CN203100689U

CN203100689U - 一种高分辨率大量程光纤应变传感器及其探头

Info

Publication number: CN203100689U
Application number: CN 201220531998
Authority: CN
Inventors: 刘庆文; 何祖源
Original assignee: WUXI LIANHE PHOTON TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI LIANHE PHOTON TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2022-10-17

Abstract

本实用新型公布了一种高分辨率大量程光纤应变传感器探头，其包括一个具有作为参考的光纤环形腔和一个用于测量应变的光纤光栅；所述光纤环形腔和光纤光栅位置彼此靠近。一种高分辨率大量程光纤应变传感器，激光器产生的激光经分光束器后，一路光经位相调制器后用于探测传感器的光纤环形腔，另一路光经过强度调制器后，产生的光学边带信号用于探测传感器的光纤光栅；上述探测信号的反射光经光强度信号转换装置转换成强度信号，再由解调器解调，用于控制激光器的中心频率和边带信号发生器的中心频率。本实用新型传感器可以较低的边带调制频率实现超过1000micro-strain的应变测量范围，同时保持超高的应变测量精度。避免了激光波长的扫描过程，能够实现高速测量。

Description

一种高分辨率大量程光纤应变传感器及其探头

技术领域

本实用新型涉及一种高分辨率大量程光纤应变传感器，利用光纤器件作为探头，对地壳形变等进行精确测量。

背景技术

火山和地震等自然灾害的研究和预测是人口密集地区的重要社会课题。在这一领域，为了掌握地壳的运动和应力状态，需要在尽可能多的地点对地壳的形变进行长期的监测。地壳形变的周期覆盖从几十毫秒到无限长时间的准静态范围内，而且其波动的幅度从几个nano-strain（纳米应变）到几百个micro-strain（微米应变）不等。为了准确地获取地壳的形变信息，所用的传感器需要具有静态应变的测量能力，超高的应变测量精度以及大的测量范围。

当前地球物理领域所用的地壳应变传感器有伸缩应变计和激光干涉仪应变计等。这些仪器不仅自身价格昂贵，而且体积庞大，长度达到几米到上百米。由于这类传感器通常需要安装在地下以避免来自地面的干扰，如此大的尺寸不仅使得安装传感器的工程量非常庞大，安装的位置也受到环境的极大限制，难以大规模地推广安装，不适合构建监测地壳形变的传感器网络。

光纤传感器由于其体积小，重量轻，安装方便，不易受化学物质腐蚀，不受电磁辐射干扰，能够远程传感和多点化传感的优点，非常适合于应变的检测，已经广泛应用于建筑物健康监测与智能材料之中。但是，已有的光纤传感器的技术指标尚不能完全满足地壳应变传感的需求。目前工作于准静态领域的光纤应变传感器的测量精度多数在1micro-strain量级，远远不能达到地壳应变的nano-strain级别的精度需求。

有一种高精度光纤准静态应变传感器采用原子光谱作为参考(T.T.Y.Lam,et al.,"High-resolution absolute frequency referenced fiber optic sensor for quasi-static strain sensing,"Applied Optics,vol.49,pp.4029-4033,2010)，该类型传感器的量程受限于原子光谱的带宽，应变测量量程只有几个micro-strain。另一种大量程静态应变传感器采用可调谐激光器来扫描一对光纤光栅，获得了超过100micro-strain（微米应变）的静态应变(Q.Liu,et al.,"Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique,"Opt.Lett.,vol.36,pp.4044-4046,2011).，但是其测量精度受到激光器波长调谐中的非线性的影响，难以获得高精度。另一种高精度应变传感器采用一种边带探测技术并用波长可调谐激光器来探测一对相同的光纤探头获得了高的应变精度(Q.Liu,et al.,"Sub-nano resolution fiber optic static strain sensor using a sideband interrogation technique," Opt.Lett.,37(3):434-436(2012))，但是其测量范围受限于边带调制信号的频率范围，测量速度也比较慢。同时能实现超高应变精度和超大应变测量量程的光纤应变传感技术，之前还没有好的方法。

实用新型内容

本实用新型目的在于针对地壳应变测量领域的应用，提供一种具有超高应变分辨率和超大测量量程的光纤传感器及其探头，能有效地对地壳的形变进行检测。

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种高分辨率大量程光纤应变传感器探头，其特征在于：其包括一个具有作为参考的光纤环形腔和一个用于测量应变的光纤光栅；所述光纤环形腔和光纤光栅位置彼此靠近。

