[發(fā)明專利]一種高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器及其探頭

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210394211.9
• 申請(qǐng)日: 2012-10-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102997859A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉慶文;何祖源
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 無(wú)錫聯(lián)河光子技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01B11/16
• 分類號(hào): G01B11/16
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器，利用光纖器件作為探頭，對(duì)地殼形變等進(jìn)行精確測(cè)量。?

背景技術(shù)

火山和地震等自然災(zāi)害的研究和預(yù)測(cè)是人口密集地區(qū)的重要社會(huì)課題。在這一領(lǐng)域，為了掌握地殼的運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力狀態(tài)，需要在盡可能多的地點(diǎn)對(duì)地殼的形變進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。地殼形變的周期覆蓋從幾十毫秒到無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)靜態(tài)范圍內(nèi)，而且其波動(dòng)的幅度從幾個(gè)nano-strain到幾百個(gè)micro-strain不等。為了準(zhǔn)確地獲取地殼的形變信息，所用的傳感器需要具有靜態(tài)應(yīng)變的測(cè)量能力，超高的應(yīng)變測(cè)量精度以及大的測(cè)量范圍。?

當(dāng)前地球物理領(lǐng)域所用的地殼應(yīng)變傳感器有伸縮應(yīng)變計(jì)和激光干涉儀應(yīng)變計(jì)等。這些儀器不僅自身價(jià)格昂貴，而且體積龐大，長(zhǎng)度達(dá)到幾米到上百米。由于這類傳感器通常需要安裝在地下以避免來(lái)自地面的干擾，如此大的尺寸不僅使得安裝傳感器的工程量非常龐大，安裝的位置也受到環(huán)境的極大限制，難以大規(guī)模地推廣安裝，不適合構(gòu)建監(jiān)測(cè)地殼形變的傳感器網(wǎng)絡(luò)。?

光纖傳感器由于其體積小，重量輕，安裝方便，不易受化學(xué)物質(zhì)腐蝕，不受電磁輻射干擾，能夠遠(yuǎn)程傳感和多點(diǎn)化傳感的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于應(yīng)變的檢測(cè)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑物健康監(jiān)測(cè)與智能材料之中。但是，已有的光纖傳感器的技術(shù)指標(biāo)尚不能完全滿足地殼應(yīng)變傳感的需求。目前工作于準(zhǔn)靜態(tài)領(lǐng)域的光纖應(yīng)變傳感器的測(cè)量精度多數(shù)在1micro-strain量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到地殼應(yīng)變的nano-strain級(jí)別的精度需求。?

有一種高精度光纖準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變傳感器采用原子光譜作為參考(T?T.Y.Lam,et?al.,High-resolution?absolute?frequency?referenced?fiber?optic?sensor?for?quasi-static?strainsensing,Applied?Optics,vol.49,pp.4029-4033,2010)，該類型傳感器的量程受限于原子光譜的帶寬，應(yīng)變測(cè)量量程只有幾個(gè)micro-strain。另一種大量程靜態(tài)應(yīng)變傳感器采用可調(diào)諧激光器來(lái)掃描一對(duì)光纖光柵，獲得了超過(guò)100micro-strain的靜態(tài)應(yīng)變(Q.Liu,et?al.,Ultra-high-resolution?large-dynamic-range?optical?fiber?static?strain?sensor?usingPound-Drever-Hall?technique,Opt.Lett.,vol.36,pp.4044-4046,2011).，但是其測(cè)量精度受到激光器波長(zhǎng)調(diào)諧中的非線性的影響，難以獲得高精度。另一種高精度應(yīng)變傳感器采用一種邊帶探測(cè)技術(shù)并用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器來(lái)探測(cè)一對(duì)相同的光纖探頭獲得了高的應(yīng)變精度(Q.Liu,et?al.,Sub-nano?resolution?fiber?optic?static?strain?sensor?using?a?sideband?interrogation?technique,Opt.Lett.,37(3):434-436(2012))，但是其測(cè)量范圍受限于邊帶調(diào)制信號(hào)的頻率范圍，測(cè)量速度也比較慢。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)超高應(yīng)變精度和超大應(yīng)變測(cè)量量程的光纖應(yīng)變傳感技術(shù)，之前還沒(méi)有好的方法。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對(duì)地殼應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，提供一種具有超高應(yīng)變分辨率和超大測(cè)量量程的光纖傳感器及其探頭，能有效地對(duì)地殼的形變進(jìn)行檢測(cè)。?

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：?

一種高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器探頭，其特征在于：其包括一個(gè)具有作為參考的光纖環(huán)形腔和一個(gè)用于測(cè)量應(yīng)變的光纖光柵；所述光纖環(huán)形腔和光纖光柵位置彼此靠近。?

其進(jìn)一步特征在于：所述光纖光柵為普通光柵或位相移動(dòng)光柵。?

進(jìn)一步的：：激光束經(jīng)光回旋器，再經(jīng)光分束器耦合進(jìn)入光纖環(huán)形腔，透射激光束經(jīng)過(guò)光回旋器回到入射光纖，用一根光纖實(shí)現(xiàn)上行光和下行光的復(fù)用。?

一種高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器，其特征在于：其包括激光器、信號(hào)發(fā)生器、邊帶信號(hào)發(fā)生器、位相調(diào)制器、強(qiáng)度調(diào)制器、分光束器、光回旋器、光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、解調(diào)器和傳感器探頭；激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)分光束器后，一路光經(jīng)位相調(diào)制器后用于探測(cè)傳感器的光纖環(huán)形腔，另一路光經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器后，產(chǎn)生的光學(xué)邊帶信號(hào)用于探測(cè)傳感器的光纖光柵；上述探測(cè)信號(hào)的反射光經(jīng)光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度信號(hào)，再由解調(diào)器解調(diào)，用于控制激光器的中心頻率和邊帶信號(hào)發(fā)生器的中心頻率。?