CN114018171A - 一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，包括：包括激光模块、PDH频率锁定模块、光纤谐振腔模块和数据处理模块，所述激光模块，用于通过激光器产生激光并进行激光偏振方向与偏振态调节，提供应变传感检测所需要的激光；所述光纤谐振腔模块包括两个光纤谐振腔，所述两个光纤谐振腔通过PDH频率锁定模块同时与激光模块中激光器进行频率锁定，以差分形式消除环境背景噪声干扰，并进行应变传感，产生PDH误差信号；所述数据处理模块，用于检测两个光纤谐振腔的透射信号并进行PDH误差信号分析。本发明能够极大程度地消除背景噪声的影响，以高分辨率检测施加在传感器上的应变。
Description
技术领域
本发明属于应变测量技术领域，涉及一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器。
背景技术
应变是表征材料力学和热物理性能的重要参数，准确的应变测量在工业领域具有重要意义。
传统的应变传感器原理主要基于应变电阻(电阻值是应变的函数)，它们存在易受电磁干扰、易氧化、检测滞后性等缺陷。
与传统传感器相比，光纤F-P应变传感器具有灵敏度高、体积小、成本低、抗电磁干扰等优势。在外界应力作用下，光纤F-P腔的腔长发生改变，导致谐振频率发生偏移，通过对光谱数据处理，可以解调出光纤F-P腔频率漂移与应变的线性关系。
典型的光纤F-P应变传感器由单模光纤构成，其缺点在于对温度变化过于敏感，且存在受激布里渊散射等非线性效应，难以适应某些恶劣的工作环境。因此，研究一种高稳定性、高灵敏度，适用于复杂工况的应变传感器具有重大实际意义。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，能够极大程度地消除背景噪声的影响，以高分辨率检测施加在传感器上的应变。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，包括激光模块、PDH频率锁定模块、光纤谐振腔模块和数据处理模块，其特征在于：
所述激光模块，用于通过激光器产生激光并进行激光偏振方向与偏振态调节，提供应变传感检测所需要的激光；
所述光纤谐振腔模块包括两个光纤谐振腔，所述两个光纤谐振腔通过PDH频率锁定模块同时与激光模块中激光器进行频率锁定，以差分形式消除环境背景噪声干扰，并进行应变传感，产生PDH误差信号；
所述数据处理模块，用于检测两个光纤谐振腔的透射信号以辅助所述两个光纤谐振腔与激光器的频率锁定，并进行PDH误差信号分析，实现应变响应能力测量。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述激光模块包括可调二极管激光器LD、激光器驱动Laser Drive、反射镜M1和M2、半波片HP、偏振分束器PBS和偏振控制器PC；
可调二极管激光器LD，用于产生激光光源；
激光器驱动Laser Drive，用于改变激光器电流，进而调节激光器波长；
反射镜M1和M2，用于引导激光；
半波片HP和偏振分束器PBS配合使用，用于调节激光器功率；
偏振控制器，用于控制激光的偏振态。
优选地，所述激光模块中，激光器驱动Laser Drive，用于改变可调二极管激光器LD电流，进而调节可调二极管激光器LD波长，可调二极管激光器LD产生激光，经反射镜M1和M2引导后进入半波片HP，经半波片HP调节激光偏振方向后传输至偏振分束器PBS，偏振分束器PBS将激光偏振分束，P光进入偏振控制器PC，S光进入光阱，偏振控制器PC控制激光的偏振态并将激光传输至PDH频率锁定模块。
优选地，所述可调二极管激光器LD波长1550nm，线宽为6kHz，输出功率为10mW；
激光器驱动Laser Drive包括电流源和温度控制器，电流源的电流噪声密度小于
温度控制器使工作温度变化量小于1mK；
反射镜M1和反射镜M2为平面反射镜，直径25.4mm；
半波片HP工作波长为1550nm，镜片直径为25.4mm；
偏振分束器PBS工作波长为1550nm，P光进入偏振控制器PC，S光进入光阱。
偏振控制器PC工作波长为650～2000nm。
