[发明专利]一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置

说明书

本发明提供一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，包括循环移频模块、相位调制模块、光纤光栅传感模块和解调模块四部分。本发明采用循环移频模块，使光经过单边带调制进行多次循环后不断产生新的子载波，生成频率间隔稳定的光频梳，对于施加任意应变后的光纤光栅的谐振频率，总有频率相近的梳齿作为比较的基准，当偏移频率大于光源调制的最大频率范围，则可以通过调整射频信号发生器输出信号的频率使谐振频率与下一梳齿对准，实现连续锁定。由此提高了系统的应变测量范围，并且避免了波长扫描中的非线性影响，保持了测量的精度，可灵活应用于基于PDH技术的光纤光栅应变等物理量的观测设备中。

技术领域

本发明涉及一种基于超大测量范围PDH传感的应变测量装置，属于光电探测技术领域。

背景技术

地震等自然灾害对全球人民的生命财产安全造成极大威胁，对于地壳形变的长期监测变得至关重要，为了能够准确的掌握地壳的运动和应变信息，各种应变仪应运而生。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)实现复用应变传感系统具有成本低、容易进行多点复用等特点，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(10^-6ε),无法达到地球物理学研究中对传感器精度的要求；而地壳形变的幅度波动一般从几个纳应变到几百个微应变不等，需要应变系统能够精确测量应变的同时还拥有超大的测量范围。

为了实现更高精度的应变测量，一般使用相移光纤布拉格光栅或者光纤法布里-泊罗谐振腔，采用激光锁频技术实现。其中，结合PDH激光锁频技术，能够获得极高的应变测量精度。PDH激光稳频技术以外部标准谐振腔的谐振频率作为基准频率对激光频率进行频率锁定。应用该技术可以测量外部干扰对光纤光栅腔体结构造成的影响。

2008年D.Gatti使用相移光纤光栅进行测量，获得了更高的灵敏度(Gatti D,Galzerano G,Janner D,et al.Fiber strain sensor based on aπ-phase-shiftedBragg grating and the Pound-Drever-Hall technique[J].Optics Express,2008,16(3):1945-50.)，2010年Shaddock D A使用原子光谱作为参考，实现了高精度的静态应变传感(Lam T Y,Chow J H,Shaddock D A,et al.High-resolution absolute frequencyreferenced fiber optic sensor for quasi-static strain sensing[J].Appl Opt,2010,49(21):4029-4033.)，但是传感器受限于原子光谱的带宽，应变测量范围为几个微应变；2011年上海交通大学何祖源团队提出用可调谐激光器扫描一对光纤法布里-泊罗谐振腔，提高了应变测量范围(Liu Q,Tokunaga T,He Z.Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound–Drever–Halltechnique[J].Optics Letters,2011,36(20):4044-4046.)，但激光器波长扫描过程中的非线性对测量精度有所影响，2013年使用光纤环形腔作为参考元件，实现了超过1000微米应变的测量范围(CN203100689U)，但是调制装置复杂，硬件开销大，2016年采用双反馈回路实现了超高精度的光纤应变传感器，但是应变测量范围仍然受限于边带调制信号的频率范围。

对于光纤应变传感器来说，在保持高应变测量精度的同时提高应变测量范围，具有非常重要的意义和实用价值。本发明基于现有技术改进，提供了一种超大测量范围的PDH传感器应变测量装置，在PDH技术传感光路的基础上，采用循环移频模块，产生频率间隔可调的光频梳输出，由于其避免了波长扫描中的非线性影响，保持了测量的精度，同时利用多个梳齿对传感光纤光栅谐振峰进行连续锁定，提高了系统的应变测量范围，由此实现了超大应变测量范围和超高精度应变传感，可应用于使用PDH技术的光纤光栅应变、温度或其他物理量的观测设备中。