一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，包括：窄线宽激光器，提供窄线宽激光；电光/声光调制器，对所述窄线宽激光进行调制；射频信号发生器，产生所述线性调频信号；窄线宽光纤滤波器，对被调制的所述激光进行滤波；耦合器，将所获得的预定带宽内可调谐的单边带激光分为两路光源；环行器，将所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光传入探测器；第一、第二光纤光栅应变传感器，分别接受外界应变和温度信号；光电探测器，对所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光进行光电转换；应变解调模块，根据所述数字信号获得所述第一、第二光纤光栅应变传感器之间的波长差，获得其中作为传感的光纤光栅应变传感器的应变值。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统
本专利技术涉及光纤
，尤其涉及一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统。
技术介绍
目前，光纤光栅(FBG)传感器广泛的应用到了各行各业。光纤光栅传感器具有尺寸小、响应速度快、大范围的线性响应、易复用等诸多优势，但目前的商用的光纤光栅解调设备应变测量精度只有1με，这难以满足高精度形变测量领域(如地壳形变监测)的应变测量要求。目前，人们提出了很多提高FBG的应变测量精度的方法，比如采用相移光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪替代普通的光纤光栅，采用PDH激光锁频技术提高光纤光栅测量精度等。其中，结合PDH激光锁频技术，光纤光栅能够获得极高的应变测量精度。最早将PDH激光锁频技术用于光纤光栅(FBG)FFP的应力应变测量，是2005年澳大利亚国立大学的JongH.Chow等人(J.H.Chow，eta1.，“Demonstrationofapassivesubpicostrainfiberstrainsensor，”Opticsletters，2005)，理论上分析了应变测量分辨率能小于pε/√Hz(100Hz-100kHz)。同时，意大利的G.Gagliardi等人也做了这方面的研究，并且与JongH.Chow进行了合作，获得了150pε/√Hz(680Hz)、20pε/√Hz(13kHz)应变分辨率(G.Gagliardi，etal.，“FiberBragg-gratingstrainsensorinterrogationusinglaserradio-frequencymodulation，”OpticsExpress，2005)。2008年D.Gatti首次将π相移光纤光栅和PDH技术结合，在高频段实现了分辨率5pε/√Hz的应变测量(D.Gatti，eta1.，“Fiberstrainsensorbasedonapi-phase-shiftedBragggratingandthePound-Drever-Halltechnique，”Opt.Express，2008)。可见，这些技术，大多都是用于高频(动态)信号的测量，很少适用于低频(准静态)信号的测量。对于FBG而言，实现高精度的静态应变测量显得更加困难。之所以高精度的静态应变获取相对于动态应变要困难，是因为动态传感可以以自身作为参考，而静态应变必须与其他的标准作对比，比如稳定的频率成分、不受应变作用的传感头等。2011年以来，日本东京大学的QinwenLiu等人多次将该项技术引入了地壳形变观测中，实现了5.8ng/√Hz的超低频准静态应变测量(Q.Liu，etal.，“Ultra-high-resolutionlarge-dynamic-rangeopticalfiberstaticstrainsensorusingPound-Drever-Halltechnique，”Opticsletters，2011)。但是，由于这里采用了可调谐激光器，其线性度限制了最终的应变测量分辨率；并且，可调谐激光器的调谐范围有限，限制了应变测量的动态范围；同时，可调谐激光器的价格昂贵，这都限制了该项技术的推广应用。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术，实现高精度、大动态范围的应变测量，并重点解决基于可调谐激光器的光纤光栅传感系统中需要使用昂贵的可调谐激光器，且可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变解调精度受限、动态范围较小等问题。(二)技术方案本专利技术公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器，用于提供窄线宽激光；电光/声光调制器，用于根据线性调频信号对窄线宽激光器提供的所述窄线宽激光进行调制，以使所述激光产生频移；射频信号发生器，用于产生所述线性调频信号；窄线宽光纤滤波器，用于对被调制的所述激光进行滤波，获得预定带宽内可调谐的单边带激光；耦合器，用于将所获得的预定带宽内可调谐的单边带激光分为两路光源，以给第一、第二光纤光栅应变传感器提供光源；环行器，用于将所述耦合器分成的两路光源传输至第一、第二光纤光栅应变传感器，并将所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光传入探测器；第一、第二光纤光栅应变传感器，用于分别接受外界应变和温度信号，并分别反射所述两路光源；光电探测器，用于对所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光进行光电转换，输出电信号；数据采集卡，用于所述电信号进行模数转换，输出数字信号；应变解调模块，用于根据所述数字信号获得所述第一、第二光纤光栅应变传感器之间的波长差，进而获得其中作为传感的光纤光栅应变传感器的应变值(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术的方案实现激光线性可调谐，而不需要使用可调谐激光器，大大减小了系统的造价。