优选地，所述PDH频率锁定模块包括电光调制器EOM、光纤耦合器Coupler、光纤环形器CIR1、CIR2、本地振荡器LO、光电探测器PD1和PD2、混频器Mixer1和Mixer2、低通滤波器LPF1和LPF2、伺服放大器Sero；
电光调制器EOM，用于对激光模块输出激光的相位进行调制，并产生边带；
光纤耦合器Coupler，用于将激光耦合进光纤，并对激光进行分束；
光纤环形器CIR1、CIR2，用于将激光引导进入光纤谐振腔模块的两个光纤谐振腔，并将腔反射光引导至光电探测器PD1和PD2；
本地振荡器LO，用于产生电光调制器EOM的驱动信号；
光电探测器PD1和PD2，用于检测两个光纤谐振腔的反射信号；
混频器Mixer1和Mixer2，用于将两个光纤谐振腔的反射信号和经电光调制器EOM调制后的激光信号混频；
低通滤波器LPF1和LPF2，用于低通滤波；
伺服放大器Sero，用于控制激光器驱动的电流。
优选地，所述PDH频率锁定模块中，本地震荡器LO产生高频信号驱动电光调制器EOM对激光模块产生的激光进行电光调制，经过调制后的激光进入光纤耦合器Coupler；
光纤耦合器Coupler将激光分为两路，分别经光纤环形器CIR1、CIR2传输至光纤谐振腔模块的两个光纤谐振腔，腔反射信号经光纤环形器CIR1、CIR2传输至光电探测器PD1和PD2，光电探测器PD1和PD2探测腔反射信号后分别通过混频器Mixer1和Mixer2与电光调制器EOM调制后的激光相乘，得到PDH误差信号；
PDH误差信号通过低通滤波器LPF1滤波后，作为伺服放大器Sero的驱动信号改变激光器驱动的电流，进而调节激光器的频率，使其与传感光纤谐振腔的谐振频率相匹配，使激光器频率位于谐振腔透射峰的中心，从而将激光器锁定到谐振腔上；
PDH误差信号通过低通滤波器LPF2滤波后传输至数据处理模块，用于应变传感。
优选地，所述电光调制器EOM工作波长为1550nm，调制频率为25MHz；
光纤耦合器Coupler工作波长为1550nm，分束比为50:50，将激光平均分为两路；
光纤环形器CIR1、CIR2均为三通道的光纤环形器，激光从光纤环形器第一端口输入，从第二端口进入光纤谐振腔，同时腔反射信号从第二端口进入，并从第三端口输出；
光电探测器PD1和PD2探测波长范围为900-1700nm，中心波长为1550nm，带宽为17MHz；
伺服放大器Sero的有效带宽为10Hz。
优选地，所述光纤谐振腔模块包括光纤谐振腔FFP1、FFP2、压电模块PZT1、PZT2和振动隔绝平台；
压电模块PZT1、PZT2，分别用于调节光纤谐振腔FFP1、FFP2的腔长；
振动隔绝平台，用于封装光纤谐振腔FFP1、FFP2，消除外界振动因素对装置影响。
优选地，所述光纤谐振腔模块中，光纤谐振腔FFP1作为应变传感腔、FFP2作为参考谐振腔；
激光模块激光器与参考谐振腔频率锁定，激光器频率随着参考谐振腔谐振峰缓慢变化漂移；
通过在应变传感腔的压电模块PZT1上施加不同频率、幅值的谐波信号，实现传感器上不同应变的施加；
通过调节安装在参考谐振腔上的压电模块PZT2的偏置电压，改变参考谐振腔的腔长，此时伺服放大器Sero自动调节激光器频率，使其与参考谐振腔保持谐振；
通过观察应变传感腔的透射信号，使激光器与应变传感腔保持锁定，实现激光器与光纤谐振腔FFP1、FFP2同时谐振；
由于光纤谐振腔FFP1、FFP2经历的环境波动情况相同，且封装在同一振动隔绝平台上，则以差分形式消除环境背景噪声干扰。
优选地，所述光纤谐振腔FFP1、FFP2结构相同，均包括连接的首端单模光纤SM、首端渐变折射率光纤GRIN、嵌套式空心反谐振光纤NANF、尾端渐变折射率光纤GRIN和尾端单模光纤SM；
首端单模光纤SM熔接首端渐变折射率光纤GRIN，尾端单模光纤SM熔接尾端渐变折射率光纤GRIN，以进行模场直径放大，使其与嵌套式空心反谐振光纤NANF的模场相匹配；
所述渐变折射率光纤GRIN端面镀介质涂层，形成光纤谐振腔的腔镜；
所述渐变折射率光纤GRIN与嵌套式空心反谐振光纤NANF通过五轴位移台对齐后，再用紫外胶粘连，形成光纤谐振腔。
优选地，所述单模光纤SM的模场直径为10μm，渐变折射率光纤的纤芯直径为50μm，1/4节距，光纤长度为260μm，反谐振光纤模场直径为24μm；
