專利名稱：一種高分辨率大量程光纖應變傳感器及其探頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高分辨率大量程光纖應變傳感器，利用光纖器件作為探頭，對地殼形變等進行精確測量。
背景技術：
火山和地震等自然災害的研究和預測是人口密集地區(qū)的重要社會課題。在這一領域，為了掌握地殼的運動和應力狀態(tài)，需要在盡可能多的地點對地殼的形變進行長期的監(jiān)測。地殼形變的周期覆蓋從幾十毫秒到無限長時間的準靜態(tài)范圍內，而且其波動的幅度從幾個nano-strain到幾百個micro-strain不等。為了準確地獲取地殼的形變信息，所用的傳感器需要具有靜態(tài)應變的測量能力，超高的應變測量精度以及大的測量范圍。當前地球物理領域所用的地殼應變傳感器有伸縮應變計和激光干涉儀應變計等。這些儀器不僅自身價格昂貴，而且體積龐大，長度達到幾米到上百米。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，不適合構建監(jiān)測地殼形變的傳感器網絡。光纖傳感器由于其體積小，重量輕，安裝方便，不易受化學物質腐蝕，不受電磁輻射干擾，能夠遠程傳感和多點化傳感的優(yōu)點，非常適合于應變的檢測，已經廣泛應用于建筑物健康監(jiān)測與智能材料之中。但是，已有的光纖傳感器的技術指標尚不能完全滿足地殼應變傳感的需求。目前工作于準靜態(tài)領域的光纖應變傳感器的測量精度多數在lmicro-strain量級,遠遠不能達到地殼應變的nano-strain級別的精度需求。有一種高精度光纖準靜態(tài)應變傳感器采用原子光譜作為參考(Τ T. Y. Lam, etal.，〃High_resolution absolute frequency referenced fiber optic sensor forquas1-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，應變測量量程只有幾個micro-strain。另一種大量程靜態(tài)應變傳感器釆用可調諧激光器來掃描一對光纖光柵，獲得了超過lOOmicro-strain的靜態(tài)應變(Q. Liuj et al.，〃Ultra-high_resolution large-dynamic-range opticalfiber static strain sensor usingPound-Drever-Hall technique, 〃0pt. Lett.，vol.36，pp. 4044-4046，2011).，但是其測量精度受到激光器波長調諧中的非線性的影響，難以獲得高精度。另一種高精度應變傳感器釆用一種邊帶探測技術并用波長可調諧激光器來探測一對相同的光纖探頭獲得了高的應變精度(Q. Liu, et al.，"Sub-nano resolutionfiber optic static strain sensor using a sideband interrogation technique, 〃0pt.Lett.，37(3) :434-436(2012)),但是其測量范圍受限于邊帶調制信號的頻率范圍，測量速度也比較慢。同時能實現超高應變精度和超大應變測量量程的光纖應變傳感技術，之前還沒有好的方法
發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于針對地殼應變測量領域的應用，提供一種具有超高應變分辨率和超大測量量程的光纖傳感器及其探頭，能有效地對地殼的形變進行檢測。本發(fā)明為實現上述目的，采用如下技術方案—種高分辨率大量程光纖應變傳感器探頭，其特征在于其包括一個具有作為參考的光纖環(huán)形腔和一個用于測量應變的光纖光柵；所述光纖環(huán)形腔和光纖光柵位置彼此靠近。其進一步特征在于所述光纖光柵為普通光柵或位相移動光柵。進一步的激光束經光回旋器，再經光分束器耦合進入光纖環(huán)形腔，透射激光束經過光回旋器回到入射光纖，用一根光纖實現上行光和下行光的復用。一種高分辨率大量程光纖應變傳感器，其特征在于其包括激光器、信號發(fā)生器、邊帶信號發(fā)生器、位相調制器、強度調制器、分光束器、光回旋器、光強度信號轉換裝置、解調器和傳感器探頭；激光器產生的激光經分光束器后，一路光經位相調制器后用于探測傳感器的光纖環(huán)形腔，另一路光經過強度調制器后，產生的光學邊帶信號用于探測傳感器的光纖光柵；上述探測信號的反射光經光強度信號轉換裝置轉換成強度信號，再由解調器解調，用于控制激光器的中心頻率和邊帶信號發(fā)生器的中心頻率。其進一步特征在于所述邊帶信號發(fā)生器內部包含一個Ι/Q射頻信號調制器，輸出強度調制器所用的調制信號。本發(fā)明傳感器可以較低的邊帶調制頻率實現超過lOOOmicro-strain的應變測量范圍，同時保持超高的應變測量精度。由于利用了將激光和邊帶頻率分別鎖定光纖環(huán)形腔fiber ring和光纖光柵FBG的方法，避免了激光波長的掃描過程，能夠實現高速測量。


