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] 本实用新型设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(<1(T90,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= 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、环形器或禪合器、禪合器，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1(T6 O，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 Fabiy-Perot Interferometer,FFPI)实现，其中屯、透射峰宽度仅有几 pm甚至小于 Ipm，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】
[0005] 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。
[0006] 本实用新型是通过W下技术方案实现的：
[0007] 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W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。
[0008] 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。
[0009] 所述的光纤光栅传感机构包括:依次串联的光纤环行器、光纤禪合器、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W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;光纤禪合器将一路探测光脉冲分成多路W 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W不同延时进行传输； 相移光栅阵列探测应变信号。
[0010] 所述的光纤光栅传感机构中的相移光栅阵列也可W替换为光纤法布里-泊罗谐振 腔。
[0011] 本实用新型设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屯、的频率差的采集，进而通过光电 采集模块W复用解调的方式探测光对相移布拉格光栅的极窄透射中屯、，获取各个光栅的频 域信息，实现反馈跟随。
[0012] 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。 [001引技术效果
[0014] 与现有技术相比，本实用新型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；一分多光纤禪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] 本实用新型技术效果进一步包括：
[0016] 1.本实用新型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.本实用新型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屯、 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.本实用新型基于时分复用技术，将单个反馈结构扩展为多个同时运行的反馈回 路，W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I为本实用新型系统示意图；
[0020] 图2为基于单边带调制器的实施例示意图；
[0021 ]图3为溫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-巧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、光纤禪合器、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 纤禪合器的合束端连接，反射端与光电探测器相连接;一分多光纤禪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