CN205037875U - 光纤光栅应变传感系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤传感技术领域的光纤光栅应变传感系统，包括：第一反馈回路、第二反馈回路、电信号发生器和处理模块，其中：电信号发生器分别与第一反馈回路、第二反馈回路相连并输出电信号，第一反馈回路与第二反馈回路相连并传输经相位调制的激光信号，第二反馈回路与处理模块相连并传输经解调的低频信号；所述的第一反馈回路实现激光对参考光栅透射峰中心的跟随，所述的第二反馈回路实现强度调制一阶边带对传感光栅的跟随，从而实现对应变信号的快速传感。本实用新型采用双反馈回路结构实现了同时具有传感速率高、测量范围大、长期稳定性好的超高精度光纤应变传感器。

Description

光纤光栅应变传感系统

技术领域

本实用新型涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是采样率达到kS/s级、分辨率达到皮应变级且具有高长期稳定性的光纤光栅应变传感系统。

背景技术

进行地球物理学相关研究，如：地质构造中地壳的微变过程，地震、火山等地质灾害监测，所涉及待测物理场的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、绝对精度及动态范围等指标提出了很高的要求，而为捕获剧烈地质活动发生时次声波频段的应变信号，还需要传感器具有较高的传感取样速率。

高精度的光纤光栅应变传感器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，可以拥有完成上述工作。这类传感器的解调方案大致可分为两种：一类是基于Pound‐Drever‐Hall技术通过快速反馈实现高精度的静态应变传感，其特点是：系统传感带宽较高，在较高频率时(1Hz～1kHz)具有较高的分辨率，但由于没有补偿系统，其长期稳定性差，系统无法将真正的应变信号与各器件的漂移(例如温度变化导致的激光器中心波长漂移)区分出来，这大大降低了测得应变信号的绝对精度与系统的长期稳定性，对于低频信号(<10Hz)的分辨率较低，且随着频率的降低，其误差快速上升。另一类系统是基于双光栅结构(传感光栅加参考光栅，参考光栅起补偿作用)，基于扫频光源获得频谱，该类系统测量低频信号时的性能会有较大提高，但受到光源扫频速率的限制(由于光源扫频时还需要保持窄线宽与扫频线性度，因此扫频率速率一般为每秒几次至几十次)，系统的传感带宽很低(通常为几Hz甚至更低)。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种光纤光栅应变传感系统，其测量精度达到皮应变级别，传感取样速率达到kS/s，同时具有很好的长期稳定性的特点。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型包括：第一反馈回路、第二反馈回路、电信号发生器和处理模块，其中：电信号发生器分别与第一反馈回路、第二反馈回路相连并输出电信号，第一反馈回路与第二反馈回路相连并传输经相位调制的激光信号，第二反馈回路与处理模块相连并传输经解调的低频信号；

所述的第一反馈回路包括：依次相连的第一电信号相位解调模块、第一控制电路、激光器、光相位调制器、光耦合器、第一光环行器、参考光栅以及输入端和输出端分别与第一光环行器和第一电信号相位解调模块相连的第一光电探测器；

所述的第二反馈回路包括：依次相连的第二电信号相位解调模块、第二控制电路、射频信号发生模块、光强度调制器、第二光环行器、传感光栅以及输入端和输出端分别与第二光环行器和第二电信号相位解调模块相连的第二光电探测器；

所述的光耦合器的一个输出端与光强度调制器的一个输入端相连。

所述的低频信号是指入射光中心频率与传感光栅透射中心频率差。

技术效果

与现有技术相比，本实用新型的技术效果包括：

1)采用具有超窄激射窗口的相移布拉格光栅作为应变传感探头，能够实现极高的应变分辨率，同时，系统采用快速的反馈结构控制探测光对光栅的极窄透射中心进行跟随，因此能够实现很高的传感速率；

