《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 電子元件 > 業(yè)界動(dòng)態(tài) > 基于微分干涉儀的光纖應(yīng)變速率傳感器

基于微分干涉儀的光纖應(yīng)變速率傳感器

2023-02-26
來(lái)源:光纖傳感Focus
關(guān)鍵詞: 測(cè)量 光纖 傳感器

  01導(dǎo)讀

  光纖應(yīng)變傳感器已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用,可通過(guò)光纖應(yīng)變實(shí)現(xiàn)物體形變的直接測(cè)量,。而光纖應(yīng)變速率傳感器,,則關(guān)注于光纖或物體形變的應(yīng)變微分(即應(yīng)變速率或應(yīng)變率)的直接測(cè)量,。在地球物理科學(xué)和地震科學(xué)方面,應(yīng)變速率可以用于反映地殼形變速率,、地震活動(dòng)構(gòu)造以及地質(zhì)構(gòu)造情況,。與地殼運(yùn)動(dòng)有關(guān)的應(yīng)變速率可以通過(guò)全球定位系統(tǒng)(GPS),、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)以及DAS這幾種方式進(jìn)行測(cè)量。但是,,這些測(cè)量方式屬于間接測(cè)量,,且依賴大量數(shù)據(jù)的記錄和分析,技術(shù)手段相對(duì)復(fù)雜,。目前,,直接測(cè)量應(yīng)變速率的傳感器或傳感技術(shù)鮮有報(bào)道,遠(yuǎn)不及光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的普及,。

  近日,,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所張文濤研究員團(tuán)隊(duì)提出一種基于微分干涉儀的光纖應(yīng)變速率傳感器。它可以通過(guò)微分干涉儀直接測(cè)量應(yīng)變速率,,將應(yīng)變速率轉(zhuǎn)換為光學(xué)相位,。采用長(zhǎng)12.1 m的傳感光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,,光纖應(yīng)變速率傳感器在工作頻帶內(nèi)具有65.50 dB的平坦靈敏度,、納米量級(jí)(nε/s)的分辨率和優(yōu)于95 dB的動(dòng)態(tài)范圍。該傳感器的高分辨率和平坦幅頻響應(yīng),,優(yōu)于DAS在火山監(jiān)測(cè)和微地震探測(cè)中的應(yīng)變速率測(cè)量能力,,表明該傳感器有潛力應(yīng)用于地球物理監(jiān)測(cè)和地震事件探測(cè)。該研究成果以“Fiber optic strain rate sensor based on a differentiating interferometer”為題發(fā)表在光學(xué)期刊Photonics Research,,第一作者為中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所碩士生李慧聰,,通訊作者為張文濤研究員。

  02研究背景

  在地球物理科學(xué)和地震科學(xué)方面,,應(yīng)變速率在大地應(yīng)變測(cè)量,、構(gòu)造研究和地殼形變觀測(cè)中具有重要意義,有助于研究抗震變形,、地震活動(dòng)性和地震危險(xiǎn)性評(píng)估,。當(dāng)前,可以通過(guò)全球定位系統(tǒng)(GPS),、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)以及DAS這幾種方式來(lái)測(cè)量與地殼運(yùn)動(dòng)有關(guān)的應(yīng)變速率,。但是,這些方式都無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)變速率的直接測(cè)量,,且依賴于大量數(shù)據(jù)的記錄和分析,。一些可以直接測(cè)量應(yīng)變速率的傳感器已經(jīng)被報(bào)道,如壓電式,、可變磁阻變壓器式以及光纖多普勒式,,它們被用于高層建筑或結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制。盡管它們表明直接測(cè)量應(yīng)變速率比應(yīng)變微分具有更高信噪比,,但缺少對(duì)靈敏度,、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍等傳感器性能的進(jìn)一步研究,。此外,依然缺少可用于在地球物理學(xué)和地震學(xué)中直接測(cè)量應(yīng)變速率的傳感器,。

  本研究提出了一種基于微分Mach-Zehnder干涉儀的光纖應(yīng)變速率傳感器(FOSRS),。利用微分干涉儀的光路結(jié)構(gòu),通過(guò)一根傳感光纖實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變速率的簡(jiǎn)單,、直接和高分辨率測(cè)量,,以將FOSRS應(yīng)用于地球物理監(jiān)測(cè)和地殼變形觀測(cè)。而且,,首次系統(tǒng)性研究了應(yīng)變速率傳感的靈敏度,、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。