其进一步特征在于：所述光纤光栅为普通光栅或位相移动光栅。

进一步的：：激光束经光回旋器，再经光分束器耦合进入光纤环形腔，透射激光束经过光回旋器回到入射光纤，用一根光纤实现上行光和下行光的复用。

一种高分辨率大量程光纤应变传感器，其特征在于：其包括激光器、信号发生器、边带信号发生器、位相调制器、强度调制器、分光束器、光回旋器、光强度信号转换装置、解调器和传感器探头；激光器产生的激光经分光束器后，一路光经位相调制器后用于探测传感器的光纤环形腔，另一路光经过强度调制器后，产生的光学边带信号用于探测传感器的光纤光栅；上述探测信号的反射光经光强度信号转换装置转换成强度信号，再由解调器解调，用于控制激光器的中心频率和边带信号发生器的中心频率。

其进一步特征在于：所述边带信号发生器内部包含一个I/Q射频信号调制器，输出强度调制器所用的调制信号。

本实用新型传感器可以较低的边带调制频率实现超过1000micro-strain的应变测量范围，同时保持超高的应变测量精度。由于利用了将激光和边带频率分别锁定光纤环形腔fiber ring和光纤光栅FBG的方法，避免了激光波长的扫描过程，能够实现高速测量。

附图说明

图1为本实用新型传感器探头示意图。图中，参考（Reference），测量（Measuring），环（ring），位相移动光栅（π-phase shifted FBG），CIR是光回旋器，CP是光分束器。

图2为本实用新型传感器示意图。图中，电脑（computer），激光器（laser），FG是信号发生器，PM是位相调制器，IM是光强调制器，CP是光分束器，CIR是光回旋器，解调器（Demodulator），光强度信号转换装置（PD），传感探头（sensor head），边带信号发生器（sideband generator），激光锁相（lock loop for laser），边带锁相（lock loop for sideband），FG （Mod）是调制用射频信号发生器。

图3为边带调制信号发生器的示意图。图中I/Q Quadrature modulator是I/Q调制器，Quadrature phase splitter是π/2分相器，FG（Lo）是高频射频信号发生器，FG（Mod）是调制用射频信号发生器，Output是输出信号。

图4为实验原理示意图。图中spectrum of fiber ring为光纤环形腔的光谱，spectrum of π-phase shifted FBG为位相移动光栅的光谱，sideband为边带，laser为激光。

图5为解调信号曲线。图中横轴为激光器的调谐频率（frequency deviation），纵轴为解调信号的强度。

具体实施方式

如图1所示一种高分辨率大量程光纤应变传感器探头，具有作为参考的一个光纤环形腔（fiber ring）和一个用于测量应变的光纤光栅（FBG，包括普通光栅和位相移动光栅π-phase shifted FBG，位相移动光栅具有更好的性能）。光纤光栅（FBG）是应变测量部件，待测形变即施加在光纤光栅FBG上；光纤环形腔（fiber ring）是参考部件，不受外界应变的影响。光纤环形腔（Fiber ring）与光纤光栅（FBG）的位置彼此靠近，以达到两者具有相同温度的目的。光纤光栅（FBG）具有一个谐振频率（该谐振频率对于普通光纤光栅（FBG）而言，是指具有高反射率处的光频率；对于位相移动光栅（π-phase shifted FBG）而言，是指高反射率频率范围内的非常狭窄的高透射率光频率），该频率是待测应变和温度的线性函数，而光纤环形腔（fiber ring）具有一些系列分立的谐振频率，其谐振频率只受温度的影响。通过比较光纤光栅（FBG）的谐振频率与光纤环形腔（fiber ring）的谐振频率，就可以得到应变的信息。由于光纤环形腔（fiber ring）具有一系列的间隔均匀的谐振频率，因此对于任意的光纤光栅（FBG）的谐振频率，光纤环形腔（fiber ring）总是存在一个临近的谐振频率作为比较的对象。

如图2所示的一种高分辨率大量程光纤应变传感器，激光器（Laser）发出的光被分光器（CP）分成为两路，一路光被位相调制器（PM）位相调制，用于探测传感探头的光纤环形腔（fiber ring），返回的光被光强度信号转换装置（PD）转换成强度信号，再由位相解调器（Demodulator）解调，利用解调器（Demodulator）输出的信号作为反馈信号，调谐激光器（Laser）的中心频率使之锁定到光纤环形腔（fiber ring）的一个谐振频率上。分光器（CP）输出的另一路光经过强度调制器（IM）强度调制后，利用调制产生的一组边带信号探测传感探头中的光纤光栅（FBG），返回的光被光强度信号转换装置（PD）转换成强度信号，再由位相解调器（Demodulator）解调，利用解调器（Demodulator）输出的信号作为反馈信号，调整强度调制信号的中心频率，从而把一组边带光信号的中心频率锁定到光纤光栅（FBG）的谐振频率上。此时，待测的应变信号即可由强度调制信号的中心频率计算出来。