所述渐变折射率光纤GRIN端面镀13层Ta2O5/SiO2介质涂层，介质涂层在1500-1570nm波段的反射率＞98％；
所述嵌套式空心反谐振光纤NANF的纤芯直径为32.5μm，长度为1m，在1550nm处的损耗为0.28dB/km；
所述光纤谐振腔FFP1、FFP2封装在内壁粘有隔音泡沫的盒子中，再将盒子放置在振动隔绝平台上，以消除外界环境背景噪声对检测装置的影响。
优选地，所述数据处理模块包括光电探测器PD3、PD4、快速傅里叶变换动态信号分析仪DSA、示波器Oscilloscope；
光电探测器PD3、PD4，用于检测光纤谐振腔模块中两个光纤谐振腔的透射信号；
快速傅里叶变换动态信号分析仪DSA，用于分析PDH误差信号；
示波器Oscilloscope，用于观察两个光纤谐振腔的透射信号。
优选地，所述数据处理模块中，在应变传感腔的压电模块PZT1上施加不同频率、幅值的谐波信号时，快速傅里叶变换动态信号分析仪DSA分析PDH误差信号，根据PDH误差信号的陡峭线性斜率测试该装置对应变的响应能力。
本申请所达到的有益效果：
本发明通过引入参考光纤F-P腔，利用频率锁定技术将半导体窄线宽激光器同时锁定至两个高精细度的空心光纤谐振腔上，一个用作参考谐振腔，一个用作应变传感腔。通过这种差分的方式，极大程度地消除了环境背景噪声、振动、温度等因素对传感装置的影响，大大提高了其稳定性，实现应变高灵敏度检测，解决了直接将激光器与谐振腔锁定，产生的信号中会不可避免地携带有很大的背景噪声的问题。
本发明采用最新一代的嵌套式空芯反谐振光纤NANF构成光纤F-P腔，相比于单模光纤，空心光纤具有更低的非线性效应及稳定性，与相同光学长度的单模光纤F-P腔相比，稳定性提高了20倍。
附图说明
图1是本发明一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器的结构图；
图2是本发明实施例中光纤谐振腔模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，包括激光模块、PDH频率锁定模块、光纤谐振腔模块和数据处理模块；
所述激光模块，用于通过激光器产生激光并进行激光偏振方向与偏振态调节，提供应变传感检测所需要的激光；
具体实施时，所述激光模块包括可调二极管激光器LD、激光器驱动Laser Drive、反射镜M1和M2、半波片HP、偏振分束器PBS和偏振控制器PC；
可调二极管激光器LD，用于产生激光光源；
激光器驱动Laser Drive，用于改变激光器电流，进而调节激光器波长；
反射镜M1和M2，用于引导激光；
半波片HP和偏振分束器PBS配合使用，用于调节激光器功率；
偏振控制器，用于控制激光的偏振态。
所述激光模块中，可调二极管激光器LD产生激光，经反射镜M1和M2引导后进入半波片HP，经半波片HP调节激光偏振方向后传输至偏振分束器PBS，偏振分束器PBS将激光偏振分束，P光进入偏振控制器PC，S光进入光阱，偏振控制器PC控制激光的偏振态并将激光传输至PDH频率锁定模块。
其中，半波片HP用于调节激光的偏振方向，通过偏振分束器PBS后得到的P光、S光的振幅大小取决于激光进入PBS时的偏振方向，半波片HP与偏振分束器配合，达到调节激光器功率的目的；后续实验不需要S光，S光进入光阱，光阱吸收这个方向的激光。
所述激光器驱动Laser Drive，用于改变可调二极管激光器LD电流，进而调节可调二极管激光器LD波长；
所述半波片HP和偏振分束器PBS配合使用，用于调节可调二极管激光器LD功率。
所述可调二极管激光器LD波长1550nm，线宽为6kHz，输出功率为10mW；
由于谐振腔对激光波长的变化很敏感，因此要控制激光器工作温度和驱动电流稳定，因此激光器控制部分实际上包括了电流源和温度控制器两部分，两者统称为激光器驱动。
即激光器驱动Laser Drive包括超精细电流源和超稳定温度控制器；电流源的电流噪声密度小于
长期工作温度变化量小于1mK；
激光器驱动Laser Drive包括超精细电流源和超稳定温度控制器，电流噪声密度小，对温度变化不敏感；
反射镜M1和反射镜M2为平面反射镜，直径25.4mm；
半波片HP工作波长为1550nm，镜片直径为25.4mm；
偏振分束器PBS工作波长为1550nm，P光进入偏振控制器PC，S光进入光阱。
