移光栅阵列探测应变信号。

所述的光纤光栅传感机构中的相移光栅阵列也可以替换为光纤法布里-泊罗谐振腔。

本发明涉及一种基于上述系统的光栅探测方法，通过光脉冲调制机构生成光强度调制边带，由光纤光栅传感机构实现对各个待测光栅的探测，其中光脉冲调制机构使用光相位调制和同步相位解调实现激光与光栅透射峰中心的频率差的采集，进而通过光电采集模块以复用解调的方式探测光对相移布拉格光栅的极窄透射中心，获取各个光栅的频域信息，实现反馈跟随。

所述的复用解调的方式是指：信号发生及探测机构的执行流程为“轮询-反馈”方式，即每一轮探测获取各个光栅的频率信息与频率变化信息，计算出各路的频率修正值并用于下一轮探测，能够在单个物理反馈回路中实现逻辑上的多个同时运行的反馈回路。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用脉冲时分的方式实现多个传感光栅的复用。光脉冲调制机构产生脉冲光对各个光栅进行探测；一分多光纤耦合器将脉冲分为多路，分别探测各个光栅；不同长度的延时光纤使各反射脉冲到达光电探测器的时间不同，从而进行区分。

本发明技术效果进一步包括：

1.本发明采用多个具有超窄激射窗口的相移布拉格光栅作为应变传感探头，取代现有技术中的普通布拉格光栅，能够实现极高应变分辨率的多路应变传感；

2.本发明采用快速反馈结构控制探测光对相移布拉格光栅的极窄透射中心进行跟随，取代现有技术中的扫频式解调，同时提高了系统分辨率与传感带宽(或称作传感速率)；

3.本发明基于时分复用技术，将单个反馈结构扩展为多个同时运行的反馈回路，以最小的硬件开销(光源，各调制器，光环行器，光电探测器，数据采集卡，电信号发生器与射频发生器，控制模块均只使用了一组)实现了传感系统的多路复用，大大简化了高精度多点式光纤光栅应变传感系统的复杂程度。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为基于单边带调制器的实施例示意图；

图3为温度漂移与应变对各个相移光栅的影响示意图；

图4为差值信号与强度调制边带探测示意图；

图5为脉冲时分复用技术与系统解调流程示意图；

图6为实施例中采用光纤法布里-泊罗谐振腔的结构示意图；

图7为实施例所测得应变信号时域曲线与功率谱密度示意图；

图8为相移光纤光栅和基于光栅的光纤法布里-珀罗谐振腔的光谱比较示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的光脉冲调制机构包括：用于输出单频激光的窄线宽激光器，窄线宽激光器与光相位调制器、光强度调制器和声光调制器依次连接；

所述的光纤光栅传感机构包括：依次串联的光纤环行器、光纤耦合器、延时光纤阵列和相移光栅阵列，其中：光环行器输入端与声光调制器反射端相连接，输出端与一分多光纤耦合器的合束端连接，反射端与光电探测器相连接；一分多光纤耦合器的分束端之一优选与某个相移布拉格光纤光栅直连作为参考样本，其余分束端分别与不同长度的延迟光纤的一端相连，延迟光纤另一端连接相移布拉格光纤光栅。

图3为温度漂移与应变对各个相移光栅的影响示意图。各个探测光栅透射峰中心频率与参考光栅的透射峰中心频率之差对应该探测光栅上的静态应变信号大小。当环境温度改变时，各个探测光栅与参考光栅的透射中心频率均发生同样的改变，其差值保持不变，因此，环境温度的改变对应变信号的检测不造成影响，如左图所示。而当各个探测光栅上施加了不同的应变时，其频谱发生飘移；但参考光栅频谱固定，因此各探测光栅与参考光栅透射中心频率之差随着应变的变化发生改变。

所述的信号发生及探测机构包括：控制模块和分别与之相连的信号发生模块和光电采集模块。

所述的信号发生模块包括：两个电信号发生器和一个射频信号发生器，其中：第一电信号发生器，产生固定频率的正弦波信号，用于驱动光相位调制器，并与控制模块进行同步；第二电信号发生器，产生电脉冲信号，用于驱动声光调制器；射频信号发生器，产生射频信号，用于驱动光强度调制器。

图4为强度调制边带代替单频激光对光纤进行探测的示意图，通过改变调制频率来控制探测光的频率。强度调制边带的频率调节较激光中心频率调节更加灵活和准确，调节后所需的稳定时间短，可重复性好，且频率读数获取方便。

所述的控制模块控制第二电信号发生器，并调整射频信号发生器的输出频率。

所述的射频信号发生模块内置仪器化的射频信号发生器和压控震荡器(VCO)，使得控制模块可直接获取射频信号的频率信息，并通过射频信号计数器中读取频率信息。

所述的光电采集模块包括：光电探测器和与之相连的数据采集卡，其中：数据采集卡采集光电探测器输出的模拟电信号，数据由控制模块进行处理。

由于对光栅进行探测的入射光为强度调制后激光的一阶边带，与其相伴随还有载波、对称一阶边带、以及高阶边带等多余频率成分，为保证多余频率成分不影响探测结果，本实施例所述的相移光栅阵列选用以下任意一种，如图8所示，为对应的光谱比较示意图。

