[实用新型]亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种分辨率达到亚纳应变级 (<10^-9ε)，且能够实现多点复用的光纤光栅准静态应变传感系统。

背景技术

光纤光栅传感机构技术是光纤传感技术的重要分支之一，其特点包括测量精度高、尺寸 小、成本较低、抗电磁干扰等，具有很高的应用价值。其中，光纤光栅应变传感器发展最为成 熟，广泛用于各种人工结构或自然结构中，实现对应变的传感与观测。

地球物理学相关研究是光纤光栅应变传感系统的重要应用场景之一，如地质构造中地壳 微变过程的研究，地震、火山等地质灾害监测等。该类应用场景中，待观测应变信号的最显著 特点在于其变化量极其微小、变化周期长，且长期变化范围广。因而对传感器的灵敏度、绝对 精度、动态范围及传感带宽等指标提出了很高的要求。另外，为实现对二维及三维空间内应变 张量的测量、多区域应变检测实现应变场的检测等，需要采用多个应变传感器协同工作。

现有的各类光纤光栅应变传感系统中，基于普通光纤布拉格光栅(FBG)实现的波分复用 应变传感系统具有成本低、容易进行多点复用等特点，例如中国专利文献号CN101458100公 开(公告)日2009.06.17，公开了一种FBG传感器的解调系统及其解调方法，该系统依此连接有 脉冲光源、环形器或耦合器、耦合器，然后一路依此连接边带滤波器和光电探测器，另一路连 接光电探测器，最后两路再依此与除法器和传感信号响应处理模块连接。然而，由于普通光纤 光栅的反射峰宽度较宽，其应变分辨率一般在微应变数量级(即10^-6ε)，无法达到地球物理学研 究中对传感器精度的要求。为了实现亚纳应变级的测量精度，一般采用相移光纤布拉格光栅 (phaseshiftedFBG，PSFBG)或光纤法布里-泊罗谐振腔(fiberFabry-PerotInterferometer，FFPI) 实现，其中心透射峰宽度仅有几pm甚至小于1pm，大大提高了传感器的应变分辨率。但由于 相移光纤光栅及光纤法布里-泊罗谐振腔的解调方法与普通光栅不同，需要用到较为调制和解调 技术，例如文献专利号CN102997859，公开日2013.03.27,公开了一种基于相位调制-强度解调 的方案，通过比较传感探头与参考器件的谐振频率差，实现纳应变级的测量精度。然而，该方 案所用到的调制技术复杂，激光器只能实现对单个传感器探头的检测，现有技术中未能给出针 对该类传感器的有效多点复用方法。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种亚纳应变级多点复用光纤光栅准静 态应变传感系统，能够同时具有高测量精度、高传感带宽，且复用成本低的优点。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型包括：信号发生及探测机构和分别与之相连的光脉冲调制机构以及光纤光栅 传感机构，其中：信号发生及探测机构包括：控制模块和分别与之相连的信号发生模块和光电 采集模块，其中：光电采集模块与光纤光栅传感机构反射端相连，信号发生模块与光脉冲调制 机构相连，控制模块分别与电信号发生器与射频信号发生器相连。

所述的光脉冲调制机构包括：依次串联的窄线宽激光器、光相位调制器、光强度调制器 和声光调制器，其中：窄线宽激光器产生用于探测各个相移光栅的窄透射峰的激光，光相位调 制器根据调制信息对激光进行相位调制；光强度调制器进一步对窄线宽激光进行可变频率的强 度调制，产生频率可控的调制边带，作为光开关的声光调制器产生用于时分探测的光脉冲并输 出至光纤光栅传感机构。

所述的光纤光栅传感机构包括：依次串联的光纤环行器、光纤耦合器、延时光纤阵列和 相移光栅阵列，其中：光纤环行器接收用于时分探测的光脉冲以导入光纤光栅阵列，并将其反 射的光信号输出至信号发生及探测机构；光纤耦合器将一路探测光脉冲分成多路以导入各个光 栅；延时光纤阵列由各路不同延时的光纤组成，将光脉冲以不同延时进行传输；相移光栅阵列 探测应变信号。

所述的光纤光栅传感机构中的相移光栅阵列也可以替换为光纤法布里-泊罗谐振腔。