光纤干涉式静态应变传感器

本发明涉及光纤传感器和应变测量领域，尤其涉及一种光纤干涉式静态应变传感器。

背景技术：

1、近二十多年，光纤干涉式应变传感器已应用于地震前兆观测和断层地震孕育观测中测量地壳形变等静态应变信号，进而用于地球固体潮、断层慢滑、断层孕震的分析。静态应变测量需要传感器具有纳米级以上的应变分辨率，但是光纤干涉仪易受温度干扰和激光频率漂移，产生的相位噪声掩盖了对静态应变信号的测量。精确的温度补偿和激光频率漂移补偿，可以有效从光纤干涉式应变传感器的相位解调结果中剔除温度噪声和激光频率漂移噪声，对断层孕震相关的地壳形变、慢滑观测以及固体潮观测有重要意义。

2、目前，如图1所示，现有技术之一采用不同温度系数传感光纤补偿掉干涉仪传感光纤的温度噪声和采用平衡干涉仪补偿掉激光频率漂移噪声，测量到地球固体潮(m.a.zumberge et al.，earth and space science，5，371-379，2018.)，但该方式不能补偿参考光纤的温度噪声。如图2所示，现有技术之二通过参考干涉仪补偿非平衡干涉式应变传感器的温度噪声和激光频率漂移噪声(w.zhang et al.，13th internationalconference on information optics and photonics，2022.)，可以有效测量到地球潮汐振幅，但这一方案，测量应变的干涉仪和作为补偿的干涉仪不处于同一环境，无法精确补偿传感光纤和参考光纤的温度噪声。上述两种方案，干涉仪中都带有参考光纤，而其温度补偿方式都无法补偿掉参考光纤的温度噪声。如何解决参考光纤的温度噪声问题，至今没有相关报道。特别地，静态应变测量的实现，是必须要解决温度噪声和激光频率漂移噪声这两个关键问题。

技术实现思路

1、鉴于光纤干涉仪在静态应变测量中存在的温度噪声、激光频率漂移噪声的问题，本发明提供了一种光纤干涉式静态应变传感器，解决目前现有带参考光纤的光纤干涉仪的温度噪声无法精确补偿的问题，实现了非平衡干涉仪的温度补偿和激光频率漂移补偿，为高精度静态应变测量的实现提供关键技术手段。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种光纤干涉式静态应变传感器，包括应变传感干涉仪组1、参考干涉仪2、光电信号收发模块3、第一耦合器4、第一应变传感光纤5、第一反射镜6、第二耦合器7、第二应变传感光纤8、第二反射镜9、第三耦合器10、传感光纤11、第三反射镜12、温度控制装置13、光源14、分路器15、第一环形器16、第二环形器17、第三环形器18、信号探测解调模块19，其中：

3、应变传感干涉仪组1，含有无参考光纤的两个干涉仪，用于应变传感和温度补偿；第一耦合器4和第二耦合器7，没有裸露在外的光纤作为参考臂，其内部有一个反射镜，用于分光且作为干涉仪的参考臂；第一应变传感光纤5分别与第一耦合器4以及第一反射镜6连接，第二应变传感光纤8分别与第二耦合器7以及第二反射镜9连接，第一应变传感光纤5和第二应变传感光纤8处于同一环境的相同状态，用于感测应变、补偿温度；第一反射镜6和第二反射镜9，用于反射光；

4、参考干涉仪2，含有无参考光纤的一个干涉仪，用于激光频率漂移噪声补偿；第三耦合器10，没有裸露在外的光纤作为参考臂，其内部有一个反射镜，用于分光且作为干涉仪的参考臂；第三耦合器10、传感光纤11、第三反射镜12都处于温度控制装置13中，由温度控制装置13提供恒定温度环境；传感光纤11分别与第三耦合器10以及第三反射镜12连接，传感光纤11不感测应变、不感测温度，用于补偿激光频率漂移；第三反射镜12用于反射光；

5、光电信号收发模块3，用于给应变传感干涉仪组1和参考干涉仪2提供激光，以及，探测并解调应变传感干涉仪组1和参考干涉仪2的干涉信号；光源14，用于提供激光询问干涉仪；分路器15，用于将光源14的激光均衡分配给应变传感干涉仪组1和参考干涉仪2；第一环形器16、第二环形器17、第三环形器18，用于将应变传感干涉仪组1和参考干涉仪2返回的激光传导给信号探测解调模块19；信号探测解调模块19，用于从应变传感干涉仪组1和参考干涉仪2返回的光干涉信号中解调出相位信息，计算出温度补偿和激光频率漂移补偿后的应变信号。

6、根据本发明的实施例，第一应变传感光纤5和第二应变传感光纤8为不同类型的光纤，两者具有相同长度、相同应变系数、不同温度系数，第一应变传感光纤5和第二应变传感光纤8以相同的方式耦合在传感器的同一应变敏感结构上。