2)采用双反馈回路结构，将现有技术方案中“频率锁定”传感精度高、传感速率快的优势，与“双光栅扫频”系统长期稳定性高、对外界环境变化不敏感的优势相结合，最终实现了同时具有传感速率高、测量范围大、长期稳定性好的超高精度光纤应变传感器。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为光栅透射峰中心频率与应变、温度变化关系图谱，其中：(a)为传感光栅、参考光栅的透射峰中心频率与温度变化的关系图谱，(b)为传感光栅、参考光栅的透射峰中心频率与应变变化的关系图谱；

图3为入射光频率与相位解调信号关系图；

图4为系统工作原理图，其中：(a)为第一反馈回路补偿温度漂移，(b)为第二反馈回路探测应变信号；

图5为实施例1的测试结果图；

图中：激光器1、光相位调制器2、光耦合器3、光强度调制器4、第一光环行器5、第二光环行器6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、第一电信号相位解调模块9、第二电信号相位解调模块10、第一控制电路模块11、第二控制电路模块12、射频信号发生模块13，电信号发生器14、传感光栅15、参考光栅16、射频信号频率检测模块17。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：第一反馈回路、第二反馈回路、电信号发生器14和射频信号频率检测模块17，其中：电信号发生器14分别与第一反馈回路、第二反馈回路相连并输出电信号，第一反馈回路与第二反馈回路相连并传输经相位调制的激光信号，第二反馈回路与射频信号频率检测模块17相连并传输经解调的低频信号；

所述的第一反馈回路包括：依次相连的第一电信号相位解调模块9、第一控制电路11、激光器1、光相位调制器2、光耦合器3、第一光环行器5、参考光栅16以及输入端和输出端分别与第一光环行器5和第一电信号相位解调模块9相连的第一光电探测器7；

所述的第二反馈回路包括：依次相连的第二电信号相位解调模块10、第二控制电路12、射频信号发生模块13、光强度调制器4、第二光环行器6、传感光栅15以及输入端和输出端分别与第二光环行器6和第二电信号相位解调模块10相连的第二光电探测器8；

所述的光耦合器3的一个输出端与光强度调制器4的一个输入端相连。

所述的第一光环行器5的一端口与光耦合器3相连，二端口与参考光栅16相连，三端口与第一光电探测器7相连。

所述的第二光环行器6的一端口与光强度调制器4相连，二端口与传感光栅15相连，三端口与第二光电探测器8相连。

所述的电信号发生器14的输出端分别与第一电信号相位解调模块9、光相位调制器2和第二电信号相位解调模块10相连。

所述的射频信号频率检测模块17从射频信号发生模块13中读取数据，执行数据处理，显示并存储测量结果。

所述的参考光栅16处于已知环境中，两端固定于支架上且处于自然伸展或轻微微绷紧状态；所述的传感光栅15两端固定或整体粘贴在待测环境中；所述的参考光栅16与传感光栅15应尽量接近的平行放置，但不可相互接触。

所述的参考光栅16为相移光纤布拉格光栅或光纤法布里‐珀罗谐振腔。

所述的传感光栅15为相移光纤布拉格光栅或光纤法布里‐珀罗谐振腔。

所述的传感光栅15和参考光栅16优选为相移光纤布拉格光栅。

所述的射频信号发生模块13采用仪器化的射频信号发生器或压控震荡器。

如图1和图4所示，本实用新型工作原理为：

第一反馈回路中，第一电信号相位调节模块9将调解的电信号发生器14发出的电信号输出至第一控制电路11，第一控制电路11控制激光器1发出单频激光，经光相位调制器2调制、光耦合器3耦合，获得一路光信号并输出至参考光栅16，第一光电探测器7探测参考光栅16输出的反射光信号，并反馈至电信号相位解调模块9，经调解得到频率偏差后，第一控制电路11基于该频率偏差调谐激光器1的端电压，进而调整单频激光，使其跟随参考光栅16；

光耦合器3耦合获得的另一路光信号输出至第二反馈回路中光强度调制器4，由此产生的一阶边带作为入射光，输出至传感光栅15，第二光电探测器8探测传感光栅15输出的反射光信号，并反馈至第二电信号相位解调模块10，经调解得到频率偏差后，第二控制电路12基于该频率偏差对射频信号发生模块13进行调整，从而改变调制边带的频率，使其跟随传感光栅15；

