[发明专利]一种光纤光栅低频应变传感解调系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种基于激光线性扫频调制技术和PDH锁频传感技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统。

背景技术

近二十多年来，光纤光栅(FBG)传感器一直是光纤传感领域的一个研究热点，已经在智能材料与结构的应变测量中的获得广泛的应用。光纤光栅传感器具有尺寸小、响应速度快、大范围的线性响应、易复用等诸多优势，市场上广泛使用的FBG应变解调仪的应变测量精度一般为1με，能够满足一般的应用要求。但是，如果要将FBG应用于地形变观测中，其应变观测精度必须在10nε以上，同时系统需要满足低频测量要求，并且要求具有较大的动态范围。这对提高光纤光栅的应变测量分辨率和动态范围提出了要求。

目前，人们提出了很多提高FBG的应变测量精度的方法，比如采用相移光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪替代普通的光纤光栅，采用PDH激光锁频技术提高光纤光栅测量精度等。其中，结合PDH激光锁频技术，光纤光栅能够获得极高的应变测量精度。最早将PDH激光锁频技术用于光纤光栅(FBG)FFP的应力应变测量，是2005年澳大利亚国立大学的Jong H.Chow等人(J.H.Chow,et a1.，“Demonstration of a passive subpicostrain fiber strain sensor,”Optics letters，2005)，理论上分析了应变测量分辨率能小于pε/√Hz(100Hz-100kHz)。同时，意大利的G.Gagliardi等人也做了这方面的研究，并且与Jong H.Chow进行了合作，获得了150pε/√Hz(680Hz)、20pε/√Hz(13kHz)应变分辨率(G.Gagliardi，et al.，“Fiber Bragg-grating strain sensor interrogation using laser radio-frequency modulation，”Optics Express，2005)。2008年D.Gatti首次将π相移光纤光栅和PDH技术结合，在高频段实现了分辨率5pε/√Hz的应变测量(D.Gatti，et a1.，“Fiber strain sensor based0n a pi-phase-shifted Bragg grating and the Pound-Drever-Hall technique,”Opt.Express，2008)。

可见，这些技术，大多都是用于高频(动态)信号的测量，很少适用于低频(准静态)信号的测量。对于FBG而言，实现高精度的静态应变测量显得更加困难。之所以高精度的静态应变获取相对于动态应变要困难，是因为动态传感可以以自身作为参考，而静态应变必须与其他的标准作对比，比如稳定的频率成分、不受应变作用的传感头等。2011年以来，日本东京大学的Qinwen Liu等人将该项技术引入了地壳形变观测中，实现了5.8nε/√Hz的超低频准静态应变测量(Q.Liu，et al.，“Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique,”Optics letters，2011)。但是，由于这里采用了可调谐激光器，其线性度限制了最终的应变测量分辨率；并且，可调谐激光器的调谐范围有限，限制了应变测量的动态范围；同时，可调谐激光器的价格昂贵，这都限制了该项技术的推广应用。

鉴于此，本发明提出一种基于激光线性扫频调制技术和PDH锁频传感技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术，结合PDH锁频传感技术，实现高精度、大动态范围的应变测量，并重点解决锁频传感中可调谐激光器价格昂贵，可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、可调谐激光器扫描范围受限应变测量动态范围较小等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于激光线性扫频调制技术和边带询问技术的高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，采用激光线性扫频调制技术和光滤波技术，结合PDH锁频传感技术，实现高精度、大动态范围的应变测量，并重点解决锁频传感中可调谐激光器价格昂贵，可调谐激光器扫描线性度不佳导致应变测量精度受限、可调谐激光器扫描范围受限应变测量动态范围较小等问题。

(二)技术方案

本发明公开了一种高精度光纤光栅低频应变传感解调系统，其特征在于，包括：