由于光纤谐振腔对光的偏振态十分敏感，在电路中引入了偏振控制器，偏振控制器工作波长为650～2000nm，在1550nm处透射率约为90％，偏振消光比为82％，随后激光进入PDH频率锁定模块。
所述光纤谐振腔模块包括两个光纤谐振腔，所述两个光纤谐振腔通过PDH频率锁定模块同时与激光模块中激光器进行频率锁定，以差分形式消除环境背景噪声干扰，并进行应变传感，产生PDH误差信号；
具体实施时，所述PDH频率锁定模块包括电光调制器EOM、光纤耦合器Coupler、光纤环形器CIR1、CIR2、本地振荡器LO、光电探测器PD1和PD2、混频器Mixer1和Mixer2、低通滤波器LPF1和LPF2、伺服放大器Sero；
电光调制器EOM，用于对激光模块输出激光的相位进行调制，并产生边带；
光纤耦合器Coupler，用于将激光耦合进光纤，并对激光进行分束；
光纤环形器CIR1、CIR2，用于将激光引导进入光纤谐振腔模块的两个光纤谐振腔，并将腔反射光引导至光电探测器PD1和PD2；
本地振荡器LO，用于产生电光调制器EOM的驱动信号；
光电探测器PD1和PD2，用于检测两个光纤谐振腔的反射信号；
混频器Mixer1和Mixer2，用于将两个光纤谐振腔的反射信号和经电光调制器EOM调制后的激光信号混频；
低通滤波器LPF1和LPF2，用于低通滤波；
伺服放大器Sero，用于控制激光器驱动的电流。
所述PDH频率锁定模块中，本地震荡器LO产生高频信号驱动电光调制器EOM对激光模块产生的激光进行电光调制，经过调制后的激光进入光纤耦合器Coupler；
光纤耦合器Coupler将激光分为两路，分别经光纤环形器CIR1、CIR2传输至光纤谐振腔模块的两个光纤谐振腔，腔反射信号经光纤环形器CIR1、CIR2传输至光电探测器PD1和PD2，光电探测器PD1和PD2探测腔反射信号后分别通过混频器Mixer1和Mixer2与电光调制器EOM调制后的激光相乘，得到PDH误差信号；
PDH误差信号通过低通滤波器LPF1滤波后，作为伺服放大器Sero的驱动信号改变激光器驱动的电流，进而调节激光器的频率，使其与传感光纤谐振腔的谐振频率相匹配，使激光器频率位于谐振腔透射峰的中心，从而将激光器锁定到谐振腔上；
PDH误差信号通过低通滤波器LPF2滤波后传输至数据处理模块，用于应变传感。
低通滤波器LPF1和LPF2选用相同的滤波器，进行相同的滤波，LPF1出来后的误差信号用于将激光器与参考谐振腔锁定；由于施加在应变传感腔上的应变会使应变传感腔的谐振频率漂移，谐振频率与激光器频率的这种偏移会使得PDH误差信号发生改变，因此应变传感腔的PDH误差信号(经过LPF2输出的)可用来测量这种由应变引起的频率偏移，用作应变传感。
所述电光调制器EOM工作波长为1550nm，调制频率为25MHz；
光纤耦合器Coupler工作波长为1550nm，分束比为50:50，将激光平均分为两路；
光纤环形器CIR1、CIR2均为三通道的光纤环形器，激光从光纤环形器第一端口输入，从第二端口进入光纤谐振腔，同时腔反射信号从第二端口进入，并从第三端口输出；
光电探测器PD1和PD2探测波长范围为900-1700nm，中心波长为1550nm，带宽为17MHz；
伺服放大器Sero的有效带宽为10Hz，允许激光器频率跟随谐振腔波动缓慢漂移。
所述光纤谐振腔模块包括光纤谐振腔FFP1、FFP2、压电模块PZT1、PZT2、振动隔绝平台；
压电模块PZT1、PZT2，分别用于调节光纤谐振腔FFP1、FFP2的腔长；
振动隔绝平台，用于封装光纤谐振腔FFP1、FFP2，消除外界振动因素对装置影响。
所述光纤谐振腔模块中，光纤谐振腔FFP1作为应变传感腔、FFP2作为参考谐振腔；
激光模块激光器与参考谐振腔频率锁定，激光器频率随着参考谐振腔谐振峰缓慢变化漂移；
通过在应变传感腔的压电模块PZT1上施加不同频率、幅值的谐波信号，实现传感器上不同应变的施加；
具体实施时，激光器频率锁定在应变传感腔的透射峰的中心后，可以利用PDH误差信号的陡峭线性斜率，作为应变引起的频率偏移提示量；
在应变传感腔的压电模块PZT1上施加不同频率、幅值的谐波信号(即为施加在传感器上的应变)，后续通过快速傅里叶变换分析仪分析传感腔的PDH误差信号，可以实现传感腔对不同应变的响应能力测试。
