CH717164A2 - Optischer Fasergitter-Beschleunigungssensor. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Fasergitter-Beschleunigungssensor, umfassend ein Gehäuse (1) eine innerhalb des Gehäuses (1) angeordnete Sensorkomponente (2) und eine Recheneinheit (3), wobei die Sensorkomponente (2) eine Blattfeder (21) die mit dem Boden des Gehäuses verbunden ist, und eine Masse (22), die mit der Oberseite der Blattfeder (21) verbunden ist, umfasst; einen Balkenkörper (23) mit einem ersten Arm (231) und einem zweiten Arm (232), wobei der erste Arm und der zweite Arm durch ein Drehelement (233) verbunden sind, das Drehelement an einer Seitenwand des Gehäuses befestigt ist und das dem Drehelement abgewandte Ende des zweiten Arms mit der Oberseite der Masse verbunden ist; ein über dem Balkenkörper aufhängendes Lichtleitfasermessgerät (24), das ein Gittermessgerät (241) und mit dem Gittermessgerät sowie mit der Recheneinheit verbundene Lichtleitfasern (242) umfasst, wobei die Recheneinheit die Beschleunigung der zu messenden Struktur gemäß dem Driftbetrag des optischen Parameters des Gittermessgeräts berechnet. Bei der vorliegenden Erfindung sind die Lichtleitfasern in dem Gehäuse aufgehängt, das Phänomen des Zwitscherns des Gitters oder das Phänomen der Mehrfachspitzen der reflektierten Wellen wird nicht auftreten, es widersteht seitlichen Vibrationsstörungen, hat ein breites Frequenzband, hat eine hohe Empfindlichkeit und einen Frequenzantwortbereich und verbessert die Messgenauigkeit der Vibrationsbeschleunigung in einer einzelnen Richtung.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Vibrationsüberwachung, insbesondere einen optischen Faser-gitter-beschleunigungssensor.

STAND DER TECHNIK

[0002] Bei einigen großen geologischen Strukturen mit komplexen Umgebungen wie Tunneln und Minen ist eine regelmäßige Vibrationsüberwachung erforderlich. Sensoren zur Messung von Vibrationsparametern werden im Voraus in die geologische Struktur eingebettet. Wenn die seismische Welle in der geologischen Struktur erzeugt wird, wird die seismische Welle an den Sensor übertragen, und der Sensor kann die Vibrationsparameter messen, wodurch die latente seismische Aktivität in der geologischen Struktur entdeckt wird und der Zweck der Frühwarnung und des Katastrophenschutzes erreicht wird.

[0003] Die Beschleunigung stellt einen der üblichen Vibrationsparameter dar und wird verwendet, um die Stoßkraft von seismischen Wellen widerzuspiegeln. Derzeit werden hauptsächlich Faser-gitter-beschleunigungssensoren zur Messung der Beschleunigung verwendet. Das Fasergitter hat die Vorteile der elektromagnetischen Verträglichkeit, des Explosionsschutzes und der Hochtemperaturbeständigkeit und kann an die komplexe und raue Umgebung der geologischen Struktur angepasst werden. Wenn das Vibrationssignal von dem in die geologische Struktur eingebetteten, optischen Faser-gitter-beschleunigungssensor erfasst wird, ändern sich die optischen Parameter des Fasergitters entsprechend. Durch Demodulieren der Änderung der optischen Parameter kann die Beschleunigung von großflächigen strukturtechnischen Vibrationen erhalten werden.

[0004] Fig. 1stellt eine Struktur eines optischen Faser-gitter-beschleunigungssensors dar. Ein Fasergitter 101ist an der Oberfläche eines festen Endes (Fi) eines Auslegerbalkens 201geklebt, und ein freies Ende (Fr) des Auslegerbalkens 201ist flexibel mit einer Massenstruktur 301verbunden. Die Vibration der Massenstruktur 301 bewirkt, dass sich der Auslegerbalken 201biegt, wodurch die Mittenwellenlänge des Fasergitters 101verschoben wird. Die Beschleunigung der Vibration der geologischen Struktur kann berechnet werden, indem der Driftbetrag der Mittenwellenlänge erfasst wird. Da jedoch das Fasergitter 101direkt an dem Auslegerbalken 201geklebt ist, bewirken die mechanischen Eigenschaften des Auslegerbalkens 201, dass sich die Gitterperiode des Fasergitters 101in der axialen Richtung ändert, das heißt, dass das Phänomen des Zwitscherns des Gitters auftritt, was zu ungenauen Messergebnissen führt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0005] Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Faser-gitter-beschleunigungssensor bereit, um das Problem einer geringen Genauigkeit der Beschleunigungsmessung zu lösen.

