[发明专利]光纤光栅应变传感系统

说明书

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)。

发明内容

本发明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。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：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，本发明的技术效果包括：

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为本发明结构示意图；

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