圖1為本發(fā)明傳感器探頭示意圖。圖中，參考(Reference),測量(Measuring),環(huán)(ring)，位相移動光柵(J1-phase shifted FBG)，CIR是光回旋器，CP是光分束器。 圖2為本發(fā)明傳感器示意圖。圖中，電腦(computer),激光器(laser), FG是信號發(fā)生器，PM是位相調制器，IM是光強調制器，CP是光分束器，CIR是光回旋器，解調器(Demodulator),光強度信號轉換裝置(PD),傳感探頭(sensor head),邊帶信號發(fā)生器(sideband generator),激光鎖相(lock loop for laser),邊帶鎖相(lock loop forsideband), FG (Mod)是調制用射頻信號發(fā)生器。圖3為邊帶調制信號發(fā)生器的示意圖。圖中I/Q Quadrature modulator是I/Q調制器，Quadrature phase splitter是π/2分相器,FG (Lo)是高頻射頻信號發(fā)生器,FG(Mod)是調制用射頻信號發(fā)生器，Output是輸出信號。圖4為實驗原理示意圖。圖中spectrum of fiber ring為光纖環(huán)形腔的光譜,spectrum of n -phase shifted FBG為位相移動光柵的光譜，sideband為邊帶，laser為激光。圖5為解調信號曲線。圖中橫軸為激光器的調諧頻率(frequency deviation),縱軸為解調信號的強度。
具體實施方式
如圖1所示一種高分辨率大量程光纖應變傳感器探頭，具有作為參考的一個光纖環(huán)形腔(fiber ring)和一個用于測量應變的光纖光柵(FBG,包括普通光柵和位相移動光柵J1-phase shifted FBG，位相移動光柵具有更好的性能)。光纖光柵FBG是應變測量部件，待測形變即施加在FBG上；fiber ring是參考部件,不受外界應變的影響。Fiber ring與FBG的位置彼此靠近，以達到兩者具有相同溫度的目的。FBG具有一個諧振頻率(該諧振頻率對于普通FBG而言，是指具有高反射率處的光頻率；對于π-phase shifted FBG而言，是指高反射率頻率范圍內的非常狹窄的高透射率光頻率)，該頻率是待測應變和溫度的線性函數，而fiber ring具有一些系列分立的諧振頻率,其諧振頻率只受溫度的影響。通過比較FBG的諧振頻率與fiber ring的諧振頻率,就可以得到應變的信息。由于fiber ring具有一系列的間隔均勻的諧振頻率，因此對于任意的FBG的諧振頻率,fiberring總是存在一個臨近的諧振頻率作為比較的對象。如圖2所不的一種高分辨率大量程光纖應變傳感器,激光器Laser發(fā)出的光被分光器CP分成為兩路，一路光被位相調制器PM位相調制，用于探測傳感探頭的fiber ring,返回的光被光強度信號轉換裝置H)轉換成強度信號，再由位相解調器Demodulator解調， 利用解調器Demodulator輸出的信號作為反饋信號，調諧激光器Laser的中心頻率使之鎖定到fiber ring的一個諧振頻率上。分光器CP輸出的另一路光經過強度調制器頂強度調制后，利用調制產生的一組邊帶信號探測傳感探頭中的FBG，返回的光被光強度信號轉換裝置F1D轉換成強度信號,再由位相解調器Demodulator解調,利用解調器Demodulator輸出的信號作為反饋信號，調整強度調制信號的中心頻率，從而把一組邊帶光信號的中心頻率鎖定到FBG的諧振頻率上。此時，待測的應變信號即可由強度調制信號的中心頻率計算出來。圖3是邊帶調制信號發(fā)生器，用于產生驅動強度調制器所用的射頻信號。強度調制器IM的驅動信號需要包含三個具有固定位相和強度關系的頻率成分IM: k · sin ( Ω st) +sin ( Ω st+ Ω Mt) -sin ( Ω st_ Ω Mt)= k · sin ( Ω st) +2 · sin ( Ω st) · cos ( Ω Mt)式中k是一個常數，k=2時系統具有最優(yōu)化的性能。