图3是边带调制信号发生器，用于产生驱动强度调制器所用的射频信号。强度调制器（IM）的驱动信号需要包含三个具有固定位相和强度关系的频率成分：

IM:k·sin(Ω_St)+sin(Ω_St+Ω_Mt)-sin(Ω_St-Ω_Mt)＝k·sin(Ω_St)+2·sin(Ω_St)·cos(Ω_Mt)

式中k是一个常数，k=2时系统具有最优化的性能。所涉及的边带信号发生器，包含一个正交的I/Q射频调制器，利用两组射频信号Ω_M和Ω_S产生所需要的强度调制器（IM）驱动信号。利用该信号对激光进行强度调制，将产生两组关于激光中心频率对称的边带，每组边带的中心频率均偏离激光的中心频率达Ω_S，同时其瞬时频率以频率Ω_M呈正弦规律变化。通过调整激光器的中心频率和Ω_S的大小，将一组边带信号调整到与光纤光栅（FBG）传感器的谐振频率一致并保持锁定。

如图2所示，激光分成两路后，一路激光被位相调制，其中心频率呈正弦规律变化；另一路被强度调制，产生的边带的中心频率呈正弦规律变化。这两路探测光信号分别用来探测传感器探头的光纤环形腔（fiber ring）和光纤光栅（FBG），如图4所示。探测激光从传感探头返回后，探测光中心频率的变化被转换光信号的强度变化。通过比较反射光强度信号的位相与调制信号的位相，得到解调输出信号。在一定频率范围内，该输出信号是光频率与光纤环形腔（fiber ring）（或者光纤光栅（FBG））的谐振频率差的线性函数，并且当频率差为0时，输出信号幅值也为0，如图5所示。利用该输出信号，即可将两路探测光的中心频率分别锁定到光纤环形腔（fiber ring）和光纤光栅（FBG）的谐振频率上。

此时，激光边带的调制频率（ΩS）就等同于光纤环形腔（fiber ring）和光纤光栅（FBG）的谐振频率之差。光纤光栅（FBG）和光纤环形腔（fiber ring）的谐振频率都是温度和应变的线性函数，传感探头的设计使得它们具有相同的温度，而只有光纤光栅（FBG）受到待测应变ε的影响，因此它们的谐振频率差是待测应变ε的线性函数。Fiber ring具有一系列具有固定间隔（FSR）的谐振频率，对于任意的光纤光栅（FBG）的谐振频率，都有相邻的谐振频率作为比较的基准，因此，以某个选定的光纤环形腔（fiber ring）的谐振频率为基准，待测应变可表示为：

ε＝a·(j·FSR+Ω_S)

式中a是光纤光栅（FBG）的应变-频率常数，j是选定的基准频率与光纤光栅（FBG）谐振频率差中FSR的整数倍部分。该传感器可以较低的边带调制频率实现超过1000micro-strain （微米应变）的应变测量范围，同时保持超高的应变测量精度。由于利用了将激光和边带频率分别锁定光纤环形腔（fiber ring）和光纤光栅（FBG）的方法，避免了激光波长的扫描过程，能够实现高速测量。

Claims

1.一种高分辨率大量程光纤应变传感器探头，其特征在于：其包括一个具有作为参考的光纤环形腔和一个用于测量应变的光纤光栅；所述光纤环形腔和光纤光栅位置彼此靠近。

2.根据权利要求1所述的高分辨率大量程光纤应变传感器探头，其特征在于：所述光纤光栅为普通光栅或位相移动光栅。

3.根据权利要求1所述的高分辨率大量程光纤应变传感器探头，其特征在于：激光束经光回旋器，再经光分束器耦合进入光纤环形腔，透射激光束经过光回旋器回到入射光纤。

4.一种高分辨率大量程光纤应变传感器，其特征在于：其包括激光器、信号发生器、边带信号发生器、位相调制器、强度调制器、分光束器、光回旋器、光强度信号转换装置、解调器和传感器探头；激光器产生的激光经分光束器后，一路光经位相调制器后用于探测传感器的光纤环形腔，另一路光经过强度调制器后，产生的光学边带信号用于探测传感器的光纤光栅；上述探测信号的反射光经光强度信号转换装置转换成强度信号，再由解调器解调，用于控制激光器的中心频率和边带信号发生器的中心频率。

5.根据权利要求4所述的高分辨率大量程光纤应变传感器，其特征在于：所述边带信号发生器内部包含一个I/Q射频信号调制器，输出强度调制器所用的调制信号。