一種高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統的製作方法
2023-10-07 03:43:49 2
一種高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，包括：窄線寬雷射器，提供窄線寬雷射；電光/聲光調製器，對所述窄線寬雷射進行調製；射頻信號發生器，產生所述線性調頻信號；窄線寬光纖濾波器，對被調製的所述雷射進行濾波；耦合器，將所獲得的預定帶寬內可調諧的單邊帶雷射分為兩路光源；環行器，將所述第一、第二光纖光柵應變傳感器反射回來的光傳入探測器；第一、第二光纖光柵應變傳感器，分別接受外界應變和溫度信號；光電探測器，對所述第一、第二光纖光柵應變傳感器反射回來的光進行光電轉換；應變解調模塊，根據所述數位訊號獲得所述第一、第二光纖光柵應變傳感器之間的波長差，獲得其中作為傳感的光纖光柵應變傳感器的應變值。
【專利說明】一種高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖【技術領域】，尤其涉及一種基於雷射線性掃頻調製技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統。
【背景技術】
[0002]目前，光纖光柵(FBG)傳感器廣泛的應用到了各行各業。光纖光柵傳感器具有尺寸小、響應速度快、大範圍的線性響應、易復用等諸多優勢，但目前的商用的光纖光柵解調設備應變測量精度只有I μ ε，這難以滿足高精度形變測量領域(如地殼形變監測)的應變測量要求。
[0003]目前，人們提出了很多提高FBG的應變測量精度的方法，比如採用相移光纖光柵、光纖光柵法珀幹涉儀替代普通的光纖光柵，採用PDH雷射鎖頻技術提高光纖光柵測量精度等。其中，結合PDH雷射鎖頻技術，光纖光柵能夠獲得極高的應變測量精度。最早將PDH雷射鎖頻技術用於光纖光柵(FBG)FFP的應力應變測量，是2005年澳大利亞國立大學的 Jong H.Chow 等人(J.H.Chow, et al., 「Demonstration of a passive subpicostrainfiber strain sensor, 」 Optics letters, 2005),理論上分析了應變測量解析度能小於P ε / V Hz (IOOHz-1OOkHz)。同時，義大利的G.Gagliardi等人也做了這方面的研究，並且與 Jong H.Chow 進行了合作，獲得了 150ρ ε / V Hz (680Ηζ)、20ρ ε / V Hz (13kHz)應變解析度(G.Gagliardi, et al., 「FiberBragg-grating strain sensor interrogation usinglaser radio-frequency modulation, ^Optics Express, 2005)。2008 年 D.Gatti 首次將 π相移光纖光柵和PDH技術結合，在高頻段實現了解析度5ρ ε / V Hz的應變測量(D.Gatti,et al.,「Fiber strain sensor based on a p1-phase-shifted Bragg grating and thePound-Drever-HalI technique,，』Opt.Express, 2008)。
[0004]可見，這些技術，大多都是用於高頻(動態)信號的測量，很少適用於低頻(準靜態)信號的測量。對於FBG而言，實現高精度的靜態應變測量顯得更加困難。之所以高精度的靜態應變獲取相對於動態應變要困難，是因為動態傳感可以以自身作為參考，而靜態應變必須與其他的標準作對比，比如穩定的頻率成分、不受應變作用的傳感頭等。2011年以來，日本東京大學的Qinwen Liu等人多次將該項技術引入了地殼形變觀測中，實現了 5.8ng/ V Hz 的超低頻準靜態應變測量(Q.Liu, et al., 「Ultra-high-resolutionlarge-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-HalItechnique, 」 Optics letters, 2011)。但是，由於這裡採用了可調諧雷射器，其線性度限制了最終的應變測量解析度；並且，可調諧雷射器的調諧範圍有限，限制了應變測量的動態範圍；同時，可調諧雷射器的價格昂貴，這都限制了該項技術的推廣應用。