所涉及的邊帶信號發(fā)生器，包含一個正交的Ι/Q射頻調制器，利用兩組射頻信號ΩΜ和Qs產生所需要的M驅動信號。利用該信號對激光進行強度調制，將產生兩組關于激光中心頻率對稱的邊帶，每組邊帶的中心頻率均偏離激光的中心頻率達Qs，同時其瞬時頻率以頻率ΩΜ呈正弦規(guī)律變化。通過調整激光器的中心頻率和的大小，將一組邊帶信號調整到與FBG傳感器的諧振頻率一致并保持鎖定。如圖2所示，激光分成兩路后，一路激光被位相調制，其中心頻率呈正弦規(guī)律變化；另一路被強度調制，產生的邊帶的中心頻率呈正弦規(guī)律變化。這兩路探測光信號分別用來探測傳感器探頭的fiber ring和FBG，如圖4所示。探測激光從傳感探頭返回后，探測光中心頻率的變化被轉換光信號的強度變化。通過比較反射光強度信號的位相與調制信號的位相，得到解調輸出信號。在一定頻率范圍內，該輸出信號是光頻率與fiber ring (或者FBG)的諧振頻率差的線性函數，并且當頻率差為O時，輸出信號幅值也為0，如圖5所示。利用該輸出信號，即可將兩路探測光的中心頻率分別鎖定到fiber ring和FBG的諧振頻率上。
此時,激光邊帶的調制頻率(Qs)就等同于fiber ring和FBG的諧振頻率之差。FBG和fiber ring的諧振頻率都是溫度和應變的線性函數，傳感探頭的設計使得它們具有相同的溫度，而只有FBG受到待測應變ε的影響，因此它們的諧振頻率差是待測應變ε的線性函數。Fiber ring具有一系列具有固定間隔(FSR)的諧振頻率，對于任意的FBG的諧振頻率，都有相鄰的諧振頻率作為比較的基準，因此，以某個選定的fiber ring的諧振頻率為基準，待測應變可表示為ε = a · (j · FSR+ Ω s)式中a是FBG的應變-頻率常數，j是選定的基準頻率與FBG諧振頻率差中FSR的整數倍部分。該傳感器可以較低的邊帶調制頻率 實現超過lOOOmicro-strain的應變測量范圍，同時保持超高的應變測量精度。由于利用了將激光和邊帶頻率分別鎖定fiber ring和FBG的方法，避免了激光波長的掃描過程，能夠實現高速測量。
權利要求
1.一種高分辨率大量程光纖應變傳感器探頭，其特征在于其包括一個具有作為參考的光纖環(huán)形腔和一個用于測量應變的光纖光柵；所述光纖環(huán)形腔和光纖光柵位置彼此靠近。
2.根據權利要求1所述的高分辨率大量程光纖應變傳感器探頭，其特征在于所述光纖光柵為普通光柵或位相移動光柵。
3.根據權利要求1所述的高分辨率大量程光纖應變傳感器探頭，其特征在于激光束經光回旋器，再經光分束器耦合進入光纖環(huán)形腔，透射激光束經過光回旋器回到入射光纖。
4.一種高分辨率大量程光纖應變傳感器，其特征在于其包括激光器、信號發(fā)生器、邊帶信號發(fā)生器、位相調制器、強度調制器、分光束器、光回旋器、光強度信號轉換裝置、解調器和傳感器探頭；激光器產生的激光經分光束器后，一路光經位相調制器后用于探測傳感器的光纖環(huán)形腔，另一路光經過強度調制器后，產生的光學邊帶信號用于探測傳感器的光纖光柵；上述探測信號的反射光經光強度信號轉換裝置轉換成強度信號，再由解調器解調， 用于控制激光器的中心頻率和邊帶信號發(fā)生器的中心頻率。
5.根據權利要求4所述的高分辨率大量程光纖應變傳感器，其特征在于所述邊帶信號發(fā)生器內部包含一個I/Q射頻信號調制器，輸出強度調制器所用的調制信號。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種高分辨率大量程光纖應變傳感器探頭，其包括一個具有作為參考的光纖環(huán)形腔和一個用于測量應變的光纖光柵；所述光纖環(huán)形腔和光纖光柵位置彼此靠近。一種高分辨率大量程光纖應變傳感器，激光器產生的激光經分光束器后，一路光經位相調制器后用于探測傳感器的光纖環(huán)形腔，另一路光經過強度調制器后，產生的光學邊帶信號用于探測傳感器的光纖光柵；上述探測信號的反射光經光強度信號轉換裝置轉換成強度信號，再由解調器解調，用于控制激光器的中心頻率和邊帶信號發(fā)生器的中心頻率。本發(fā)明傳感器可以較低的邊帶調制頻率實現超過1000micro-strain的應變測量范圍，同時保持超高的應變測量精度。避免了激光波長的掃描過程，能夠實現高速測量。
文檔編號G01B11/16GK102997859SQ20121039421
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權日2012年10月17日
發(fā)明者劉慶文, 何祖源 申請人:無錫聯河光子技術有限公司