專利名稱：一種高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器及其探頭的制作方法
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lmicro-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(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(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)變傳感器釆用可調(diào)諧激光器來掃描一對(duì)光纖光柵，獲得了超過lOOmicro-strain的靜態(tài)應(yīng)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(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)變傳感器釆用一種邊帶探測(cè)技術(shù)并用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器來探測(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 resolutionfiber optic static strain sensor using a sideband interrogation technique, 〃0pt.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—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。其進(jìn)一步特征在于所述邊帶信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部包含一個(gè)Ι/Q射頻信號(hào)調(diào)制器，輸出強(qiáng)度調(diào)制器所用的調(diào)制信號(hào)。本發(fā)明傳感器可以較低的邊帶調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)超過lOOOmicro-strain的應(yīng)變測(cè)量范圍，同時(shí)保持超高的應(yīng)變測(cè)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(zhǎng)的掃描過程，能夠?qū)崿F(xiàn)高速測(cè)量。


圖1為本發(fā)明傳感器探頭示意圖。圖中，參考(Reference),測(cè)量(Measuring),環(huán)(ring)，位相移動(dòng)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(hào)發(fā)生器，PM是位相調(diào)制器，IM是光強(qiáng)調(diào)制器，CP是光分束器，CIR是光回旋器，解調(diào)器(Demodulator),光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置(PD),傳感探頭(sensor head),邊帶信號(hào)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(diào)制用射頻信號(hào)發(fā)生器。圖3為邊帶調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的示意圖。圖中I/Q Quadrature modulator是I/Q調(diào)制器，Quadrature phase splitter是π/2分相器,FG (Lo)是高頻射頻信號(hào)發(fā)生器,FG(Mod)是調(diào)制用射頻信號(hào)發(fā)生器，Output是輸出信號(hào)。圖4為實(shí)驗(yàn)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(dòng)光柵的光譜，sideband為邊帶，laser為激光。圖5為解調(diào)信號(hào)曲線。圖中橫軸為激光器的調(diào)諧頻率(frequency deviation),縱軸為解調(diào)信號(hào)的強(qiáng)度。
具體實(shí)施方式
如圖1所示一種高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器探頭，具有作為參考的一個(gè)光纖環(huán)形腔(fiber ring)和一個(gè)用于測(cè)量應(yīng)變的光纖光柵(FBG,包括普通光柵和位相移動(dòng)光柵J1-phase shifted FBG，位相移動(dòng)光柵具有更好的性能)。光纖光柵FBG是應(yīng)變測(cè)量部件，待測(cè)形變即施加在FBG上；fiber ring是參考部件,不受外界應(yīng)變的影響。Fiber ring與FBG的位置彼此靠近，以達(dá)到兩者具有相同溫度的目的。FBG具有一個(gè)諧振頻率(該諧振頻率對(duì)于普通FBG而言，是指具有高反射率處的光頻率；對(duì)于π-phase shifted FBG而言，是指高反射率頻率范圍內(nèi)的非常狹窄的高透射率光頻率)，該頻率是待測(cè)應(yīng)變和溫度的線性函數(shù)，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(yīng)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(duì)于任意的FBG的諧振頻率,fiberring總是存在一個(gè)臨近的諧振頻率作為比較的對(duì)象。如圖2所不的一種高分辨率大量程光纖應(yīng)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(diào)制器PM位相調(diào)制，用于探測(cè)傳感探頭的fiber ring,返回的光被光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置H)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度信號(hào)，再由位相解調(diào)器Demodulator解調(diào)， 利用解調(diào)器Demodulator輸出的信號(hào)作為反饋信號(hào)，調(diào)諧激光器Laser的中心頻率使之鎖定到fiber ring的一個(gè)諧振頻率上。