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]有鑑於此，本發明的主要目的是提供一種基於雷射線性掃頻調製技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，採用雷射線性掃頻調製技術和光濾波技術，實現高精度、大動態範圍的應變測量，並重點解決基於可調諧雷射器的光纖光柵傳感系統中需要使用昂貴的可調諧雷射器，且可調諧雷射器掃描線性度不佳導致應變解調精度受限、動態範圍較小等問題。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]本發明公開了一種高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，包括:
[0009]窄線寬雷射器，用於提供窄線寬雷射；
[0010]電光/聲光調製器，用於根據線性調頻信號對窄線寬雷射器提供的所述窄線寬雷射進行調製，以使所述雷射產生頻移；
[0011]射頻信號發生器，用於產生所述線性調頻信號；
[0012]窄線寬光纖濾波器，用於對被調製的所述雷射進行濾波，獲得預定帶寬內可調諧的單邊帶雷射；
[0013]耦合器，用於將所獲得的預定帶寬內可調諧的單邊帶雷射分為兩路光源，以給第一、第二光纖光柵應變傳感器提供光源；
[0014]環行器，用於將所述耦合器分成的兩路光源傳輸至第一、第二光纖光柵應變傳感器，並將所述第一、第二光纖光柵應變傳感器反射回來的光傳入探測器；
[0015]第一、第二光纖光柵應變傳感器，用於分別接受外界應變和溫度信號，並分別反射所述兩路光源；
[0016]光電探測器，用於對所述第一、第二光纖光柵應變傳感器反射回來的光進行光電轉換，輸出電信號；
[0017]數據採集卡，用於所述電信號進行模數轉換，輸出數位訊號；
[0018]應變解調模塊，用於根據所述數位訊號獲得所述第一、第二光纖光柵應變傳感器之間的波長差，進而獲得其中作為傳感的光纖光柵應變傳感器的應變值
[0019](三)有益效果
[0020]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0021]1、本發明提供的一種基於雷射線性掃頻調製技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，採用雷射線性掃頻調製技術和光濾波技術的方案實現雷射線性可調諧，而不需要使用可調諧雷射器，大大減小了系統的造價。
[0022]2、本發明提供的一種基於雷射線性掃頻調製技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，採用高精度射頻信號發生器，結合電光/聲光調製和光纖濾波實現雷射調諧，可以解決可調諧雷射器掃描線性度不佳導致應變測量精度受限、可調諧雷射器掃描範圍受限應變測量動態範圍較小等問題，提高基於可調諧雷射器的光纖光柵傳感系統中光纖光柵應變測量的精度和動態範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明提供的基於雷射線性掃頻調製技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統的結構不意圖。
【具體實施方式】[0024]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0025]請參照圖1，圖1為本發明提供的一種基於雷射線性掃頻調製技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統的結構示意圖。
