一种基于飞行时间探测的应变传感系统及其传感方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于飞行时间探测的应变传感系统及其传感方法。本发明专利技术将与参考激光脉冲序列同步的微波信号，和经应变传感器的探测激光脉冲序列一同送入第二光纤环路光‑微波相位探测器，获取与应变有关的误差信号；采用微波信号测量范围大，采用光纤环路光‑微波相位探测器探测精度高；本发明专利技术同时实现高精度的静态应变和动态应变传感，并且具有大的动态范围；使用自由运转的脉冲激光器，不需要复杂的激光稳定装置和信号处理算法，在实现相近分辨率、动态范围的情况下，性价比更高；在远程监测应变时同样具有高的分辨率和大的动态范围；脉冲激光中，如使用锁模激光，则具有更宽的光谱，可获得很好的复用性。

A strain sensing system based on flight time detection and its sensing method

The invention discloses a strain sensing system based on flight time detection and a sensing method thereof. The microwave pulse signal sequence synchronization with the reference laser, and the detection of laser pulse sequence of strain sensor together into second optical fiber loop microwave phase detector, and obtain the strain related error signal; microwave signal measurement range, using optical fiber loop optical microwave phase detector high detection precision; the invention at the same time to achieve high precision static and dynamic strain sensing, and has a large dynamic range pulse laser; use free running, do not need stable laser device and a signal processing algorithm, similar resolution and dynamic range in the implementation of the case, more cost-effective; with the same high resolution and large dynamic range in the distance strain monitoring; pulse laser, such as the use of mode-locked laser, has a wider spectrum, can achieve good recovery Usability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞行时间探测的应变传感系统及其传感方法
本专利技术涉及应变传感技术，具体涉及一种基于飞行时间探测的应变传感系统及其传感方法。
技术介绍
光纤应变传感器由于其优良的鲁棒性、灵活性和灵敏度，在科学和工程领域有着重要的应用。在过去的几十年里，不同种类的光学应变传感器不断涌现。例如，基于布里渊散射的应变传感器可以以毫米级的空间分辨率和微应变的应变分辨率分布式地监测光纤链路里的应变，光纤布拉格光栅型的应变传感器可以在微应变量级动态范围内，实现纳应变量级的静态(小于10Hz)应变测量和亚皮应变量级的动态(大于10Hz)应变测量。由于高的性价比、良好的灵活性和强的抗电磁干扰能力，一部分的应变传感器已经商用化。最近，双光梳技术的引入，使得光纤布拉格光栅型的应变传感器在毫应变动态范围内，可达34纳应变的分辨率。虽然动态应变传感的分辨率已达亚皮应变量级，静态应变的分辨率却由于1/f噪声(来源于激光器和环境扰动中低频噪声)而难以提高。因此，对于高精度的静态应变传感而言，常常需要用外加的参考源(如稳定的光学频率梳、原子吸收线或是完全一样但无应变的传感头)来补偿环境温度的慢变。在这种静态应变传感方法中，配合窄线宽连续激光器的光纤布拉格光栅传感器可以实现最高的分辨率。对于光纤布拉格光栅传感器，扫频式和固定波长式的连续激光都有运用。扫频式的方案可以提供高达10纳应变的分辨率，但频率扫描常常会影响数据读取速度，使其难以提高，通常在10Hz以下。除此之外，这种方案的分辨率还受光谱扫描的非线性和非理想重复性影响。非扫频式的方案可以克服这些限制，在低频频段，分辨率可达亚纳应变量级。在这种方案中，连续激光器通过Pound-Drever-Hall(PDH)技术被锁定到光学参考源上。使用双PDH反馈环，最新的成果实现了10Hz附近10pε/Hz1/2的分辨率。然而，由于激光锁定和误差信号探测过程复杂，这种方案的动态范围和复用性并不好。因此，如何同时实现高的分辨率、快的探测速度、大的动态范围和好的复用能力，是当前静态应变传感所遇到的一个难题。
技术实现思路