[0006] Gemäß einem ersten Aspekt umfasst ein durch die vorliegende Erfindung bereitgestellter optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor ein Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Sensorkomponente und eine Recheneinheit; die Sensorkomponente umfasst: eine Blattfeder, die mit dem Boden des Gehäuses verbunden ist, wobei die Blattfeder ein plattenartiges elastisches Element ist, das durch Übereinanderlegen mindestens einer Schicht aus Federstahl gebildet wird; eine Masse, die mit der Oberseite der Blattfeder (21) verbunden ist; einen Balkenkörper mit einem ersten Arm und einem zweiten Arm, wobei der erste Arm und der zweite Arm durch ein Drehelement verbunden sind, das Drehelement an einer Seitenwand des Gehäuses befestigt ist, das dem Drehelement abgewandte Ende des zweiten Arms mit der Oberseite der Masse verbunden ist; ein über dem Balkenkörper aufhängendes Lichtleitfasermessgerät, das ein Gittermessgerät und mit dem Gittermessgerät sowie mit der Recheneinheit verbundene Lichtleitfasern umfasst, wobei die Recheneinheit die Beschleunigung der zu messenden Struktur gemäß dem Driftbetrag des optischen Parameters des Gittermessgeräts berechnet.

[0007] In dem ersten Aspekt wird der Sensor in die zu messende Struktur eingebracht. Wenn die zu messende Struktur einer externen Vibration ausgesetzt wird, vibriert der Sensor mit der zu messenden Struktur zusammen, wodurch die Masse durch eine Trägheitskraft in Vibration versetzt wird, wodurch der erste Arm im Balkenkörper eine bestimmte Winkelverschiebung um das Drehelement herum erzeugt, so dass sich das Gittermessgerät durch Dehnung verformt, so dass die optischen Parameter des Gitters driften und die Beschleunigung der zu messenden Struktur durch den Driftbetrag der optischen Parameter demoduliert werden kann. In der vorliegenden Erfindung sind die Fasergitter in dem Gehäuse aufgehängt. Daher wird das Phänomen des Zwitscherns des Gitters oder das Phänomen der Mehrfachspitzen der reflektierten Wellen nicht auftreten. Der zweite Arm ist über eine Masse mit der Blattfeder verbunden. Die Blattfeder ist ein relativ groß dimensioniertes und steifes elastisches Element, das die seitliche Vibrationsstörung der Masse verringern kann, und die Störvibration in der Blattfeder wird durch die Masse gedämpft und dann an den zweiten Arm übertragen, so dass die vom zweiten Arm empfangene seitliche Vibrationsstörung stark verringert wird. Es verbessert die Messgenauigkeit der Vibrationsbeschleunigung in einer einzelnen Richtung, erhöht die Frequenzbandbreite und hat eine hohe Empfindlichkeit und einen Frequenzantwortbereich.

[0008] In einem zweiten Aspekt umfasst ein durch die vorliegende Erfindung bereitgestellter, optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor ein Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Sensorkomponente und eine Recheneinheit; die Sensorkomponente umfasst: eine Blattfeder, die mit dem Boden des Gehäuses verbunden ist, wobei die Blattfeder ein plattenartiges elastisches Element ist, das durch Übereinanderlegen mindestens einer Schicht aus Federstahl gebildet wird; einen Balkenkörper mit einem ersten Arm und einem zweiten Arm, wobei der erste Arm und der zweite Arm durch ein Drehelement verbunden sind, das Drehelement an einer Seitenwand des Gehäuses befestigt ist, der zweite Arm mit der Oberseite der Blattfeder verbunden ist, die Länge der Blattfeder und des ersten Arms beide kleiner als die Länge des zweiten Arms sind; ein über dem Balkenkörper aufhängendes Lichtleitfasermessgerät, das ein Gittermessgerät und mit dem Gittermessgerät sowie mit der Recheneinheit verbundene Lichtleitfasern umfasst, wobei die Recheneinheit die Beschleunigung der zu messenden Struktur gemäß dem Driftbetrag des optischen Parameters des Gittermessgeräts berechnet.