[0026]如圖1所示，該高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統包括:窄線寬雷射器1，用於給整個解調系統提供窄線寬光源；電光/聲光調製器2，用於對窄線寬雷射器的雷射進行調製，使雷射光源發生大範圍的頻移(即實現雷射頻率的調諧)，它與窄線寬光纖濾波器組合，可以替代窄線寬可調諧雷射器的頻率可調諧的功能；射頻信號發生器3，用於產生線性調頻信號，給電光/聲光調製器提供調製信號，使被調製的雷射按照線性調頻信號對應的規律(如鋸齒波、三角波)產生頻移；窄線寬光纖濾波器4,用於對被電光/聲光調製器2調製後的雷射光源進行濾波，獲得一定帶寬內可調諧的單邊帶的雷射光源；隔離器5，其位於窄線寬光纖濾波器4光路後面，用於隔離光路反射回來的光，保護窄線寬雷射器I ;耦合器6，其位於隔離器5光路後面，用於將光源分為兩路，以給兩路光纖光柵傳感器提供光源；第一環行器和第二環行器7，分別位於耦合器6分出的兩路光路後面，用於將耦合器分束後的兩路光分別傳輸至第一光纖光柵應變傳感器和第二光纖光柵應變傳感器9，並將第一、第二光纖光柵應變傳感器9反射回來的光傳入探測器10 ;第一偏振控制器和第二偏振控制器8,分別位於第一環行器和第二環行器7與兩路光纖光柵傳感器之間，用於對所述第一、第二光纖光柵傳感器反射的光進行偏振控制；由於兩路光纖光柵都具有兩個正交的偏振態，我們可以通過偏振控制器消除每個光纖光柵反射譜中一個偏振態對測量結果的影響；第一、第二光纖光柵應變傳感器9,分別位於第一偏振控制器和第二偏振控制器8光路後面,用於接受外界應變和溫度變化，並產生應變信號和溫度信號；第一、第二光電探測器10，其分別位於第一、第二環行器7與數據採集卡11之間，用於對光纖光柵傳感器反射回來的光進行光電轉換並輸出模擬電信號；數據採集卡11，用於對第一、第二探測器10輸出的模擬電信號進行採集並輸出數位訊號；應變解調設備12，用於對數據採集卡11採集到的數位訊號進行解調，計算得到第一光纖光柵應變傳感器相對於第二光纖光柵應變傳感器9的波長差，進而換算得到作為傳感的光纖光柵的應變值；計算機13，用於對光纖應變傳感信號進行顯示，並通過軟體設置射頻信號的掃頻參數，對射頻信號發生器3進行控制。
[0027]所述窄線寬雷射器I可以是光纖雷射器、也可以是半導體雷射器，具有保偏輸出。這裡，採用雷射線性掃頻調製技術替代了商用的可調諧雷射器的頻率可調諧功能，因此雷射光源不需要具有頻率可調諧功能，可以減小光源的成本。
[0028]在本發明中，所述的電光/聲光調製器2，由射頻信號發生器3進行驅動。電光/聲光調製器2可以是電光幅度調製器、電光相位調製器、聲光調製器等，具有較高的帶寬。另外，這裡需要根據調製器的技術參數，使調製後的雷射的主頻、二階邊帶及以上邊帶能量最小，僅保留兩個第一階邊帶；並且，其中一個第一階邊帶可以通過窄線寬光纖濾波器4濾掉。採用電光/聲光調製器2，其目的是實現窄線寬雷射光源的可調諧功能，以替代目前商用的可調諧雷射器的功能；這一技術的特點在於，實現的雷射頻移量可以優於目前基於壓電陶瓷的可調諧雷射器的頻率調諧量，並且具有更高的頻率可調諧一致性。
[0029]在本發明中，所述的射頻信號發生器3，用於產生線性調頻信號，給電光/聲光調製器提供調製信號，使被調製的雷射按照線性調頻信號對應的規律產生頻移。這樣要求射頻信號發生器3具有較高的電壓解析度以滿足對雷射進行調製產生頻率可調諧的高一致性要求；同時，射頻信號發生器3的帶寬需要覆蓋雷射被調製的整個帶寬。
[0030]在本發明中，所述的窄線寬光纖濾波器4，用於對被電光/聲光調製器2調製的雷射光源進行濾波，獲得一定帶寬內可調諧的單邊帶的雷射光源。窄線寬光纖濾波器4與窄線寬雷射器I具有相同的中心波長；並且，其帶寬需要覆蓋雷射被調製的整個帶寬；電光/聲光調製器2當採用單邊帶電光/聲光調製器時，可以免去使用窄線寬光纖濾波器4。
[0031]在本發明中，所述光纖光柵應變傳感器9，可以採用光纖光柵法珀式幹涉儀、相移光纖光柵，也可以使用其他幹涉式光纖傳感器；同時使用的兩個光纖傳感器一個作為參考、一個作為傳感，並且兩個傳感器具有相同的技術指標(如反射率、帶寬、自由譜長度、溫度敏感係數等)。
[0032]在本發明中，所述的兩個光纖光柵應變傳感器9應該處於溫度相對恆定、噪聲較小的環境中，保證解調結果的正確性。
[0033]在本發明中，所述的應變解調設備12，通過對兩個光纖光柵應變傳感器9的反射譜信息(通過第一、第二光電探測器10和數據採集卡11採集到)進行互相關計算，實現對光纖應變傳感信號進行解調。
[0034]在本發明中，整個解調系統的原理如下:首先通過可調諧雷射光源掃描第一光纖光柵應變傳感器和第二光纖光柵應變傳感器9的反射譜，由於光纖光柵在外界應變、溫度的作用下其反射譜的中心波長會發生漂移(中心波長的漂移量與所受應變值、溫度值具有線性關係)，因此我們可以通過對兩個光纖光柵反射譜進行互相關計算(即計算兩路光纖光柵反射譜中心波長的位置差)，得到其中作為傳感光纖光柵由外界應變引起的波長漂移(作為參考的光纖光柵只受到溫度作用，不受到應變作用，它用於對傳感光纖光柵進行溫度補償)，進行根據應變-波長漂移量關係獲得外界的應變值。