  03創(chuàng)新研究

  3.1傳感原理

  FOSRS的系統(tǒng)配置如圖1所示,,1×2耦合器和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡之間的傳感光纖用于直接感測(cè)應(yīng)變速率,,不平衡Mach-Zehnder干涉儀和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡組成了微分干涉儀。當(dāng)應(yīng)變速率導(dǎo)致傳感光纖長(zhǎng)度拉伸,,從不平衡Mach-Zehnder干涉儀進(jìn)入傳感光纖的兩束光,,其光學(xué)相位均受到應(yīng)變速率的調(diào)制。當(dāng)它們被法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射,,回到干涉儀中,并在3×3耦合器處發(fā)生干涉,,干涉光相位變化是受應(yīng)變速率調(diào)制的兩個(gè)光學(xué)相位之差,。注意,只有分別完成順時(shí)針傳輸和完成逆時(shí)針傳輸?shù)墓馐拍軡M足干涉條件,。由于兩個(gè)光學(xué)相位受調(diào)制的時(shí)間差極?。ê透缮鎯x臂長(zhǎng)差有關(guān)),干涉光相位變化和應(yīng)變速率調(diào)制的相位微分呈線性相關(guān),。由此,,通過(guò)微分干涉儀的光路,構(gòu)建了干涉儀光相位變化和應(yīng)變速率之間的直接關(guān)系,。本研究中采用基于3×3耦合器的反正切解調(diào)算法,,通過(guò)解調(diào)干涉光的相位變化,實(shí)現(xiàn)應(yīng)變速率的直接測(cè)量,。

152.JPG

  圖1光纖應(yīng)變速率傳感器系統(tǒng)配置圖源:Photonics Research(2022) https://doi.org/10.1364/PRJ.468283 (Fig.1)3.2靈敏度研究理論研究表明,,F(xiàn)OSRS的靈敏度不是信號(hào)頻率的函數(shù),在工作頻帶上其幅頻響應(yīng)是一致的,。搭建了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),,采用相位拉伸器(PZT)拉伸傳感光纖以施加應(yīng)變速率。傳感長(zhǎng)度為12.1 m的光纖應(yīng)變速率傳感器,,其測(cè)量靈敏度在0.1 Hz~1000 Hz幾乎是平坦的,,與理論靈敏度曲線具有相同的平坦趨勢(shì),。這表明,在任何工作頻帶上,,F(xiàn)OSRS對(duì)應(yīng)變速率的響應(yīng)能力是相同的,。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均靈敏度為2988.23 rad/(ε/s)(即69.50 dB),最大波動(dòng)為0.61 dB,。測(cè)量靈敏度與理論靈敏度68.19 dB之間相差1.32 dB,。從測(cè)量角度來(lái)看,差異主要來(lái)自光纖長(zhǎng)度測(cè)量,、光源波長(zhǎng)變化,、PZT拉伸光纖帶來(lái)的誤差。這種差異被認(rèn)為是允許的,。

151.JPG

  圖2測(cè)量靈敏度與理論曲線的比較 圖源:Photonics Research(2022) https://doi.org/10.1364/PRJ.468283 (Fig.3)3.3分辨率研究FOSRS的相位本底噪聲決定了應(yīng)變速率分辨率,。由ASE光源不同頻率的隨機(jī)跳動(dòng)引起的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)是限制FOSRS分辨率的重要因素,RIN可通過(guò)基于3×3耦合器的反正切解調(diào)算法,,轉(zhuǎn)化為等效相位噪聲,。 在溫度相對(duì)穩(wěn)定、振動(dòng)干擾較小的地下室測(cè)試了FOSRS的噪聲和分辨率,。記錄一分鐘相位,,其PSD如圖3所示,用黑線表示,。測(cè)試了探測(cè)器三個(gè)通道的RIN,,并計(jì)算了RIN的等效相位噪聲,如圖3中紅線所示,。RIN的等效相位噪聲接近測(cè)量的相位本底噪聲,。在1 kHz時(shí),以2988.23 rad/(ε/s)的測(cè)量靈敏度計(jì)算,,RIN限制的應(yīng)變速率分辨率為0.94 nε/s/√Hz,,接近實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)分辨率1.58 nε/s/√Hz。因此,,降低RIN是提高FOSRS動(dòng)態(tài)分辨率的主要途徑,。

