光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及的是一種光纖傳感領(lǐng)域的技術(shù)，具體是采樣率達(dá)到ks/s級(jí)、分辨 率達(dá)到皮應(yīng)變級(jí)〔Ι0_12￡·,/ν7^〕且具有高長(zhǎng)期穩(wěn)定性的光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 進(jìn)行地球物理學(xué)相關(guān)研究，如：地質(zhì)構(gòu)造中地殼的微變過(guò)程，地震、火山等地質(zhì)災(zāi) 害監(jiān)測(cè)，所涉及待測(cè)物理場(chǎng)的顯著特點(diǎn)在于其變化量極其微小、變化周期長(zhǎng)且長(zhǎng)期變化范 圍廣。因而對(duì)傳感器的靈敏度、絕對(duì)精度及動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)提出了很高的要求，而為捕獲劇 烈地質(zhì)活動(dòng)發(fā)生時(shí)次聲波頻段的應(yīng)變信號(hào)，還需要傳感器具有較高的傳感取樣速率。
[0003] 高精度的光纖光柵應(yīng)變傳感器其中心透射峰寬度僅有幾pm甚至小于1pm，大大提 高了傳感器的應(yīng)變分辨率，可以擁有完成上述工作。這類傳感器的解調(diào)方案大致可分為兩 種：一類是基于Pound-Drever-Hall技術(shù)通過(guò)快速反饋實(shí)現(xiàn)高精度的靜態(tài)應(yīng)變傳感，其 特點(diǎn)是：系統(tǒng)傳感帶寬較高，在較高頻率時(shí)（1Hz~1kHz)具有較高的分辨率，但由于沒(méi)有 補(bǔ)償系統(tǒng)，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，系統(tǒng)無(wú)法將真正的應(yīng)變信號(hào)與各器件的漂移（例如溫度變化 導(dǎo)致的激光器中心波長(zhǎng)漂移）區(qū)分出來(lái)，這大大降低了測(cè)得應(yīng)變信號(hào)的絕對(duì)精度與系統(tǒng)的 長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)于低頻信號(hào)（〈10Hz)的分辨率較低，且隨著頻率的降低，其誤差快速上升。 另一類系統(tǒng)是基于雙光柵結(jié)構(gòu)（傳感光柵加參考光柵，參考光柵起補(bǔ)償作用），基于掃頻光 源獲得頻譜，該類系統(tǒng)測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)的性能會(huì)有較大提高，但受到光源掃頻速率的限制 (由于光源掃頻時(shí)還需要保持窄線寬與掃頻線性度，因此掃頻率速率一般為每秒幾次至幾 十次），系統(tǒng)的傳感帶寬很低（通常為幾Hz甚至更低）。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)，其 測(cè)量精度達(dá)到皮應(yīng)變級(jí)別，傳感取樣速率達(dá)到kS/s，同時(shí)具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的特點(diǎn)。
[0005] 本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本實(shí)用新型包括：第一反饋回路、第二反饋回路、電信號(hào)發(fā)生器和處理模塊，其中： 電信號(hào)發(fā)生器分別與第一反饋回路、第二反饋回路相連并輸出電信號(hào)，第一反饋回路與第 二反饋回路相連并傳輸經(jīng)相位調(diào)制的激光信號(hào)，第二反饋回路與處理模塊相連并傳輸經(jīng)解 調(diào)的低頻信號(hào)；
[0007]所述的第一反饋回路包括：依次相連的第一電信號(hào)相位解調(diào)模塊、第一控制電路、 激光器、光相位調(diào)制器、光親合器、第一光環(huán)行器、參考光柵以及輸入端和輸出端分別與第 一光環(huán)行器和第一電信號(hào)相位解調(diào)模塊相連的第一光電探測(cè)器；
[0008] 所述的第二反饋回路包括：依次相連的第二電信號(hào)相位解調(diào)模塊、第二控制電路、 射頻信號(hào)發(fā)生模塊、光強(qiáng)度調(diào)制器、第二光環(huán)行器、傳感光柵以及輸入端和輸出端分別與第 二光環(huán)行器和第二電信號(hào)相位解調(diào)模塊相連的第二光電探測(cè)器；
[0009] 所述的光親合器的一個(gè)輸出端與光強(qiáng)度調(diào)制器的一個(gè)輸入端相連。
[0010] 所述的低頻信號(hào)是指入射光中心頻率與傳感光柵透射中心頻率差。
[0011] 技術(shù)效果