分光器CP輸出的另一路光經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器頂強(qiáng)度調(diào)制后，利用調(diào)制產(chǎn)生的一組邊帶信號(hào)探測(cè)傳感探頭中的FBG，返回的光被光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置F1D轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度信號(hào),再由位相解調(diào)器Demodulator解調(diào),利用解調(diào)器Demodulator輸出的信號(hào)作為反饋信號(hào)，調(diào)整強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的中心頻率，從而把一組邊帶光信號(hào)的中心頻率鎖定到FBG的諧振頻率上。此時(shí)，待測(cè)的應(yīng)變信號(hào)即可由強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的中心頻率計(jì)算出來。圖3是邊帶調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)制器所用的射頻信號(hào)。強(qiáng)度調(diào)制器IM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要包含三個(gè)具有固定位相和強(qiáng)度關(guān)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(gè)常數(shù)，k=2時(shí)系統(tǒng)具有最優(yōu)化的性能。所涉及的邊帶信號(hào)發(fā)生器，包含一個(gè)正交的Ι/Q射頻調(diào)制器，利用兩組射頻信號(hào)ΩΜ和Qs產(chǎn)生所需要的M驅(qū)動(dòng)信號(hào)。利用該信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將產(chǎn)生兩組關(guān)于激光中心頻率對(duì)稱的邊帶，每組邊帶的中心頻率均偏離激光的中心頻率達(dá)Qs，同時(shí)其瞬時(shí)頻率以頻率ΩΜ呈正弦規(guī)律變化。通過調(diào)整激光器的中心頻率和的大小，將一組邊帶信號(hào)調(diào)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(diào)制，其中心頻率呈正弦規(guī)律變化；另一路被強(qiáng)度調(diào)制，產(chǎn)生的邊帶的中心頻率呈正弦規(guī)律變化。這兩路探測(cè)光信號(hào)分別用來探測(cè)傳感器探頭的fiber ring和FBG，如圖4所示。探測(cè)激光從傳感探頭返回后，探測(cè)光中心頻率的變化被轉(zhuǎn)換光信號(hào)的強(qiáng)度變化。通過比較反射光強(qiáng)度信號(hào)的位相與調(diào)制信號(hào)的位相，得到解調(diào)輸出信號(hào)。在一定頻率范圍內(nèi)，該輸出信號(hào)是光頻率與fiber ring (或者FBG)的諧振頻率差的線性函數(shù)，并且當(dāng)頻率差為O時(shí)，輸出信號(hào)幅值也為0，如圖5所示。利用該輸出信號(hào)，即可將兩路探測(cè)光的中心頻率分別鎖定到fiber ring和FBG的諧振頻率上。
此時(shí),激光邊帶的調(diào)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(yīng)變的線性函數(shù)，傳感探頭的設(shè)計(jì)使得它們具有相同的溫度，而只有FBG受到待測(cè)應(yīng)變?chǔ)诺挠绊懀虼怂鼈兊闹C振頻率差是待測(cè)應(yīng)變?chǔ)诺木€性函數(shù)。Fiber ring具有一系列具有固定間隔(FSR)的諧振頻率，對(duì)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(zhǔn)，因此，以某個(gè)選定的fiber ring的諧振頻率為基準(zhǔn)，待測(cè)應(yīng)變可表示為ε = a · (j · FSR+ Ω s)式中a是FBG的應(yīng)變-頻率常數(shù)，j是選定的基準(zhǔn)頻率與FBG諧振頻率差中FSR的整數(shù)倍部分。該傳感器可以較低的邊帶調(diào)制頻率 實(shí)現(xiàn)超過lOOOmicro-strain的應(yīng)變測(cè)量范圍，同時(shí)保持超高的應(yīng)變測(cè)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(zhǎng)的掃描過程，能夠?qū)崿F(xiàn)高速測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率大量程光纖應(yīng)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(dòng)光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器探頭，其特征在于激光束經(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)過光回旋器回到入射光纖。
4.一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。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器，其特征在于所述邊帶信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部包含一個(gè)I/Q射頻信號(hào)調(diào)制器，輸出強(qiáng)度調(diào)制器所用的調(diào)制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器探頭，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。一種高分辨率大量程光纖應(yīng)變傳感器，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。本發(fā)明傳感器可以較低的邊帶調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)超過1000micro-strain的應(yīng)變測(cè)量范圍，同時(shí)保持超高的應(yīng)變測(cè)量精度。避免了激光波長(zhǎng)的掃描過程，能夠?qū)崿F(xiàn)高速測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102997859SQ20121039421
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者劉慶文, 何祖源 申請(qǐng)人:無錫聯(lián)河光子技術(shù)有限公司