[發明專利]亞納應變級多點復用光纖光柵準靜態應變傳感系統

在審

• 申請號: 201510859667.1
• 申請日: 2015-11-30
• 公開（公告）號: CN105352446A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發明（設計）人: 何祖源;劉慶文;樊昕昱;陳嘉庚
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種光纖傳感領域的技術，具體是一種分辨率達到亞納應變級(<10^-9ε)，且能夠實現多點復用的光纖光柵準靜態應變傳感系統。

背景技術

光纖光柵傳感機構技術是光纖傳感技術的重要分支之一，其特點包括測量精度高、尺寸小、成本較低、抗電磁干擾等，具有很高的應用價值。其中，光纖光柵應變傳感器發展最為成熟，廣泛用于各種人工結構或自然結構中，實現對應變的傳感與觀測。

地球物理學相關研究是光纖光柵應變傳感系統的重要應用場景之一，如地質構造中地殼微變過程的研究，地震、火山等地質災害監測等。該類應用場景中，待觀測應變信號的最顯著特點在于其變化量極其微小、變化周期長，且長期變化范圍廣。因而對傳感器的靈敏度、絕對精度、動態范圍及傳感帶寬等指標提出了很高的要求。另外，為實現對二維及三維空間內應變張量的測量、多區域應變檢測實現應變場的檢測等，需要采用多個應變傳感器協同工作。

現有的各類光纖光柵應變傳感系統中，基于普通光纖布拉格光柵(FBG)實現的波分復用應變傳感系統具有成本低、容易進行多點復用等特點，例如中國專利文獻號CN101458100公開(公告)日2009.06.17，公開了一種FBG傳感器的解調系統及其解調方法，該系統依此連接有脈沖光源、環形器或耦合器、耦合器，然后一路依此連接邊帶濾波器和光電探測器，另一路連接光電探測器，最后兩路再依此與除法器和傳感信號響應處理模塊連接。然而，由于普通光纖光柵的反射峰寬度較寬，其應變分辨率一般在微應變數量級(即10^-6ε)，無法達到地球物理學研究中對傳感器精度的要求。為了實現亞納應變級的測量精度，一般采用相移光纖布拉格光柵(phaseshiftedFBG，PSFBG)或光纖法布里-泊羅諧振腔(fiberFabry-PerotInterferometer，FFPI)實現，其中心透射峰寬度僅有幾pm甚至小于1pm，大大提高了傳感器的應變分辨率。但由于相移光纖光柵及光纖法布里-泊羅諧振腔的解調方法與普通光柵不同，需要用到較為調制和解調技術，例如文獻專利號CN102997859，公開日2013.03.27,公開了一種基于相位調制-強度解調的方案，通過比較傳感探頭與參考器件的諧振頻率差，實現納應變級的測量精度。然而，該方案所用到的調制技術復雜，激光器只能實現對單個傳感器探頭的檢測，現有技術中未能給出針對該類傳感器的有效多點復用方法。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種亞納應變級多點復用光纖光柵準靜態應變傳感系統，能夠同時具有高測量精度、高傳感帶寬，且復用成本低的優點。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明包括：信號發生及探測機構和分別與之相連的光脈沖調制機構以及光纖光柵傳感機構，其中：信號發生及探測機構向光脈沖調制機構輸出調制信息，使得光脈沖調制機構生成調制后光脈沖并輸出至光纖光柵傳感機構，光纖光柵傳感機構的反射光信號通過信號發生及探測機構進行采集和檢測。

所述的信號發生及探測機構包括：控制模塊和分別與之相連的信號發生模塊和光電采集模塊，其中：光電采集模塊與光纖光柵傳感機構反射端相連，將光強度信號轉為模擬電信號；信號發生模塊分別生成相位調制信號、射頻載波信號和電脈沖調制信號并輸出至光脈沖調制機構；控制模塊對光電采集模塊獲得的信號進行解調，并通過解調結果控制電信號發生器與射頻信號發生器，以實現反饋控制。

所述的光脈沖調制機構包括：依次串聯的窄線寬激光器、光相位調制器、光強度調制器和聲光調制器，其中：窄線寬激光器產生用于探測各個相移光柵的窄透射峰的激光，光相位調制器根據調制信息對激光進行相位調制；光強度調制器進一步對窄線寬激光進行可變頻率的強度調制，產生頻率可控的調制邊帶，作為光開關的聲光調制器產生用于時分探測的光脈沖并輸出至光纖光柵傳感機構。

所述的光纖光柵傳感機構包括：依次串聯的光纖環行器、光纖耦合器、延時光纖陣列和相移光柵陣列，其中：光纖環行器接收用于時分探測的光脈沖以導入光纖光柵陣列，并將其反射的光信號輸出至信號發生及探測機構；光纖耦合器將一路探測光脈沖分成多路以導入各個光柵；延時光纖陣列由各路不同延時的光纖組成，將光脈沖以不同延時進行傳輸；相移光柵陣列探測應變信號。

所述的光纖光柵傳感機構中的相移光柵陣列也可以替換為光纖法布里-泊羅諧振腔。