通过调节安装在参考谐振腔上的压电模块PZT2的偏置电压，改变参考谐振腔的腔长，此时伺服放大器Sero自动调节激光器频率，使其与参考谐振腔保持谐振；
结合锁定过程为：PDH误差信号通过低通滤波器LPF1滤波后，作为伺服放大器Sero的驱动信号改变激光器驱动的电流，进而调节激光器的频率，使其与传感光纤谐振腔的谐振频率相匹配，使激光器频率位于谐振腔透射峰的中心，从而将激光器锁定到谐振腔上，实现频率锁定。
施加电压可以使压电模块发生位移，进而改变腔长,PZT1上不需要施加电压，而是施加不同振幅、频率的信号。
通过示波器观察应变传感腔的透射信号，使激光器与应变传感腔保持锁定，实现激光器与光纤谐振腔FFP1、FFP2同时谐振；
由于光纤谐振腔FFP1、FFP2经历的环境波动情况相同，且封装在同一振动隔绝平台上，则以差分形式消除环境背景噪声干扰。
如图2所示，所述光纤谐振腔FFP1、FFP2结构相同，均包括连接的首端单模光纤SM、首端渐变折射率光纤GRIN、嵌套式空心反谐振光纤NANF、尾端渐变折射率光纤GRIN和尾端单模光纤SM；
首端单模光纤SM熔接首端渐变折射率光纤GRIN，尾端单模光纤SM熔接尾端渐变折射率光纤GRIN，以进行模场直径放大，使其与嵌套式空心反谐振光纤NANF的模场相匹配；
所述渐变折射率光纤GRIN端面镀有介质涂层作为高反膜，作为光纤谐振腔的腔镜；
所述渐变折射率光纤GRIN与嵌套式空心反谐振光纤NANF通过五轴位移台对齐后，再用紫外胶粘连，形成光纤谐振腔。
单模光纤SM的模场直径为10μm，通过熔接一段一定长度的渐变折射率光纤(纤芯直径为50μm，1/4节距，长度为260μm，通过渐变折射率光纤后模场直径放大为23.2μm)，使其与反谐振光纤(24μm)的模场相匹配，使得模式匹配效率可达99％；
所述渐变折射率光纤GRIN端面镀13层Ta2O5/SiO2介质涂层，介质涂层在1500-1570nm波段的反射率＞98％，光纤谐振腔精细度约为2000；
所述嵌套式空心反谐振光纤NANF的纤芯直径为32.5μm，长度为1m，在1550nm处的损耗为0.28dB/km；
进一步的，所述光纤谐振腔FFP1、FFP2封装在内壁粘有隔音泡沫的盒子中，再将盒子放置在振动隔绝平台上，以消除外界环境背景噪声对检测装置的影响。
所述光纤谐振腔模块中，两个光纤谐振腔以差分形式消除环境背景噪声干扰，并进行应变传感的具体工作原理为：
由于光纤谐振腔的谐振频率会随着温度、腔长的微小改变而发生漂移，在实际操作过程中无法完全消除这些因素对腔稳定性的影响，因此采用两个光纤谐振腔FFP1、FFP2，一个作为参考谐振腔(FFP2)，一个用作应变传感腔(FFP1)；
由于伺服放大器的锁定带宽很窄，首先将激光器与参考谐振腔频率锁定，允许激光器频率随着参考谐振腔谐振峰缓慢变化漂移；
再调节安装在参考谐振腔上的压电模块(PZT2)的偏置电压，改变参考谐振腔的腔长，这时伺服放大器会自动调节激光器频率，使其与参考谐振腔保持谐振；
通过示波器观察传感腔的透射信号，使激光器与应变传感腔保持锁定，由此实现激光器与两个谐振腔同时谐振；
由于两个谐振腔经历的环境波动情况相同，且封装在同一振动隔绝平台上，通过这种差分的方式间接消除了环境噪声带来的随机扰动。
所述数据处理模块，用于检测两个光纤谐振腔的透射信号以辅助所述两个光纤谐振腔与激光器的频率锁定，并进行PDH误差信号分析，实现应变响应能力测量。
具体实施时，所述数据处理模块包括光电探测器PD3、PD4、快速傅里叶变换动态信号分析仪DSA、示波器Oscilloscope；
光电探测器PD3、PD4，用于检测光纤谐振腔模块中两个光纤谐振腔的透射信号；
快速傅里叶变换动态信号分析仪DSA，用于分析PDH误差信号；
示波器Oscilloscope，用于观察两个光纤谐振腔的透射信号。通过示波器Oscilloscope观察光纤谐振腔模块中应变传感腔的透射信号，使激光器与应变传感腔保持锁定，实现激光器与光纤谐振腔FFP1、FFP2同时谐振。
通过将激光器频率锁定在应变传感腔的谐振峰中心，能够利用PDH误差信号的陡峭线性斜率，作为高灵敏度频率鉴别器来测量由应变引起的频率偏移。
所述数据处理模块中，光电探测器PD3、PD4分别将应变传感腔、参考谐振腔的透射光信号转换为电信号，并从示波器Oscilloscope上检测腔的透射信号；