针对以上现有技术中遇到的问题，本专利技术提出了一种基于飞行时间探测的应变传感系统及其传感方法，通过探测激光脉冲序列由于应变导致飞行时间的改变，来进行应变传感，以实现在大的动态范围内同时获得高的静态和动态应变分辨率。本专利技术的一个目的在于提出一种基于飞行时间探测的应变传感系统。本专利技术的应变传感系统根据探测距离的远近分为本地应变传感系统和远程应变传感系统，分别用于近距离探测和远程探测，远程指1km以上。本专利技术的基于飞行时间探测的本地应变传感系统包括：脉冲激光器、光纤分束器、第一光纤环路光-微波相位探测器、比例-积分反馈控制装置、微波源、应变传感器、第二光纤环路光-微波相位探测器和数据采集装置；其中，脉冲激光器输出激光脉冲序列；经光纤分束器分成两部分，分别为参考激光脉冲序列和探测激光脉冲序列；参考激光脉冲序列经光纤传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，并且微波源输出的微波信号也传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，第一光纤环路光-微波相位探测器得到参考激光脉冲序列和微波信号的相位误差信号；相位误差信号再传输至入比例-积分反馈控制装置，产生控制信号，传输至微波源；控制信号对微波源进行调节，使得微波源输出的微波信号与参考激光脉冲序列同步；探测激光脉冲序列经过应变传感器，传输至第二光纤环路光-微波相位探测器，由于应变传感器处的应变，探测激光脉冲序列所经历的光程发生改变，从而使得探测激光脉冲序列的飞行延时发生改变；已与参考激光脉冲序列同步的微波信号也传输至第二光纤环路光-微波相位探测器；第二光纤环路光-微波相位探测器以微波信号为基准，获取与应变有关的误差信号，由数据采集装置读取；数据采集装置通过分析与应变有关的误差信号得到延时，从而得到应变传感器处的应变信息。本专利技术的基于飞行时间探测的远程应变传感系统包括：本地端部分、光纤环行器和远端部分；其中，本地端部分包括脉冲激光器、第一和第二光纤环路光-微波相位探测器、比例-积分反馈控制装置、微波源、第一和第二光纤放大器、第一波分复用器和数据采集装置；远端部分包括第二波分复用器、第一反射镜、应变传感器和第二反射镜；本地端部分的脉冲激光器输出激光脉冲序列；经传输光纤和色散补偿光纤传输至光纤环形器的第一端口，经第二端口输出至远端部分的第二波分复用器；第二波分复用器将激光脉冲序列解复用为两部分，分别为参考激光脉冲序列和探测激光脉冲序列；参考激光脉冲序列经光纤传输至第一反射镜，反射后返回第二波分复用器；探测激光脉冲序列经过应变传感器传输至第二反射镜返回，再次经过应变传感器，光程发生改变，从而改变延时，返回第二波分复用器；第二波分复用器将参考激光脉冲序列和探测激光脉冲序列复用为一束光，传输至光纤环形器的第二端口，由第三端口输出，经传输光纤和色散补偿光纤传输至本地端部分的第一波分复用器；第一波分复用器激光脉冲序列解复用为两部分，分别为参考激光脉冲序列和延时改变的探测激光脉冲序列；参考激光脉冲序列经第一光纤放大器放大后传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，并且微波源输出的微波信号也传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，第一光纤环路光-微波相位探测器得到参考激光脉冲序列和微波信号的相位误差信号；相位误差信号再传输至入比例-积分反馈控制装置，产生控制信号，传输至微波源；控制信号对微波源进行调节，使得微波源输出的微波信号与参考激光脉冲序列同步；探测激光脉冲序列经第二光纤放大器放大后传输至第二光纤环路光-微波相位探测器；已与参考激光脉冲序列同步的微波信号也传输至第二光纤环路光-微波相位探测器；第二光纤环路光-微波相位探测器获取与应变有关的误差信号，由数据采集装置读取；数据采集装置通过分析与应变有关的误差信号得到延时，从而得到应变传感器处的应变信息。脉冲激光器采用掺饵锁模飞秒光纤激光器、掺饵锁模皮秒光纤激光器、固体脉冲激光器和半导体脉冲激光器中的一种。微波源采用压控晶振或介质振荡器。对于大于1Hz的高频应变，数据采集装置采用傅里叶频谱分析仪，对于小于1Hz的低频应变，数据采集装置采用数据采集卡。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于飞行时间探测的应变传感方法。本专利技术的应变传感方法根据探测距离的远近分为本地应变传感方法和远程应变传感方法，分别用于近距离探测和远程探测，远程指1km以上。本专利技术的基于飞行时间探测的本地应变传感方法，探测距离小于1km，包括以下步骤：1)脉冲激光器输出激光脉冲序列；2)激光脉冲序列经光纤分束器分成两部分，分别为参考激光脉冲序列和探测激光脉冲序列；3)参考激光脉冲序列经光纤传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，并且微波源输出的微波信号也传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，第一光纤环路光-微波相位探测器得到参考激光脉冲序列和微波信号的相位误差信号；4)相位误差信号再传输至入比例-积分反馈控制装置，产生控制信号，传输至微波源；控制信号对微波源进行调节，使得微波源输出的微波信号与参考激光脉冲序列同步；5)探测激光脉冲序列经过应变传感器，传输至第二光纤环路光-微波相位探测器，由于应变传感器处的应变，探测激光脉冲序列的光程发生改变，从而使得探测激光脉冲序列的飞行延时发生改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