[0035]請參照圖1，該基於雷射線性掃頻調製技術的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統的工作原理為:首先，通過窄線寬雷射器1、電光/聲光調製器2、射頻信號發生器3和窄線寬光纖濾波器的組合實現高頻率一致性的可調諧單頻雷射光源，以替代商用的可調諧雷射器；其次，採用典型的基於可調諧雷射器的光纖光柵傳感解調系統方案來實現高精度的光纖光柵低頻應變傳感解調，即通過可調諧雷射光源掃描兩個光纖光柵的反射峰，再監測兩個光纖光柵9的反射峰，並對兩個光纖光柵9的反射峰信號進行互相關計算(即計算兩路光纖光柵9的反射峰信號的位置差)，再反推得到傳感光纖光柵的波長漂移，進行獲得外界的應變值。
[0036]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，包括: 窄線寬雷射器，用於提供窄線寬雷射； 電光/聲光調製器，用於根據線性調頻信號對窄線寬雷射器提供的所述窄線寬雷射進行調製，以使所述雷射產生頻移； 射頻信號發生器，用於產生所述線性調頻信號； 窄線寬光纖濾波器，用於對被調製的所述雷射進行濾波，獲得預定帶寬內可調諧的單邊帶雷射； 耦合器，用於將所獲得的預定帶寬內可調諧的單邊帶雷射分為兩路光源，以給第一、第二光纖光柵應變傳感器提供光源； 環行器，用於將所述耦合器分成的兩路光源傳輸至第一、第二光纖光柵應變傳感器，並將所述第一、第二光纖光柵應變傳感器反射回來的光傳入探測器； 第一、第二光纖光柵應變傳感器，用於分別接受外界應變和溫度信號，並分別反射所述兩路光纖傳感信號； 光電探測器，用於對所述第一、第二光纖光柵應變傳感器反射回來的光纖傳感信號進行光電轉換，輸出電信號； 數據採集卡，用於所述電信號進行模數轉換，輸出數位訊號； 應變解調模塊，用於根據所述數位訊號獲得所述第一、第二光纖光柵應變傳感器之間的波長差，進而獲得其中作為傳感的光纖光柵應變傳感器的應變值。
2.根據權利要求1所述的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，所述窄線寬雷射器為光纖雷射器或半導體雷射器，且具有保偏輸出。
3.根據權利要求1所述的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，所述電光/聲光調製器為電光幅度調製器、電光相位調製器、聲光調製器中的一個。
4.根據權利要求3所述的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，還包括: 隔離器，其位於所述窄線寬光纖濾波器光路後面，用於隔離反射回來的光。
5.根據權利要求1所述的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，所述光纖光柵應變傳感器採用光纖光柵法珀式幹涉儀或相移光纖光柵，也可以採用其他幹涉式傳感器。
6.根據權利要求2所述的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，所述應變解調模塊，通過對所述第一、第二光纖光柵應變傳感器的反射譜進行互相關計算，獲得兩者的波長差。
7.根據權利要求1所述的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，所述第一、第二光纖光柵應變傳感器中的一個作為參考光纖光柵應變傳感器，另一個作為傳感光纖光柵應變傳感器，且所述第一、第二光纖光柵應變傳感器具有相同的技術指標。
8.根據權利要求7所述的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，其還包括: 第一、第二偏振控制器，其用於對所述第一、第二光纖光柵傳感器反射的光進行偏振控制。
9.根據權利要求7所述的高精度光纖光柵低頻應變傳感解調系統，其特徵在於，還包括: 計算機，其用於顯示所述應變解調模塊得到的結果，並控制所述射頻信號發生器產生的線性調頻信號的參數 。
【文檔編號】G01B11/16GK103940362SQ201410181113
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】黃穩柱, 張文濤, 李芳
申請人:中國科學院半導體研究所