亚纳应变级多点复用光纤光栅准静态应变传感系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明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 9 ε )，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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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 6 ε )，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（phase shifted FBG，PSFBG)或光纤法布里-泊罗 谐振腔（fiber Fabry-Perot Interferometer，FFPI)实现，其中心透射峰宽度仅有几pm 甚至小于lpm，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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] 本发明包括：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向光脉冲调制机构输出调制信息，使得光脉冲调制 机构生成调制后光脉冲并输出至光纤光栅传感机构，光纤光栅传感机构的反射光信号通过 信号发生及探测机构进行采集和检测。
[0008] 所述的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，将光强度信号转为模拟 电信号；信号发生模块分别生成相位调制信号、射频载波信号和电脉冲调制信号并输出至 光脉冲调制机构；控制模块对光电采集模块获得的信号进行解调，并通过解调结果控制电 信号发生器与射频信号发生器，以实现反馈控制。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 本发明涉及一种基于上述系统的光栅探测方法，通过光脉冲调制机构生成光强度 调制边带，由光纤光栅传感机构实现对各个待测光栅的探测，其中光脉冲调制机构使用光 相位调制和同步相位解调实现激光与光栅透射峰中心的频率差的采集，进而通过光电采集 模块以复用解调的方式探测光对相移布拉格光栅的极窄透射中心，获取各个光栅的频域信 息，实现反馈跟随。
[0013] 所述的复用解调的方式是指：信号发生及探测机构的执行流程为"轮询-反馈"方 式，即每一轮探测获取各个光栅的频率信息与频率变化信息，计算出各路的频率修正值并 用于下一轮探测，能够在单个物理反馈回路中实现逻辑上的多个同时运行的反馈回路。 技术效果
[0014] 与现有技术相比，本发明采用脉冲时分的方式实现多个传感光栅的复用。光脉冲 调制机构产生脉冲光对各个光栅进行探测；一分多光纤耦合器将脉冲分为多路，分别探测 各个光栅；不同长度的延时光纤使各反射脉冲到达光电探测器的时间不同，从而进行区分。
[0015] 本发明技术效果进一步包括：
[0016] 1.本发明采用多个具有超窄激射窗口的相移布拉格光栅作为应变传感探头，取代 现有技术中的普通布拉格光栅，能够实现极高应变分辨率的多路应变传感；
[0017] 2.本发明采用快速反馈结构控制探测光对相移布拉格光栅的极窄透射中心进行 跟随，取代现有技术中的扫频式解调，同时提高了系统分辨率与传感带宽（或称作传感速 率）；
[0018] 3.本发明基于时分复用技术，将单个反馈结构扩展为多个同时运行的反馈回路， 以最小的硬件开销（光源，各调制器，光环行器，光电探测器，数据采集卡，电信号发生器与 射频发生器，控制模块均只使用了一组）实现了传感系统的多路复用，大大简化了高精度 多点式光纤光栅应变传感系统的复杂程度。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明系统示意图；
[0020] 图2为基于单边带调制器的实施例示意图；
[0021] 图3为温度漂移与应变对各个相移光栅的影响示意图；
[0022] 图4为差值信号与强度调制边带探测示意图；
[0023] 图5为脉冲时分复用技术与系统解调流程示意图；
[0024] 图6为实施例中采用光纤法布里-泊罗谐振腔的结构示意图；
[0025] 图7为实施例所测得应变信号时域曲线与功率谱密度示意图；
[0026] 图8为相移光纤光栅和基于光栅的光纤法布里-珀罗谐振腔的光谱比较示意图。
【具体实施方式】
[0027] 如图1所示，本实施例中的光脉冲调制机构包括：用于输出单频激光的窄线宽激 光器，窄线宽激光器与光相位调制器、光强度调制器和声光调制器依次连接；
[0028] 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：光环行器输入端与声光调制器反射端相连接，输出端与一分多光 纤耦合器的合束端连接，反射端与光电探测器相连接；一分多光纤耦合器的分束端之一优 选与某个相移布拉格光纤光栅直连作为参考样本，其余分束端分别与不同长度的延迟光纤 的一端相连，延迟光纤另一端连接相移布拉格光纤光栅。
[0029] 图3为温度漂移与应变对各个相移光栅的影响示意图。各个探测光栅透射峰中心 频率与参考光栅的透射峰中心频率之差对应该探测光栅上的静态应变信号大小。当环境温 度改变时