[發(fā)明專利]一種光纖光柵低頻應變傳感解調(diào)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410180646.2
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103940361A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設計）人: 黃穩(wěn)柱;張文濤;李芳
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發(fā)明涉及光纖技術領域，尤其涉及一種基于激光線性掃頻調(diào)制技術和PDH鎖頻傳感技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調(diào)系統(tǒng)。

背景技術

近二十多年來，光纖光柵(FBG)傳感器一直是光纖傳感領域的一個研究熱點，已經(jīng)在智能材料與結構的應變測量中的獲得廣泛的應用。光纖光柵傳感器具有尺寸小、響應速度快、大范圍的線性響應、易復用等諸多優(yōu)勢，市場上廣泛使用的FBG應變解調(diào)儀的應變測量精度一般為1με，能夠滿足一般的應用要求。但是，如果要將FBG應用于地形變觀測中，其應變觀測精度必須在10nε以上，同時系統(tǒng)需要滿足低頻測量要求，并且要求具有較大的動態(tài)范圍。這對提高光纖光柵的應變測量分辨率和動態(tài)范圍提出了要求。

目前，人們提出了很多提高FBG的應變測量精度的方法，比如采用相移光纖光柵、光纖光柵法珀干涉儀替代普通的光纖光柵，采用PDH激光鎖頻技術提高光纖光柵測量精度等。其中，結合PDH激光鎖頻技術，光纖光柵能夠獲得極高的應變測量精度。最早將PDH激光鎖頻技術用于光纖光柵(FBG)FFP的應力應變測量，是2005年澳大利亞國立大學的Jong?H.Chow等人(J.H.Chow,et?a1.，“Demonstration?of?a?passive?subpicostrain?fiber?strain?sensor,”O(jiān)ptics?letters，2005)，理論上分析了應變測量分辨率能小于pε/√Hz(100Hz-100kHz)。同時，意大利的G.Gagliardi等人也做了這方面的研究，并且與Jong?H.Chow進行了合作，獲得了150pε/√Hz(680Hz)、20pε/√Hz(13kHz)應變分辨率(G.Gagliardi，et?al.，“Fiber?Bragg-grating?strain?sensor?interrogation?using?laser?radio-frequency?modulation，”O(jiān)ptics?Express，2005)。2008年D.Gatti首次將π相移光纖光柵和PDH技術結合，在高頻段實現(xiàn)了分辨率5pε/√Hz的應變測量(D.Gatti，et?a1.，“Fiber?strain?sensor?based0n?a?pi-phase-shifted?Bragg?grating?and?the?Pound-Drever-Hall?technique,”O(jiān)pt.Express，2008)。

可見，這些技術，大多都是用于高頻(動態(tài))信號的測量，很少適用于低頻(準靜態(tài))信號的測量。對于FBG而言，實現(xiàn)高精度的靜態(tài)應變測量顯得更加困難。之所以高精度的靜態(tài)應變獲取相對于動態(tài)應變要困難，是因為動態(tài)傳感可以以自身作為參考，而靜態(tài)應變必須與其他的標準作對比，比如穩(wěn)定的頻率成分、不受應變作用的傳感頭等。2011年以來，日本東京大學的Qinwen?Liu等人將該項技術引入了地殼形變觀測中，實現(xiàn)了5.8nε/√Hz的超低頻準靜態(tài)應變測量(Q.Liu，et?al.，“Ultra-high-resolution?large-dynamic-range?optical?fiber?static?strain?sensor?using?Pound-Drever-Hall?technique,”O(jiān)ptics?letters，2011)。但是，由于這里采用了可調(diào)諧激光器，其線性度限制了最終的應變測量分辨率；并且，可調(diào)諧激光器的調(diào)諧范圍有限，限制了應變測量的動態(tài)范圍；同時，可調(diào)諧激光器的價格昂貴，這都限制了該項技術的推廣應用。

鑒于此，本發(fā)明提出一種基于激光線性掃頻調(diào)制技術和PDH鎖頻傳感技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調(diào)系統(tǒng)，采用激光線性掃頻調(diào)制技術和光濾波技術，結合PDH鎖頻傳感技術，實現(xiàn)高精度、大動態(tài)范圍的應變測量，并重點解決鎖頻傳感中可調(diào)諧激光器價格昂貴，可調(diào)諧激光器掃描線性度不佳導致應變測量精度受限、可調(diào)諧激光器掃描范圍受限應變測量動態(tài)范圍較小等問題。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種基于激光線性掃頻調(diào)制技術和邊帶詢問技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調(diào)系統(tǒng)，采用激光線性掃頻調(diào)制技術和光濾波技術，結合PDH鎖頻傳感技術，實現(xiàn)高精度、大動態(tài)范圍的應變測量，并重點解決鎖頻傳感中可調(diào)諧激光器價格昂貴，可調(diào)諧激光器掃描線性度不佳導致應變測量精度受限、可調(diào)諧激光器掃描范圍受限應變測量動態(tài)范圍較小等問題。

(二)技術方案

本發(fā)明公開了一種高精度光纖光柵低頻應變傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括：