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)效果包括：
[0013] 1)采用具有超窄激射窗口的相移布拉格光柵作為應(yīng)變傳感探頭，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的 應(yīng)變分辨率，同時(shí)，系統(tǒng)采用快速的反饋結(jié)構(gòu)控制探測(cè)光對(duì)光柵的極窄透射中心進(jìn)行跟隨， 因此能夠?qū)崿F(xiàn)很高的傳感速率；
[0014] 2)采用雙反饋回路結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)有技術(shù)方案中"頻率鎖定"傳感精度高、傳感速率快 的優(yōu)勢(shì)，與"雙光柵掃頻"系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性高、對(duì)外界環(huán)境變化不敏感的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，最終實(shí) 現(xiàn)了同時(shí)具有傳感速率高、測(cè)量范圍大、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的超高精度光纖應(yīng)變傳感器。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為光柵透射峰中心頻率與應(yīng)變、溫度變化關(guān)系圖譜，其中：(a)為傳感光柵、參 考光柵的透射峰中心頻率與溫度變化的關(guān)系圖譜，（b)為傳感光柵、參考光柵的透射峰中心 頻率與應(yīng)變變化的關(guān)系圖譜；
[0017] 圖3為入射光頻率與相位解調(diào)信號(hào)關(guān)系圖；
[0018] 圖4為系統(tǒng)工作原理圖，其中：(a)為第一反饋回路補(bǔ)償溫度漂移，（b)為第二反饋 回路探測(cè)應(yīng)變信號(hào)；
[0019] 圖5為實(shí)施例1的測(cè)試結(jié)果圖；
[0020] 圖中：激光器1、光相位調(diào)制器2、光耦合器3、光強(qiáng)度調(diào)制器4、第一光環(huán)行器5、第 二光環(huán)行器6、第一光電探測(cè)器7、第二光電探測(cè)器8、第一電信號(hào)相位解調(diào)模塊9、第二電信 號(hào)相位解調(diào)模塊10、第一控制電路模塊11、第二控制電路模塊12、射頻信號(hào)發(fā)生模塊13,電 信號(hào)發(fā)生器14、傳感光柵15、參考光柵16、射頻信號(hào)頻率檢測(cè)模塊17。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] 如圖1所示，本實(shí)施例包括：第一反饋回路、第二反饋回路、電信號(hào)發(fā)生器14和射 頻信號(hào)頻率檢測(cè)模塊17,其中：電信號(hào)發(fā)生器14分別與第一反饋回路、第二反饋回路相連 并輸出電信號(hào)，第一反饋回路與第二反饋回路相連并傳輸經(jīng)相位調(diào)制的激光信號(hào)，第二反 饋回路與射頻信號(hào)頻率檢測(cè)模塊17相連并傳輸經(jīng)解調(diào)的低頻信號(hào)；
[0024] 所述的第一反饋回路包括：依次相連的第一電信號(hào)相位解調(diào)模塊9、第一控制電 路11、激光器1、光相位調(diào)制器2、光親合器3、第一光環(huán)行器5、參考光柵16以及輸入端和輸 出端分別與第一光環(huán)行器5和第一電信號(hào)相位解調(diào)模塊9相連的第一光電探測(cè)器7 ;
[0025] 所述的第二反饋回路包括：依次相連的第二電信號(hào)相位解調(diào)模塊10、第二控制電 路12、射頻信號(hào)發(fā)生模塊13、光強(qiáng)度調(diào)制器4、第二光環(huán)行器6、傳感光柵15以及輸入端和 輸出端分別與第二光環(huán)行器6和第二電信號(hào)相位解調(diào)模塊10相連的第二光電探測(cè)器8 ;
[0026] 所述的光親合器3的一個(gè)輸出端與光強(qiáng)度調(diào)制器4的一個(gè)輸入端相連。
[0027] 所述的第一光環(huán)行器5的一端口與光親合器3相連，二端口與參考光柵16相連， 三端口與第一光電探測(cè)器7相連。
[0028] 所述的第二光環(huán)行器6的一端口與光強(qiáng)度調(diào)制器4相連，二端口與傳感光柵15相 連，三端口與第二光電探測(cè)器8相連。
[0029] 所述的電信號(hào)發(fā)生器14的輸出端分別與第一電信號(hào)相位解調(diào)模塊9、光相位調(diào)制 器2和第二電信號(hào)相位解調(diào)模塊10相連。
[0030] 所述的射頻信號(hào)頻率檢測(cè)模塊17從射頻