当频率锁定时，可以观测到腔的透射信号稳定在一个较大值，反之透射信号较小并不断波动；
在调节参考谐振腔上压电模块PZT2的偏置电压时，激光器波长与参考谐振腔在锁定的同时，会随着参考谐振腔的频率漂移而缓慢漂移，随着激光器频率的变化，应变传感腔的透射信号幅值也会呈现周期性的变化，通过观测传感腔的透射信号，在其极大值时停止调节压电模块的电压，使激光器同时两个腔锁定；
这时在应变传感腔的压电模块PZT1上施加一定频率、幅值的谐波信号，由于传感腔的腔长在应变作用下发生了改变，应变传感腔的谐振频率发生漂移，而传感腔的透射信号、PDH误差信号发生对频率改变十分敏感；
这时通过快速傅里叶变换动态信号分析仪、示波器分别读取误差信号及腔透射信号，就能得到光纤谐振腔对该频率、幅值下应变的响应；
改变应变的幅值并重复测量，就能得到在此频率下光纤谐振腔频率对应变的线性响应关系。
背景噪声(包括光电探测器、快速傅里叶变换分析仪的电子噪声；光纤的热噪声；机械振动噪声等)是限制传感器分辨率的主要因素。在无外加应力施加时，通过快速傅里叶变化分析仪分析传感光纤谐振腔的频率响应，得到了4Hz到10kHz范围内传感器对应变的分辨率。具体而言，在1-10kHz内得到应变分辨率为
在4Hz-20Hz的次声波范围内，分辨率达到
本发明进行应变传感的过程为：
用于应变传感的光纤谐振腔和用于对照参考的光纤谐振腔封装在同一个振动隔绝平台上；
实现通过PDH锁频技术将激光器与参考谐振腔锁定，稳定后可以发现参考谐振腔的透射稳定在一个较大值、PDH误差信号接近于0，但存在有一定的高频噪声，这表明激光器与参考谐振腔锁定，并跟随着参考谐振腔的频率漂移；
再通过调节施加在参考谐振腔PZT上的偏置电压，改变参考谐振腔的腔长，这时激光器的频率相应地发生改变，以保持与参考谐振腔谐振；
在参考谐振腔PZT电压改变时，应变传感腔的透射峰值会发生周期性的变化，当透射信号最大时，停止改变PZT上的电压，使激光器与两个谐振腔同时谐振；
由于两个谐振腔处于同样的环境，通过这种差分的方式有效地消除了背景噪声的干扰；
在应变传感腔的PZT上施加某一频率、幅值的PDH误差信号，传感腔的腔长在应变作用下发生改变、谐振频率发生漂移；
通过快速傅里叶变换动态信号分析仪、示波器分别读取误差信号及腔透射信号，就能得到在该频率下光纤谐振腔对应变的响应；
改变应变的幅值并重复测量，可以得到在此频率下光纤谐振腔频率对应变的线性响应关系；
改变施加应变的频率，可以获得不同波段作用下传感器对应变的响应；应变的分辨率取决于噪声，在无外加应力施加时，通过快速傅里叶变化分析仪观察传感光纤谐振腔的频率响应，得到传感器的分辨率(对应变的最低检测能力)。
激光器驱动器、光探等设备所携带的电子噪声，以及谐振腔本身由于环境变化产生的谐振峰漂移，都会产生很大的低频背景噪声，由于差分式光纤谐振腔有效地抑制了这种背景噪声，因此在次声波段表现出了更高的分辨率，这是单个光纤谐振腔无法达到的效果。
综上所述，本发明通过引入参考光纤F-P腔，利用频率锁定技术将半导体窄线宽激光器同时锁定至两个高精细度的空心光纤谐振腔上，一个用作参考谐振腔，一个用作应变传感腔。通过这种差分的方式，极大程度地消除了环境背景噪声、振动、温度等因素对传感装置的影响，大大提高了其稳定性，实现应变高灵敏度检测，解决了直接将激光器与谐振腔锁定，产生的信号中会不可避免地携带有很大的背景噪声的问题。
本发明采用最新一代的嵌套式空芯反谐振光纤NANF构成光纤F-P腔，相比于单模光纤，空心光纤具有更低的非线性效应及稳定性，与相同光学长度的单模光纤F-P腔相比，稳定性提高了20倍。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，包括激光模块、PDH频率锁定模块、光纤谐振腔模块和数据处理模块，其特征在于：
所述激光模块，用于通过激光器产生激光并进行激光偏振方向与偏振态调节，提供应变传感检测所需要的激光；
所述光纤谐振腔模块包括两个光纤谐振腔，所述两个光纤谐振腔通过PDH频率锁定模块同时与激光模块中激光器进行频率锁定，以差分形式消除环境背景噪声干扰，并进行应变传感，产生PDH误差信号；