两反馈回路均高速执行，使两探测光始终对准相应的光栅透射中心；在此状态下，射频信号频率检测模块17持续获取射频信号的频率，根据实际的传感光栅15的应变响应系数换算为应变，从而实现了对应变信号的的快速传感。

如图2所示，参考光栅16、传感光栅15的透射峰中心频率与光栅上应变变化、温度变化呈线性关系；当环境温度发生变化时，参考光栅16与传感光栅15的透射峰中心频率发生同样的变化，但其频率差值不变；当传感光栅15上的应变发生变化时，其中心频率发生变化，但参考光栅16中心频率保持不变，两者频率差值改变；由此可知，这个频率差值即反映了待测的应变信号，同时对环境温度变化并不敏感，从而能够去除温度漂移对应变测量的干扰，得到准确的静态应变信号。

如图3所示，本系统中第一反馈回路实现激光对参考光栅16的透射峰中心的跟随，第二反馈回路实现强度调制一阶边带对传感光栅15的透射峰中心的跟随；光强度调制器4的调制频率即两光栅间的频率差，对应待测的应变；

控制激光或调制边带对光栅透射峰中心进行跟随的原理为：经相位调制的激光入射至光栅透射峰中心附近时，其反射信号表现出同一调制频率下的强度调制效果，但当入射光频率分别位于透射中心低频/高频一侧时，反射光信号中所携带强度调制信号的相位相差180度，且频率偏差不同，调制信号强度也不同；因此，由电信号相位解调模块9对反射光信号进行解调，即可得到反映入射光与光栅透射中心频率差的低频信号，据此对相应的入射光的中心频率进行调整使其跟随光栅的透射中心。

如图5所示，本实施例中系统的各项指标如下：在1Hz处的应变分辨率为在10Hz处的应变分辨率为传感速率为1000Samples/s，即每秒完成1000次探测；上述测量速率和应变分辨率大幅超过已有光纤传感技术的最好性能。

Claims (8)

1.一种光纤光栅应变传感系统，其特征在于，包括：第一反馈回路、第二反馈回路、电信号发生器和处理模块，其中：电信号发生器分别与第一反馈回路、第二反馈回路相连，第一反馈回路与第二反馈回路相连，第二反馈回路与处理模块相连；

所述的第一反馈回路包括：依次相连的第一电信号相位解调模块、第一控制电路、激光器、光相位调制器、光耦合器、第一光环行器、参考光栅以及输入端和输出端分别与第一光环行器和第一电信号相位解调模块相连的第一光电探测器；

所述的第二反馈回路包括：依次相连的第二电信号相位解调模块、第二控制电路、射频信号发生模块、光强度调制器、第二光环行器、传感光栅以及输入端和输出端分别与第二光环行器和第二电信号相位解调模块相连的第二光电探测器；

所述的光耦合器的一个输出端与光强度调制器的一个输入端相连。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感系统，其特征是，所述的第一光环行器的一端口与光耦合器相连，二端口与参考光栅相连，三端口与第一光电探测器相连。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感系统，其特征是，所述的第二光环行器的一端口与光强度调制器相连，二端口与传感光栅相连，三端口与第二光电探测器相连。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感系统，其特征是，所述的电信号发生器的输出端分别与第一电信号相位解调模块、光相位调制器和第二电信号相位解调模块相连。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感系统，其特征是，所述的射频信号发生模块的一个输出端与处理模块相连。

6.根据权利要求1或2所述的光纤光栅应变传感系统，其特征是，所述的参考光栅为相移光纤布拉格光栅或光纤法布里-珀罗谐振腔。

7.根据权利要求1或3所述的光纤光栅应变传感系统，其特征是，所述的传感光栅为相移光纤布拉格光栅或光纤法布里-珀罗谐振腔。

8.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感系统，其特征是，所述的射频信号发生模块采用仪器化的射频信号发生器或压控震荡器。