[0009] In dem zweiten Aspekt ist der zweite Arm ein langer Arm und eine Blattfeder ist mit der Unterseite des langen Arms verbunden. Die Blattfeder hat eine große Größe und Steifheit, die eine stabilere Unterstützung für den zweiten Arm bereitstellen und die seitliche Vibrationsstörung im zweiten Arm verringern kann. Es verbessert die Messgenauigkeit der Vibrationsbeschleunigung in einer einzelnen Richtung, erhöht die Frequenzbandbreite und hat eine hohe Empfindlichkeit und einen Frequenzantwortbereich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNENGEN

[0010] Um die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oder die technischen Lösungen im Stand der Technik klarer zu erläutern, werden die in den Ausführungsformen verwendeten Zeichnungen im Folgenden kurz vorgestellt. Offensichtlich sind folgende Zeichnungen nur ein Teil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann können auch andere Ausführungsformen basierend auf diesen Zeichnungen ohne erfinderische Tätigkeit erhalten. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines vorhandenen, optischen Faser-gitter-beschleunigungssensors; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines optisches Faser-gitter-beschleunigungssensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung; Fig.3 ist ein äquivalentes Kraftmodell des in der ersten Ausführungsform gezeigten Sensors; Fig.4 ist eine schematische Darstellung eines optisches Faser-gitter-beschleunigungssensors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung; Fig. 5 ist ein äquivalentes Kraftmodell des in der zweiten Ausführungsform gezeigten Sensors.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

[0011] Im Folgenden werden die technischen Lösungen in den Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in den Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung klar und vollständig beschrieben. Die beschriebenen Ausführungsformen sind offensichtlich nur ein Teil der Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung, sondern nicht alle Ausführungsformen. Basierend auf den Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung sollen alle anderen Ausführungsformen, die von einem Durchschnittsfachmann ohne erfinderische Tätigkeit erhalten werden können, in den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung fallen.

[0012] Wie in Fig. 2gezeigt, kann der in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung bereitgestellte, optische in eine zu messende Struktur eingebettet werden, um Beschleunigungsparameter der zu messenden Struktur zu messen. Der Sensor umfasst im Wesentlichen ein Gehäuse 1, eine Recheneinheit 3und eine ist innerhalb des Gehäuses 1angeordnete Sensorkomponente 2. Das Gehäuse 1dient zum Verpacken der Sensorkomponente 2. Die Sensorkomponente 2dient dazu, die Vibration der zu messenden Struktur in eine Änderung der Dehnung des Gitters umzuwandeln, weiterhin ändern sich auch die optischen Parameter des Gitters, das die Dehnung erzeugt. Der optische Parameter kann eine Wellenlänge, eine Frequenz, eine Phase, eine Polarisation oder dergleichen sein. Verschiedene Arten von Gittern können unterschiedliche optische Parameter aufweisen, die empfindlich auf Dehnungen reagieren. Für bestimmte Gitter kann beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter (Fiber Bragg Grating, FBG) ausgewählt werden. Die Recheneinheit 3kann eine externe optische Signaldemodulationseinrichtung zum Demodulieren der erfassten optischen Parameter sein, um die Beschleunigung der zu testenden Struktur zu erhalten.

[0013] In Fig. 2umfasst die Sensoranordnung 2eine Blattfeder 21, die fest mit dem Boden des Gehäuses 1verbunden ist, einen Balkenkörper 23, der mit der Oberseite der Blattfeder 21verbunden ist, und ein Lichtleitfasermessgerät 24, das mit dem Balkenkörper 23verbunden ist, das Lichtleitfasermessgerät 24ist über dem Balkenkörper 23aufgehängt.