7、根据本发明的实施例，第一耦合器4、第二耦合器7、第三耦合器10为同类型的耦合器。

8、根据本发明的实施例，第一耦合器4、第二耦合器7、第三耦合器10中含有的反射镜和第一反射镜6、第二反射镜9、第三反射镜12是同类型的反射镜。

9、根据本发明的实施例，传感光纤11和第一应变传感光纤5具有相同长度；传感光纤11和第一应变传感光纤5或第二应变传感光纤8为相同类型的光纤。

10、根据本发明的实施例，应变传感干涉仪组1中的两个干涉仪经过信号探测解调模块19的相位解调算法，计算出的相位通过运算补偿温度噪声，再和参考干涉仪2的相位一起运算补偿掉激光频率漂移噪声，进而计算出温度补偿和激光频率漂移补偿后的应变信号；信号探测解调模块19用于同步探测、采集、解调应变传感干涉仪组1、参考干涉仪2。

11、根据本发明的实施例，应变传感干涉仪组1单独封装，或者和参考干涉仪2一起封装。

12、与现有技术相比，本发明提供的光纤干涉式静态应变传感器，至少具有以下有益效果：

13、本发明提供的光纤干涉式静态应变传感器，采用无参考光纤的非平衡干涉仪，通过应变传感干涉仪组和参考干涉仪，解决了带参考光纤的光纤干涉仪的温度噪声无法精确补偿的问题，解决了非平衡干涉仪的温度补偿和激光漂移补偿的问题，精确补偿掉光纤干涉仪的温度噪声与激光频率漂移噪声，可以实现高精度静态应变测量，为地球固体潮、断层慢滑、断层孕震的静态应变测量提供简单、高精度的传感器。

技术特征：

1.一种光纤干涉式静态应变传感器，其特征在于，包括应变传感干涉仪组(1)、参考干涉仪(2)、光电信号收发模块(3)、第一耦合器(4)、第一应变传感光纤(5)、第一反射镜(6)、第二耦合器(7)、第二应变传感光纤(8)、第二反射镜(9)、第三耦合器(10)、传感光纤(11)、第三反射镜(12)、温度控制装置(13)、光源(14)、分路器(15)、第一环形器(16)、第二环形器(17)、第三环形器(18)、信号探测解调模块(19)，其中：

2.根据权利要求1所述的光纤干涉式静态应变传感器，其特征在于，所述第一应变传感光纤(5)和第二应变传感光纤(8)为不同类型的光纤，两者具有相同长度、相同应变系数、不同温度系数，所述第一应变传感光纤(5)和第二应变传感光纤(8)以相同的方式耦合在传感器的同一应变敏感结构上。

3.根据权利要求1所述的光纤干涉式静态应变传感器，其特征在于，所述第一耦合器(4)、第二耦合器(7)、第三耦合器(10)为同类型的耦合器。

4.根据权利要求3所述的光纤干涉式静态应变传感器，其特征在于，所述第一耦合器(4)、第二耦合器(7)、第三耦合器(10)中含有的反射镜和所述第一反射镜(6)、第二反射镜(9)、第三反射镜(12)是同类型的反射镜。

5.根据权利要求1所述的光纤干涉式静态应变传感器，其特征在于，所述传感光纤(11)和第一应变传感光纤(5)具有相同长度；所述传感光纤(11)和第一应变传感光纤(5)或第二应变传感光纤(8)为相同类型的光纤。

6.根据权利要求1所述的光纤干涉式静态应变传感器，其特征在于，所述应变传感干涉仪组(1)中的两个干涉仪经过信号探测解调模块(19)的相位解调算法，计算出的相位通过运算补偿温度噪声，再和参考干涉仪(2)的相位一起运算补偿掉激光频率漂移噪声，进而计算出温度补偿和激光频率漂移补偿后的应变信号；

7.根据权利要求1所述的光纤干涉式静态应变传感器，其特征在于，所述应变传感干涉仪组(1)单独封装，或者和所述参考干涉仪(2)一起封装。

技术总结
本发明提供一种光纤干涉式静态应变传感器，包括应变传感干涉仪组、参考干涉仪、光电信号收发模块、第一耦合器、第一应变传感光纤、第一反射镜、第二耦合器、第二应变传感光纤、第二反射镜、第三耦合器、传感光纤、第三反射镜、温度控制装置、光源、分路器、第一环形器、第二环形器、第三环形器和信号探测解调模块。本发明解决目前现有带参考光纤的光纤干涉仪的温度噪声无法精确补偿的问题，实现了非平衡干涉仪的温度补偿和激光频率漂移补偿，为高精度静态应变测量的实现提供关键技术手段。

技术研发人员：李慧聪,黄稳柱,张文涛
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15