[发明专利]一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置

说明书

一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置，属于光电探测技术领域。本发明包括超窄线宽光源、光源扫频装置、保偏光纤光栅、偏振分束装置、正交解调装置，窄线宽可调谐激光器由三角波驱动，提供扫频光源，Y波导调制后信号与后部光纤呈45°焊接，反射信号由PBS进行偏振态分离，利用保偏光纤光栅的FP腔特性进行温度和应变的探测，使用PDH技术获得谐振峰的准确频移信号，并通过保偏光纤光栅FP腔的两个偏振轴的物理特性，同时解算出温度与应变的信号。本发明的有益效果在于解调端口使用两个正交解调系统对信号进行解调，获得更高信噪比的信号，提高了测试精度，可用于恶劣环境条件下的高精度光纤光栅温度，应变传感器的制造。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种PDH解调的保偏光栅FP腔温度应变同时测量装置。

背景技术

光纤光栅传感器(FBG)由于其较小的尺寸，高速相应特性以及容易复用等诸多优势，在智能材料以及结构监测方面都得到了有效的应用。但对高精度温度应变观测等方面，单根光纤光栅由于反射峰过宽，并不能满足要求。因此可以利用光纤光栅组成谐振腔来减少反射峰的宽度，获得更为精准的观测信号。因此，人们提出了许多改进的光纤光栅测量方案，例如使用相移光纤光栅、光纤光栅法泊干涉仪替代普通的光纤光栅，采用激光锁频技术提高光纤光栅测量精度等。其中，结合PDH激光锁频技术，光纤光栅能够获得极高的应变测量精度。

PDH激光稳频技术，也称为相位调制光外差技术，它是以外部标准谐振腔的谐振频率作为基准频率对激光器进行频率锁定，属于主动稳频技术。该稳频技术由于其系统抗干扰能力强、稳定度高、伺服响应快、不易失锁等优点，成为目前普遍采用的一种稳频方法。

将PDH技术反向应用可以用来测量由于外部干扰对光纤光栅腔体结构所带来的影响。2005年，意大利的G.Gagliardi等人进行了此方面的研究工作(Gagliardi G,Salza M,Ferraro P,et al.Fiber Bragg-grating strain sensor interrogation using laserradio-frequency modulation[J].Optics Express,2005,13(7):2377-2384.)，2008年，D.Gatti使用相移光纤光栅代替传统的光纤光栅进行测量，获得了更高的灵敏度(Gatti D,Galzerano G,Janner D,et al.Fiber strain sensor based on a pi-phase-shiftedBragg grating and the Pound-Drever-Hall technique.[J].Optics Express,2008,16(3):1945-1950.)。

随后，国内也在此方面展开了相关的研究，并获得了较好的成果，例如，2014年，中国科学院半导体研究所使用两根一样的光纤光栅腔体来消除由于温度所造成的测量精度的问题(CN201410180646.2)，并使用拍频原理将得到的PDH误差信号与本振光进行相干作用在放大误差信号的同时抑制了光路中存在的噪声，获得更为精准的误差信号(CN201510542578.4)。随后，在原有拍频技术的基础上，又引入单边带扫频技术，解决高精度应变测量以及激光扫频当中的非线性现象(CN201510541632.3)。2017年，电子科技大学将反馈回路引入PDH信号解调当中，提高传感信号的解调性能。并同时在传感光纤中引入反射镜,以实现不同传感器的传感信号的解调(CN201710674179.2)。

上述主要研究工作在提升光纤光栅的测量灵敏度等方面。为了实现对应变和温度同时进行测量，其常用的方法为使用两根类似的光纤光栅谐振腔放置于同一环境当中，并使得一支光纤仅对温度敏感。采集两个光纤的反射信号特征，反推出受到的物理量影响的大小之后，再进行相关运算对温度和应变分别求解(CN201410180646.2、CN201410181113.6)。由于光纤光栅制作工艺的不同，往往受到应变和温度的变化所造成光栅的偏移量大小不尽相同，会引入额外的测量误差。同时由于使用了双光纤光栅谐振腔，无法保证两根光纤光栅工作的物理环境完全一致，因此也无法完全消除由于温度所带来的附加噪声。