150.JPG

  圖3實(shí)測(cè)相位噪聲和RIN的等效相位噪聲的比較 圖源:Photonics Research(2022) https://doi.org/10.1364/PRJ.468283 (Fig.4) 此外,還探討了FOSRS的靜態(tài)分辨率,。記錄10分鐘內(nèi)的相位變化,。由于感興趣的是靜態(tài)應(yīng)變速率測(cè)量,因此使用截止頻率為1 Hz的低通濾波來(lái)處理記錄的相位,。結(jié)果如圖4所示,。記錄相位的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算為2.0192×10-5rad。使用平均測(cè)量靈敏度,,靜態(tài)應(yīng)變速率分辨率為6.76 nε/s,。使用PZT拉伸傳感光纖,,該FOSRS可以在0.05 Hz頻率下測(cè)量到23.14 nε/s的應(yīng)變速率方波信號(hào),如圖5所示,,這表明該FOSRS具有測(cè)量nε/s靜態(tài)應(yīng)變速率的能力,。

 149.JPG

  圖4記錄的10分鐘相位噪聲 圖源:Photonics Research(2022) https://doi.org/10.1364/PRJ.468283 (Fig.5)

148.JPG

  圖5記錄的0.05 Hz的方形信號(hào) 圖源:Photonics Research(2022) https://doi.org/10.1364/PRJ.468283 (Fig.6)3.4動(dòng)態(tài)范圍研究FOSRS的動(dòng)態(tài)范圍可以通過(guò)推斷最大可測(cè)應(yīng)變速率來(lái)分析。微分干涉儀中兩束光的光程差應(yīng)小于ASE光源的相干長(zhǎng)度,。理論上低相干光源的相干長(zhǎng)度為λ2 0/Δλ,。本實(shí)驗(yàn)中采用C波段ASE光源(中心波長(zhǎng)1545 nm,譜寬33.377 nm),,低相干長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的最大可測(cè)應(yīng)變速率約0.1 ε/s,。結(jié)合FOSRS的靜態(tài)分辨率為6.76 nε/s,靜態(tài)測(cè)量下,,動(dòng)態(tài)范圍是有望達(dá)到140 dB以上,。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中,最大可測(cè)應(yīng)變速率受總諧波失真的影響,??紤]總諧波失真為10%,可測(cè)的應(yīng)變速率為最大值,。結(jié)合圖3的功率譜密度,,可以給出FOSRS的動(dòng)態(tài)范圍,是隨著信號(hào)頻率的增加而減小,,如圖6所示,。

147.JPG

  圖6動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍 圖源:Photonics Research(2022) https://doi.org/10.1364/PRJ.468283 (Fig.7)04應(yīng)用與展望本研究提出一種基于微分Mach-Zehnder干涉儀的FOSRS,通過(guò)簡(jiǎn)單的傳感光纖可以實(shí)現(xiàn)直接,、高分辨率的應(yīng)變速率傳感,。在工作頻帶內(nèi),,采用12.1 m長(zhǎng)傳感光纖所研制的FOSRS具有平坦的靈敏度響應(yīng),、納米量級(jí)的應(yīng)變速率分辨率、優(yōu)于95 dB的大動(dòng)態(tài)范圍,。為了拓展在地殼形變中的長(zhǎng)基線測(cè)量,,采用了25.277 km長(zhǎng)的傳感光纖研制FOSRS,測(cè)試了其10分鐘內(nèi)相位噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為9.1180×10?5rad,,對(duì)應(yīng)靜態(tài)分辨率為17.01 pε/s,。與表1所列舉的DAS相比,F(xiàn)OSRS的應(yīng)變速率分辨率優(yōu)于DAS噪聲,,優(yōu)于DAS在火山監(jiān)測(cè)和微地震探測(cè)中的應(yīng)變速率測(cè)量能力,,表明該傳感器有潛力應(yīng)用于地球物理監(jiān)測(cè)和地震事件探測(cè)。

146.JPG

  表1FOSRS和DAS的比較表源:Photonics Research(2022) https://doi.org/10.1364/PRJ.468283 (Table 2)



更多信息可以來(lái)這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<

mmexport1621241704608.jpg

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片,、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無(wú)法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容,、版權(quán)和其它問(wèn)題,,請(qǐng)及時(shí)通過(guò)電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:[email protected],。