所述数据处理模块，用于检测两个光纤谐振腔的透射信号以辅助所述两个光纤谐振腔与激光器的频率锁定，并进行PDH误差信号分析，实现应变响应能力测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述激光模块包括可调二极管激光器LD、激光器驱动Laser Drive、反射镜M1和M2、半波片HP、偏振分束器PBS和偏振控制器PC；
可调二极管激光器LD，用于产生激光光源；
激光器驱动Laser Drive，用于改变激光器电流，进而调节激光器波长；
反射镜M1和M2，用于引导激光；
半波片HP和偏振分束器PBS配合使用，用于调节激光器功率；
偏振控制器，用于控制激光的偏振态。
3.根据权利要求2所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述激光模块中，激光器驱动Laser Drive，用于改变可调二极管激光器LD电流，进而调节可调二极管激光器LD波长；可调二极管激光器LD产生激光，经反射镜M1和M2引导后进入半波片HP；经半波片HP调节激光偏振方向后传输至偏振分束器PBS，偏振分束器PBS将激光偏振分束，P光进入偏振控制器PC，S光进入光阱，偏振控制器PC控制激光的偏振态并将激光传输至PDH频率锁定模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述可调二极管激光器LD波长1550nm，线宽为6kHz，输出功率为10mW；
激光器驱动Laser Drive包括电流源和温度控制器，电流源的电流噪声密度小于
温度控制器使工作温度变化量小于1mK；
反射镜M1和反射镜M2为平面反射镜，直径25.4mm；
半波片HP工作波长为1550nm，镜片直径为25.4mm；
偏振分束器PBS工作波长为1550nm，P光进入偏振控制器PC，S光进入光阱；
偏振控制器PC工作波长为650～2000nm。
5.根据权利要求4所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述PDH频率锁定模块包括电光调制器EOM、光纤耦合器Coupler、光纤环形器CIR1、CIR2、本地振荡器LO、光电探测器PD1和PD2、混频器Mixer1和Mixer2、低通滤波器LPF1和LPF2、伺服放大器Sero；
电光调制器EOM，用于对激光模块输出激光的相位进行调制，并产生边带；
光纤耦合器Coupler，用于将激光耦合进光纤，并对激光进行分束；
光纤环形器CIR1、CIR2，用于将激光引导进入光纤谐振腔模块的两个光纤谐振腔，并将腔反射光引导至光电探测器PD1和PD2；
本地振荡器LO，用于产生电光调制器EOM的驱动信号；
光电探测器PD1和PD2，用于检测两个光纤谐振腔的反射信号；
混频器Mixer1和Mixer2，用于将两个光纤谐振腔的反射信号和经电光调制器EOM调制后的激光信号混频；
低通滤波器LPF1和LPF2，用于低通滤波；
伺服放大器Sero，用于控制激光器驱动的电流。
6.根据权利要求5所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述PDH频率锁定模块中，本地震荡器LO产生高频信号驱动电光调制器EOM对激光模块产生的激光进行电光调制，经过调制后的激光进入光纤耦合器Coupler；
光纤耦合器Coupler将激光分为两路，分别经光纤环形器CIR1、CIR2传输至光纤谐振腔模块的两个光纤谐振腔，腔反射信号经光纤环形器CIR1、CIR2传输至光电探测器PD1和PD2，光电探测器PD1和PD2探测腔反射信号后分别通过混频器Mixer1和Mixer2与电光调制器EOM调制后的激光相乘，得到PDH误差信号；
PDH误差信号通过低通滤波器LPF1滤波后，作为伺服放大器Sero的驱动信号改变激光器驱动的电流，进而调节激光器的频率，使其与传感光纤谐振腔的谐振频率相匹配，使激光器频率位于谐振腔透射峰的中心，从而将激光器锁定到谐振腔上；
PDH误差信号通过低通滤波器LPF2滤波后传输至数据处理模块，用于应变传感。
7.根据权利要求6所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述电光调制器EOM工作波长为1550nm，调制频率为25MHz；