2、本专利技术提供的一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用高精度射频信号发生器，结合电光/声光调制和光纤滤波实现激光调谐，可以解决可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、可调谐激光器扫描范围受限应变测量动态范围较小等问题，提高基于可调谐激光器的光纤光栅传感系统中光纤光栅应变测量的精度和动态范围。附图说明图1为本专利技术提供的基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。请参照图1，图1为本专利技术提供的一种基于激光线性扫频调制技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统的结构示意图。如图1所示，该高精度光纤光栅低频应变传感解调系统包括：窄线宽激光器1，用于给整个解调系统提供窄线宽光源；电光/声光调制器2，用于对窄线宽激光器的激光进行调制，使激光光源发生大范围的频移(即实现激光频率的调谐)，它与窄线宽光纤滤波器组合，可以替代窄线宽可调谐激光器的频率可调谐的功能；射频信号发生器3，用于产生线性调频信号，给电光/声光调制器提供调制信号，使被调制的激光按照线性调频信号对应的规律(如锯齿波、三角波)产生频移；窄线宽光纤滤波器4，用于对被电光/声光调制器2调制后的激光光源进行滤波，获得一定带宽内可调谐的单边带的激光光源；隔离器5，其位于窄线宽光纤滤波器4光路后面，用于隔离光路反射回来的光，保护窄线宽激光器1；耦合器6，其位于隔离器5光路后面，用于将光源分为两路，以给两路光纤光栅传感器提供光源；第一环行器和第二环行器7，分别位于耦合器6分出的两路光路后面，用于将耦合器分束后的两路光分别传输至第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器9，并将第一、第二光纤光栅应变传感器9反射回来的光传入探测器10；第一偏振控制器和第二偏振控制器8，分别位于第一环行器和第二环行器7与两路光纤光栅传感器之间，用于对所述第一、第二光纤光栅传感器反射的光进行偏振控制；由于两路光纤光栅都具有两个正交的偏振态，我们可以通过偏振控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器，用于提供窄线宽激光；电光/声光调制器，用于根据线性调频信号对窄线宽激光器提供的所述窄线宽激光进行调制，以使所述激光产生频移；射频信号发生器，用于产生所述线性调频信号；窄线宽光纤滤波器，用于对被调制的所述激光进行滤波，获得预定带宽内可调谐的单边带激光；耦合器，用于将所获得的预定带宽内可调谐的单边带激光分为两路光源，以给第一、第二光纤光栅应变传感器提供光源；环行器，用于将所述耦合器分成的两路光源传输至第一、第二光纤光栅应变传感器，并将所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光传入探测器；第一、第二光纤光栅应变传感器，用于分别接受外界应变和温度信号，并分别反射所述两路光纤传感信号；光电探测器，用于对所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光纤传感信号进行光电转换，输出电信号；数据采集卡，用于所述电信号进行模数转换，输出数字信号；应变解调模块，用于根据所述数字信号获得所述第一、第二光纤光栅应变传感器之间的波长差，进而获得其中作为传感的光纤光栅应变传感器的应变值。

【技术特征摘要】
1.一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器，用于提供窄线宽激光；电光/声光调制器，用于根据线性调频信号对窄线宽激光器提供的所述窄线宽激光进行调制，以使所述激光产生频移；射频信号发生器，用于产生所述线性调频信号；窄线宽光纤滤波器，用于对被调制的所述激光进行滤波，获得预定带宽内可调谐的单边带激光；耦合器，用于将所获得的预定带宽内可调谐的单边带激光分为两路光源，以给第一、第二光纤光栅应变传感器提供光源；环行器，用于将所述耦合器分成的两路光源传输至第一、第二光纤光栅应变传感器，并将所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光传入探测器；第一、第二光纤光栅应变传感器，用于分别接受外界应变和温度信号，并分别反射所述两路光纤传感信号；光电探测器，用于对所述第一、第二光纤光栅应变传感器反射回来的光纤传感信号进行光电转换，输出电信号；数据采集卡，用于所述电信号进行模数转换，输出数字信号；应变解调模块，用于根据所述数字信号获得所述第一、第二光纤光栅应变传感器之间的波长差，进而获得其中作为传感的光纤光栅应变传感器的应变值；其中，所述第一、第二光纤光栅应变传感器中的一个作为参考光纤光栅应变传感器，另一个作为传感光纤光栅应变传感器，且所述第一、第二光纤光栅应变传感器具有相同的技术指标；所述可调谐激光光源扫描第一光纤光栅应变传感器和第二光纤光栅应变传感器的反射谱，由于光纤光栅在外界应变、温度的作用下其反射谱的中心波长会发生漂移，通过应变解调...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄稳柱，张文涛，李芳，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11