于飞行时间探测的本地应变传感系统，其特征在于，所述本地应变传感系统包括：脉冲激光器、光纤分束器、第一光纤环路光‑微波相位探测器、比例‑积分反馈控制装置、微波源、应变传感器、第二光纤环路光‑微波相位探测器和数据采集装置；其中，所述脉冲激光器输出激光脉冲序列；经光纤分束器分成两部分，分别为参考激光脉冲序列和探测激光脉冲序列；参考激光脉冲序列经光纤传输至第一光纤环路光‑微波相位探测器，并且微波源输出的微波信号也传输至第一光纤环路光‑微波相位探测器，第一光纤环路光‑微波相位探测器得到参考激光脉冲序列和微波信号的相位误差信号；相位误差信号再传输至入比例‑积分反馈控制装置，产生控制信号，传输至微波源；控制信号对微波源进行调节，使得微波源输出的微波信号与参考激光脉冲序列同步；探测激光脉冲序列经过应变传感器，传输至第二光纤环路光‑微波相位探测器，由于应变传感器处的应变，探测激光脉冲序列的光程发生改变，从而使得探测激光脉冲序列的飞行延时发生改变；已与参考激光脉冲序列同步的微波信号也传输至第二光纤环路光‑微波相位探测器；第二光纤环路光‑微波相位探测器以微波信号为基准，获取与应变有关的误差信号，由数据采集装置读取；数据采集装置通过分析与应变有关的误差信号得到延时，从而得到应变传感器处的应变信息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于飞行时间探测的本地应变传感系统，其特征在于，所述本地应变传感系统包括：脉冲激光器、光纤分束器、第一光纤环路光-微波相位探测器、比例-积分反馈控制装置、微波源、应变传感器、第二光纤环路光-微波相位探测器和数据采集装置；其中，所述脉冲激光器输出激光脉冲序列；经光纤分束器分成两部分，分别为参考激光脉冲序列和探测激光脉冲序列；参考激光脉冲序列经光纤传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，并且微波源输出的微波信号也传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，第一光纤环路光-微波相位探测器得到参考激光脉冲序列和微波信号的相位误差信号；相位误差信号再传输至入比例-积分反馈控制装置，产生控制信号，传输至微波源；控制信号对微波源进行调节，使得微波源输出的微波信号与参考激光脉冲序列同步；探测激光脉冲序列经过应变传感器，传输至第二光纤环路光-微波相位探测器，由于应变传感器处的应变，探测激光脉冲序列的光程发生改变，从而使得探测激光脉冲序列的飞行延时发生改变；已与参考激光脉冲序列同步的微波信号也传输至第二光纤环路光-微波相位探测器；第二光纤环路光-微波相位探测器以微波信号为基准，获取与应变有关的误差信号，由数据采集装置读取；数据采集装置通过分析与应变有关的误差信号得到延时，从而得到应变传感器处的应变信息。2.如权利要求1所述的本地应变传感系统，其特征在于，所述脉冲激光器采用掺饵锁模飞秒光纤激光器、掺饵锁模皮秒光纤激光器、固体脉冲激光器和半导体脉冲激光器中的一种。3.如权利要求1所述的本地应变传感系统，其特征在于，所述微波源采用压控晶振或介质振荡器。4.如权利要求1所述的本地应变传感系统，其特征在于，对于大于1Hz的高频应变，数据采集装置采用傅里叶频谱分析仪，对于小于1Hz的低频应变，数据采集装置采用数据采集卡。5.一种基于飞行时间探测的远程应变传感系统，其特征在于，所述远程应变传感系统包括：本地端部分、光纤环行器和远端部分；其中，所述本地端部分包括脉冲激光器、第一和第二光纤环路光-微波相位探测器、比例-积分反馈控制装置、微波源、第一和第二光纤放大器、第一波分复用器和数据采集装置；所述远端部分包括第二波分复用器、第一反射镜、应变传感器和第二反射镜；所述本地端部分的脉冲激光器输出激光脉冲序列；经传输光纤和色散补偿光纤传输至光纤环形器的第一端口，经第二端口输出至远端部分的第二波分复用器；第二波分复用器将激光脉冲序列解复用为两部分，分别为参考激光脉冲序列和探测激光脉冲序列；参考激光脉冲序列经光纤传输至第一反射镜，反射后返回第二波分复用器；探测激光脉冲序列经过应变传感器传输至第二反射镜返回，再次经过应变传感器，光程发生改变，从而改变延时，返回第二波分复用器；所述第二波分复用器将参考激光脉冲序列和探测激光脉冲序列复用为一束光，传输至光纤环形器的第二端口，由第三端口输出，经传输光纤和色散补偿光纤传输至本地端部分的第一波分复用器；所述第一波分复用器激光脉冲序列解复用为两部分，分别为参考激光脉冲序列和延时改变的探测激光脉冲序列；参考激光脉冲序列经第一光纤放大器放大后传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，并且微波源输出的微波信号也传输至第一光纤环路光-微波相位探测器，第一光纤环路光-微波相位探测器得到参考激光脉冲序列和微波信号的相位误差信号；相位误差信号再传输至入比例-积分反馈控制装置，产生控制信号，传输至微波源；控制信号对微波源进行调节，使得微波源输出的微波信号与参考激光脉冲序列同步；探测激光脉冲序列经第二光纤放大器放大后传输至第二光纤环路光-微波相位探测器；已与参考激光脉冲序列同步的微波信号也传输至第二光纤环路光-微波相位探测器；第二光纤环路光-微波相位探测器获取与应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：施可彬，陆星，金正元，章双佑，
申请(专利权)人：北京大学，韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：北京,11