[发明专利]光纤光栅温度/应变传感系统及其解调方法

说明书

一种光纤光栅温度/应变传感系统及其解调方法，通过窄线宽激光光源模块产生的种子激光通过相位调制模块产生边带后，经环形器以及有源光纤光栅模块中的波分复用器注入受到泵浦光激发的有源光纤光栅；返回光与环形器相连的光电探测器进行光电转换得到拍频信号，由锁相放大器提取出相位调制频率处的分量，即反映窄线宽激光器与有源光纤光栅的中心频率偏差的误差信号，反馈控制模块籍由误差信号产生反馈电压信号以控制窄线宽激光器的中心频率，实现窄线宽激光器与有源光纤光栅之间的注入锁定。本发明能够达到pε的准静态精度；且具有应变灵敏度可调的特性；可以有效解决光纤激光传感器中的模式跳变、豫弛震荡和低频相位噪声的问题。

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种高分辨率光纤光栅温度/应变传感系统及其解调方法。

背景技术

应变传感技术被广泛地应用于工程领域，比如水下声场监测、结构健康监测、石油管道安全监测、地震波监测等。传统的应变传感器一般是机械式或者电磁式的，存在很多问题，比如：在强电场环境中，传统应变传感器易受电磁干扰，无法正常工作；在易燃易爆环境中，会产生电火花，引发事故；在水下或者地下环境中，电器件会发生腐蚀；在要求阵列化的应用场合，传统应变传感器难以连成大规模阵列。这些缺陷严重地限制了传统应变传感器的实际应用。

自从20世纪70年代光纤被发明以来，光纤传感技术也随之蓬勃发展。近年来由于光刻技术的发展，在光纤上刻制光栅技术的成熟，光纤光栅传感技术一直是光纤传感领域的热点。光纤光栅传感器以其小尺寸、低成本、复用能力强、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，为解决超细线阵和大规模传感阵列应用工程问题提供了新的解决方法。光纤光栅按照有无掺杂增益介质可以分为无源光纤光栅与有源光纤光栅。

无源光纤光栅传感器较早得到研究，当受外界应变作用时，光纤光栅长度发生变化，导致反射谱发生漂移。反射谱的漂移量与应变大小成正比。第一种解调方案，也是最常用的干涉仪解调法，采用宽谱光源入射光纤布拉格光栅(FBG)，频率满足Bragg条件的光将被FBG反射，不满足的则透射。再利用臂长差很小的MZ干涉仪解调窄带反射光波长变化，从而得到外界应变信息。此种方案虽然具有成本低，易于复用的特点，但是由于FBG反射带宽很宽，因而在灵敏度性能上难以提高。第二种，是近年来出现的PDH解调技术，采用单频激光器锁定在FBG的反射峰边缘、PSFBG(π相移FBG)或者FFPI(光纤FP腔)的谐振峰，应变分辨率甚至可以达到几百fε，然而，PDH解调方案存在一些不足之处：a、这种方案的应变精度直接受到单频激光器的频率稳定度影响，这对于激光器的稳频性能提出了很高的要求；b、在长距离、大规模复用传感应用场合，信号光的功率衰减使得系统应变精度降低。

有源光纤光栅传感器也称为光纤激光传感器，主要分为分布布拉格反射式光纤激光(DBR-FL)传感器以及分布反馈式光纤激光(DFB-FL)传感器。DBR-FL与DFB-FL的输出波长与其谐振腔的谐振频率保持一致，因而光纤激光器在外界应变信号作用下，激光器的输出激光中心波长也随之发生漂移。由于激光谐振腔对于外界信号非常敏感，并且DBR-FL与DFB-FL的输出光的线宽很窄，可以达到几kHz，远远小于FBG的带宽。再利用干涉仪解调技术，可以实现很高精度的应变传感，这种方案的应变精度可达7fε@7kHz，迄今为止一直保持着高精度光纤应变传感领域的世界纪录。

尽管光纤激光传感器具有很多的优越特性以及诱人前景，但是这种技术还远没有成熟，还有许多理论和工程上的问题需要解决。光纤激光传感器中存在的一些主要问题如下：a、激光器模式控制问题，在微弱信号的检测中，要求谐振腔尽可能长以减低最小可测信号强度，同时谐振腔也要求一定的长度来保证输出功率。然而谐振腔变长将会产生多模激发；b、光纤激光传感器依赖于干涉仪解调，而干涉仪会受到外界低频噪声(如温度、振动)影响，因而降低了低频段的应变精度；c、光纤激光器的噪声问题，任何自由运转的激光器不可避免的存在一定的强度与相位噪声，从而影响光纤激光传感器的精度。

发明内容