[发明专利]一种高分辨率大量程光纤应变传感器及其探头

说明书

技术领域

本发明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。 

背景技术

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1micro-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(T T.Y.Lam,et al.,High-resolution absolute frequency referenced fiber optic sensor for quasi-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采用可调谐激光器来扫描一对光纤光栅，获得了超过100micro-strain的静态应变(Q.Liu,et al.,Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor usingPound-Drever-Hall technique,Opt.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采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 resolution fiber optic static strain sensor using a sideband interrogation technique,Opt.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。 

发明内容

本发明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。 

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 

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。 

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。