[發明專利]光纖光柵溫度/應變傳感系統及其解調方法

有效

• 申請號: 201711458534.9
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108120525B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 劉慶文;何祖源;趙雙祥
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G01B11/16;G01D5/353
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種光纖光柵溫度/應變傳感系統及其解調方法，通過窄線寬激光光源模塊產生的種子激光通過相位調制模塊產生邊帶后，經環形器以及有源光纖光柵模塊中的波分復用器注入受到泵浦光激發的有源光纖光柵；返回光與環形器相連的光電探測器進行光電轉換得到拍頻信號，由鎖相放大器提取出相位調制頻率處的分量，即反映窄線寬激光器與有源光纖光柵的中心頻率偏差的誤差信號，反饋控制模塊籍由誤差信號產生反饋電壓信號以控制窄線寬激光器的中心頻率，實現窄線寬激光器與有源光纖光柵之間的注入鎖定。本發明能夠達到pε的準靜態精度；且具有應變靈敏度可調的特性；可以有效解決光纖激光傳感器中的模式跳變、豫弛震蕩和低頻相位噪聲的問題。

技術領域

本發明涉及的是一種光纖傳感領域的技術，具體是一種高分辨率光纖光柵溫度/應變傳感系統及其解調方法。

背景技術

應變傳感技術被廣泛地應用于工程領域，比如水下聲場監測、結構健康監測、石油管道安全監測、地震波監測等。傳統的應變傳感器一般是機械式或者電磁式的，存在很多問題，比如：在強電場環境中，傳統應變傳感器易受電磁干擾，無法正常工作；在易燃易爆環境中，會產生電火花，引發事故；在水下或者地下環境中，電器件會發生腐蝕；在要求陣列化的應用場合，傳統應變傳感器難以連成大規模陣列。這些缺陷嚴重地限制了傳統應變傳感器的實際應用。

自從20世紀70年代光纖被發明以來，光纖傳感技術也隨之蓬勃發展。近年來由于光刻技術的發展，在光纖上刻制光柵技術的成熟，光纖光柵傳感技術一直是光纖傳感領域的熱點。光纖光柵傳感器以其小尺寸、低成本、復用能力強、抗電磁干擾、耐腐蝕等優點，為解決超細線陣和大規模傳感陣列應用工程問題提供了新的解決方法。光纖光柵按照有無摻雜增益介質可以分為無源光纖光柵與有源光纖光柵。

無源光纖光柵傳感器較早得到研究，當受外界應變作用時，光纖光柵長度發生變化，導致反射譜發生漂移。反射譜的漂移量與應變大小成正比。第一種解調方案，也是最常用的干涉儀解調法，采用寬譜光源入射光纖布拉格光柵(FBG)，頻率滿足Bragg條件的光將被FBG反射，不滿足的則透射。再利用臂長差很小的MZ干涉儀解調窄帶反射光波長變化，從而得到外界應變信息。此種方案雖然具有成本低，易于復用的特點，但是由于FBG反射帶寬很寬，因而在靈敏度性能上難以提高。第二種，是近年來出現的PDH解調技術，采用單頻激光器鎖定在FBG的反射峰邊緣、PSFBG(π相移FBG)或者FFPI(光纖FP腔)的諧振峰，應變分辨率甚至可以達到幾百fε，然而，PDH解調方案存在一些不足之處：a、這種方案的應變精度直接受到單頻激光器的頻率穩定度影響，這對于激光器的穩頻性能提出了很高的要求；b、在長距離、大規模復用傳感應用場合，信號光的功率衰減使得系統應變精度降低。

有源光纖光柵傳感器也稱為光纖激光傳感器，主要分為分布布拉格反射式光纖激光(DBR-FL)傳感器以及分布反饋式光纖激光(DFB-FL)傳感器。DBR-FL與DFB-FL的輸出波長與其諧振腔的諧振頻率保持一致，因而光纖激光器在外界應變信號作用下，激光器的輸出激光中心波長也隨之發生漂移。由于激光諧振腔對于外界信號非常敏感，并且DBR-FL與DFB-FL的輸出光的線寬很窄，可以達到幾kHz，遠遠小于FBG的帶寬。再利用干涉儀解調技術，可以實現很高精度的應變傳感，這種方案的應變精度可達7fε@7kHz，迄今為止一直保持著高精度光纖應變傳感領域的世界紀錄。

盡管光纖激光傳感器具有很多的優越特性以及誘人前景，但是這種技術還遠沒有成熟，還有許多理論和工程上的問題需要解決。光纖激光傳感器中存在的一些主要問題如下：a、激光器模式控制問題，在微弱信號的檢測中，要求諧振腔盡可能長以減低最小可測信號強度，同時諧振腔也要求一定的長度來保證輸出功率。然而諧振腔變長將會產生多模激發；b、光纖激光傳感器依賴于干涉儀解調，而干涉儀會受到外界低頻噪聲(如溫度、振動)影響，因而降低了低頻段的應變精度；c、光纖激光器的噪聲問題，任何自由運轉的激光器不可避免的存在一定的強度與相位噪聲，從而影響光纖激光傳感器的精度。

發明內容