光纤耦合器Coupler工作波长为1550nm，分束比为50:50，将激光平均分为两路；
光纤环形器CIR1、CIR2均为三通道的光纤环形器，激光从光纤环形器第一端口输入，从第二端口进入光纤谐振腔，同时腔反射信号从第二端口进入，并从第三端口输出；
光电探测器PD1和PD2探测波长范围为900-1700nm，中心波长为1550nm，带宽为17MHz；
伺服放大器Sero的有效带宽为10Hz。
8.根据权利要求7所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述光纤谐振腔模块包括光纤谐振腔FFP1、FFP2、压电模块PZT1、PZT2和振动隔绝平台；
压电模块PZT1、PZT2，分别用于调节光纤谐振腔FFP1、FFP2的腔长；
振动隔绝平台，用于封装光纤谐振腔FFP1、FFP2，消除外界振动因素对装置影响。
9.根据权利要求8所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述光纤谐振腔模块中，光纤谐振腔FFP1作为应变传感腔、FFP2作为参考谐振腔；
激光模块激光器与参考谐振腔频率锁定，激光器频率随着参考谐振腔谐振峰缓慢变化漂移；
通过在应变传感腔的压电模块PZT1上施加不同频率、幅值的谐波信号，实现传感器上不同应变的施加；
通过调节安装在参考谐振腔上的压电模块PZT2的偏置电压，改变参考谐振腔的腔长，此时伺服放大器Sero自动调节激光器频率，使其与参考谐振腔保持谐振；
通过观察应变传感腔的透射信号，使激光器与应变传感腔保持锁定，实现激光器与光纤谐振腔FFP1、FFP2同时谐振；
由于光纤谐振腔FFP1、FFP2经历的环境波动情况相同，且封装在同一振动隔绝平台上，则以差分形式消除环境背景噪声干扰。
10.根据权利要求9所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述光纤谐振腔FFP1、FFP2结构相同，均包括连接的首端单模光纤SM、首端渐变折射率光纤GRIN、嵌套式空心反谐振光纤NANF、尾端渐变折射率光纤GRIN和尾端单模光纤SM；
首端单模光纤SM熔接首端渐变折射率光纤GRIN，尾端单模光纤SM熔接尾端渐变折射率光纤GRIN，以进行模场直径放大，使其与嵌套式空心反谐振光纤NANF的模场相匹配；
所述渐变折射率光纤GRIN端面镀介质涂层，形成光纤谐振腔的腔镜；
所述渐变折射率光纤GRIN与嵌套式空心反谐振光纤NANF通过五轴位移台对齐后，再用紫外胶粘连，形成光纤谐振腔。
11.根据权利要求10所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述单模光纤SM的模场直径为10μm，渐变折射率光纤的纤芯直径为50μm，1/4节距，光纤长度为260μm，反谐振光纤模场直径为24μm；
所述渐变折射率光纤GRIN端面镀13层Ta2O5/SiO2介质涂层，介质涂层在1500-1570nm波段的反射率＞98％；
所述嵌套式空心反谐振光纤NANF的纤芯直径为32.5μm，长度为1m，在1550nm处的损耗为0.28dB/km。
12.根据权利要求11所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述数据处理模块包括光电探测器PD3、PD4、快速傅里叶变换动态信号分析仪DSA、示波器Oscilloscope；
光电探测器PD3、PD4，用于检测光纤谐振腔模块中两个光纤谐振腔的透射信号；
快速傅里叶变换动态信号分析仪DSA，用于分析PDH误差信号；
示波器Oscilloscope，用于观察两个光纤谐振腔的透射信号。
13.根据权利要求12所述的一种基于差分式光纤谐振腔的高分辨率应变传感器，其特征在于：
所述数据处理模块中，在应变传感腔的压电模块PZT1上施加不同频率、幅值的谐波信号时，快速傅里叶变换动态信号分析仪DSA分析PDH误差信号，根据PDH误差信号的陡峭线性斜率测试该传感器对应变的响应能力。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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