1.相移布拉格光栅(PSFBG，只具有单个透射峰)；

2.若选用光纤法布里-珀罗谐振腔(FFPI，具有多个透射峰)，则应该采用单边带调制器代替强度调制器，如图2所示；或者系统中加入光滤波器等措施，滤除上述多余频率成分，避免信号的解调造成影响，如图6所示。

所述的光栅的频率/应变响应系数与温度/频率响应系数应完全相同。

为保证系统不受偏振态变化的影响，光脉冲调制机构以及光纤光栅传感机构中的器件可采用：

1.保偏光纤及全保偏光器件。

2.单模光纤器件。此时，所述的光纤耦合器与各个探测光栅之间设有偏振控制器，如图1所示。

优选地，所述的窄线宽激光器、光相位调制器、光强度调制器和声光调制器之间以及光纤环行器、光纤耦合器、延时光纤阵列和相移光栅阵列之间的光路接头均可采用APC型活动连接头或固定连接方式或光纤熔接。

如图5所示，为系统执行流程示意图。系统执行流程为“轮询-反馈”式，每一轮探测获取各个光栅的频率信息与频率变化信息，计算出各路的频率修正值并用于下一轮探测，能够在单个物理反馈回路中实现逻辑上的多个同时运行的反馈回路。

本实施例具体参数设置如下：

应变分辨率：

>0.1Hz频段：优于

0.01Hz至0.1Hz频段：优于

传感速率：100次采样每秒每通道

最大测量范围：大于20με(2×10^-5ε)(对应射频信号范围：0.1GHz至3.3GHz)

如图7a和7b所示，为本实施例所得示意图，可见本系统能够实现分辨率高达亚纳应变级的准静态应变传感，且传感速率达到了100次采样每通道。同时，系统基于一套解调硬件系统即可实现多点复用。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现技术均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统，其特征在于，包括：信号发生及探测机构和分别与之相连的光脉冲调制机构以及光纤光栅传感机构，其中：信号发生及探测机构向光脉冲调制机构输出调制信息，使得光脉冲调制机构生成调制后光脉冲并输出至光纤光栅传感机构，光纤光栅传感机构的反射光信号通过信号发生及探测机构进行采集和检测；

所述的信号发生及探测机构包括：控制模块和分别与之相连的信号发生模块和光电采集模块，其中：光电采集模块与光纤光栅传感机构反射端相连，将光强度信号转为模拟电信号；信号发生模块分别生成相位调制信号、射频载波信号和电脉冲调制信号并输出至光脉冲调制机构；控制模块对光电采集模块获得的信号进行解调，并通过解调结果控制电信号发生器与射频信号发生器，以实现反馈控制；

所述的光纤光栅传感机构包括：依次串联的光纤环行器、光纤耦合器、延时光纤阵列和相移光栅阵列，其中：光纤环行器接收用于时分探测的光脉冲以导入光纤光栅阵列，并将其反射的光信号输出至信号发生及探测机构；光纤耦合器将一路探测光脉冲分成多路以导入各个光栅；延时光纤阵列由各路不同延时的光纤组成，将光脉冲以不同延时进行传输；相移光栅阵列探测应变信号。

2.根据权利要求1所述的亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统，其特征是，所述的光脉冲调制机构包括：依次串联的窄线宽激光器、光相位调制器、光强度调制器和声光调制器，其中：窄线宽激光器产生用于探测各个相移光栅的窄透射峰的激光，光相位调制器根据调制信息对激光进行相位调制；光强度调制器进一步对窄线宽激光进行可变频率的强度调制，产生频率可控的调制边带，作为光开关的声光调制器产生用于时分探测的光脉冲并输出至光纤光栅传感机构。

3.根据权利要求1所述的亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统，其特征是，所述的光纤光栅传感机构包括：依次串联的光纤环行器、光纤耦合器、延时光纤阵列和光纤法布里-泊罗谐振腔，其中：光纤环行器接收用于时分探测的光脉冲以导入光纤光栅阵列，并将其反射的光信号输出至信号发生及探测机构；光纤耦合器将一路探测光脉冲分成多路以导入各个光栅；延时光纤阵列由各路不同延时的光纤组成，将光脉冲以不同延时进行传输；光纤法布里-泊罗谐振腔探测补偿温度漂移。

4.一种基于上述任一权利要求所述系统的光栅探测方法，其特征在于，通过光脉冲调制机构生成光强度调制边带，由光纤光栅传感机构实现对各个待测光栅的探测，其中光脉冲调制机构使用光相位调制和同步相位解调实现激光与光栅透射峰中心的频率差的采集，进而通过光电采集模块以复用解调的方式探测光对相移布拉格光栅的极窄透射中心，获取各个光栅的频域信息，实现反馈跟随。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的复用解调的方式是指：信号发生及探测机构的执行流程为“轮询-反馈”方式，即每一轮探测获取各个光栅的频率信息与频率变化信息，计算出各路的频率修正值并用于下一轮探测，能够在单个物理反馈回路中实现逻辑上的多个同时运行的反馈回路。