一种高分辨率大量程光纤应变传感器及其探头制造技术

本发明专利技术公布了一种高分辨率大量程光纤应变传感器探头，其包括一个具有作为参考的光纤环形腔和一个用于测量应变的光纤光栅；所述光纤环形腔和光纤光栅位置彼此靠近。一种高分辨率大量程光纤应变传感器，激光器产生的激光经分光束器后，一路光经位相调制器后用于探测传感器的光纤环形腔，另一路光经过强度调制器后，产生的光学边带信号用于探测传感器的光纤光栅；上述探测信号的反射光经光强度信号转换装置转换成强度信号，再由解调器解调，用于控制激光器的中心频率和边带信号发生器的中心频率。本发明专利技术传感器可以较低的边带调制频率实现超过1000micro-strain的应变测量范围，同时保持超高的应变测量精度。避免了激光波长的扫描过程，能够实现高速测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高分辨率大量程光纤应变传感器，利用光纤器件作为探头，对地壳形变等进行精确测量。
技术介绍
火山和地震等自然灾害的研究和预测是人口密集地区的重要社会课题。在这一领域，为了掌握地壳的运动和应力状态，需要在尽可能多的地点对地壳的形变进行长期的监测。地壳形变的周期覆盖从几十毫秒到无限长时间的准静态范围内，而且其波动的幅度从几个nano-strain到几百个micro-strain不等。为了准确地获取地壳的形变信息，所用的传感器需要具有静态应变的测量能力，超高的应变测量精度以及大的测量范围。当前地球物理领域所用的地壳应变传感器有伸缩应变计和激光干涉仪应变计等。这些仪器不仅自身价格昂贵，而且体积庞大，长度达到几米到上百米。由于这类传感器通常需要安装在地下以避免来自地面的干扰，如此大的尺寸不仅使得安装传感器的工程量非常庞大，安装的位置也受到环境的极大限制，难以大规模地推广安装，不适合构建监测地壳形变的传感器网络。光纤传感器由于其体积小，重量轻，安装方便，不易受化学物质腐蚀，不受电磁辐射干扰，能够远程传感和多点化传感的优点，非常适合于应变的检测，已经广泛应用于建筑物健康监测与智能材料之中。但是，已有的光纤传感器的技术指标尚不能完全满足地壳应变传感的需求。目前工作于准静态领域的光纤应变传感器的测量精度多数在lmicro-strain量级,远远不能达到地壳应变的nano-strain级别的精度需求。有一种高精度光纤准静态应变传感器采用原子光谱作为参考(Τ T. Y. Lam, etal.，〃High_resolution absolute frequency referenced fiber optic sensor forquas1-static strainsensing, "Applied Optics, vol. 49，pp. 4029-4033，2010)，该类型传感器的量程受限于原子光谱的带宽，应变测量量程只有几个micro-strain。另一种大量程静态应变传感器釆用可调谐激光器来扫描一对光纤光栅，获得了超过lOOmicro-strain的静态应变(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).，但是其测量精度受到激光器波长调谐中的非线性的影响，难以获得高精度。另一种高精度应变传感器釆用一种边带探测技术并用波长可调谐激光器来探测一对相同的光纤探头获得了高的应变精度(Q. Liu, et al.，"Sub-nano resolutionfiber optic static strain sensor using a sideband interrogation technique, 〃0pt.Lett.，37(3) :434-436(2012)),但是其测量范围受限于边带调制信号的频率范围，测量速度也比较慢。同时能实现超高应变精度和超大应变测量量程的光纤应变传感技术，之前还没有好的方法
技术实现思路
本专利技术目的在于针对地壳应变测量领域的应用，提供一种具有超高应变分辨率和超大测量量程的光纤传感器及其探头，能有效地对地壳的形变进行检测。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案—种高分辨率大量程光纤应变传感器探头，其特征在于其包括一个具有作为参考的光纤环形腔和一个用于测量应变的光纤光栅；所述光纤环形腔和光纤光栅位置彼此靠近。其进一步特征在于所述光纤光栅为普通光栅或位相移动光栅。进一步的激光束经光回旋器，再经光分束器耦合进入光纤环形腔，透射激光束经过光回旋器回到入射光纤，用一根光纤实现上行光和下行光的复用。一种高分辨率大量程光纤应变传感器，其特征在于其包括激光器、信号发生器、边带信号发生器、位相调制器、强度调制器、分光束器、光回旋器、光强度信号转换装置、解调器和传感器探头；激光器产生的激光经分光束器后，一路光经位相调制器后用于探测传感器的光纤环形腔，另一路光经过强度调制器后，产生的光学边带信号用于探测传感器的光纤光栅；上述探测信号的反射光经光强度信号转换装置转换成强度信号，再由解调器解调，用于控制激光器的中心频率和边带信号发生器的中心频率。其进一步特征在于所述边带信号发生器内部包含一个Ι/Q射频信号调制器，输出强度调制器所用的调制信号。本专利技术传感器可以较低的边带调制频率实现超过lOOOmicro-strain的应变测量范围，同时保持超高的应变测量精度。由于利用了将激光和边带频率分别锁定光纤环形腔fiber ring和光纤光栅FBG的方法，避免了激光波长的扫描过程，能够实现高速测量。附图说明图1为本专利技术传感器探头示意图。图中，参考(Reference),测量(Measuring),环(ring)，位相移动光栅(J1-phase shifted FBG)，CIR是光回旋器，CP是光分束器。 图2为本专利技术传感器示意图。图中，电脑(computer),激光器(laser), FG是信号发生器，PM是位相调制器，IM是光强调制器，CP是光分束器，CIR是光回旋器，解调器(Demodulator),光强度信号转换装置(PD),传感探头(sensor head),边带信号发生器(sideband generator),激光锁相(lock loop for laser),边带锁相(lock loop forsideband), FG (Mod)是调制用射频信号发生器。图3为边带调制信号发生器的示意图。图中I/Q Quadrature modulator是I/Q调制器，Quadrature phase splitter是π/2分相器,FG (Lo)是高频射频信号发生器,FG(Mod)是调制用射频信号发生器，Output是输出信号。图4为实验原理示意图。图中spectrum of fiber ring为光纤环形腔的光谱,spectrum of n -phase shifted FBG为位相移动光栅的光谱，sideband为边带，laser为激光。图5为解调信号曲线。图中横轴为激光器的调谐频率(frequency deviation),纵轴为解调信号的强度。具体实施方式如图1所示一种高分辨率大量程光纤应变传感器探头，具有作为参考的一个光纤环形腔(fiber ring)和一个用于测量应变的光纤光栅(FBG,包括普通光栅和位相移动光栅J1-phase shifted FBG，位相移动光栅具有更好的性能)。光纤光栅FBG是应变测量部件，待测形变即施加在FBG上；fiber ring是参考部件,不受外界应变的影响。Fiber ring与FBG的位置彼此靠近，以达到两者具有相同温度的目的。FBG具有一个谐振频率(该谐振频率对于普通FBG而言，是指具有高反射率处的光频率；对于π-phase shifted FBG而言，是指高反射率频率范围内的非常狭窄的高透射率光频率)，该频率是待测应变和温度的线性函数，而fiber ring具有一些系列分立的谐振频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高分辨率大量程光纤应变传感器探头，其特征在于：其包括一个具有作为参考的光纤环形腔和一个用于测量应变的光纤光栅；所述光纤环形腔和光纤光栅位置彼此靠近。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆文，何祖源，
申请(专利权)人：无锡联河光子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：