[0014] Das Lichtleitfasermessgerät 24umfasst ein Gittermessgerät 241, dessen optische Parameter sich ändern, wenn die zu testende Struktur vibriert, und Lichtleitfasern 242, die mit dem Gittermessgerät 241bzw. der Recheneinheit 3verbunden sind. Das Gittermessgerät 241kann ein Gitter sein, das speziell zum Messen der Beschleunigung verwendet wird. In anderen möglichen Umsetzungsarten wird ein Gittermessgerät 241durch direktes Gravieren des Gitters in den Kern der Lichtleitfaser 242gebildet.

[0015] Der Balkenkörper 23umfasst einen ersten Arm 231und einen zweiten Arm 232. Der erste Arm 231und der zweite Arm 232sind durch ein Drehelement 233verbunden. Das Drehelement 233ist an einer Seitenwand des Gehäuses 1befestigt. Das Ende A des ersten Arms 231ist mit dem Gittermessgerät 241verbunden. Wenn das Gitter in die Lichtleitfaser 242eingraviert ist, ist das Ende A des ersten Arms 231direkt mit der Lichtleitfaser 242verbunden. In diesem Fall haben die Lichtleitfaser 242und das Gitter die gleiche Verformung. Der Balkenkörper 23ist ein L-förmiger Balken und der zweite Arm 232ist parallel zu dem Lichtleitfasermessgerät 24angeordnet. Um die Trägheit der Vibration des zweiten Arms 232zu erhöhen, kann eine Masse 22zusätzlich an dem Ende B des zweiten Arms 232verbunden sein.

[0016] Das Gehäuse 1, die Blattfeder 21und der zweite Arm 232können optional als Ganzes durch Bolzen 25verbunden sein, so dass das Gehäuse 1, die Blattfeder 21und der Balkenkörper 23eine Vibrationserfassungsübertragungsstruktur in der z-Richtung bilden. Die Blattfeder 21wird als die Stützbasis der Vibrationserfassungsübertragungsstruktur verwendet, und die Vibrationserfassungsübertragungsstruktur ist durch Bolzen 25starr verbunden, um eine Verschiebung der Vibrationserfassungsübertragungsstruktur in der Nicht-z-Richtung zu vermeiden, wenn sie einer externen Vibration ausgesetzt ist, wodurch die Genauigkeit der Beschleunigungsmessung verbessert und die Stabilität der Struktur sichergestellt wird. Darüber hinaus erleichtert diese Schraubverbindung das Entfernen und Ersetzen von Bauteilen. Das Gehäuse 1, die Blattfeder 21und der zweite Arm 232sind nicht darauf beschränkt, durch Bolzen verbunden zu werden, und es können auch andere starre Verbindungsverfahren verwendet werden, beispielsweise kann die Blattfeder 21am Boden des Gehäuses 1angeschweißt werden und der zweite Arm 232kann an der Oberseite der Blattfeder 21angeschweißt werden.

[0017] Die Anmelderin stellte in der praktischen Anwendung fest, dass, wenn eine gemeinsame Feder verwendet wird, um den zweiten Arm 232zu stützen, die Federstütze für den zweiten Arm 232aufgrund der geringen Größe und der elastischen Steifheit der Feder nicht stabil genug ist und die Feder sehr empfindlich gegenüber Vibrationen ist. Wenn die Vibration der zu messenden Struktur auf das Gehäuse 1und dann über die Feder auf den zweiten Arm 232übertragen wird, vibrieren der zweite Arm 232und die Masse 22in der z-Richtung auf und ab, und in der horizontalen Ebene treten seitliche Vibrationsstörungen auf. Das heißt, die Masse 22erzeugt nicht nur eine Verschiebung Δx1in der z-Richtung, sondern auch eine seitliche Verschiebung Δxhaufgrund einer seitlichen Vibrationsstörung, die bewirkt, dass die Dehnung des Gittermessgeräts 241ein Ergebnis der Interaktion von Δx1und Δxhist. Die von dem Gittermessgerät 241erzeugte Dehnung bewirkt eine Änderung der optischen Parameter, was zu einer Abweichung zwischen der durch die optischen Parameter demodulierten Beschleunigung und der durch die Vibration in z-Richtung tatsächlich erzeugten Beschleunigung führt, was zu einer ungenauen Berechnung der Beschleunigung in z-Richtung führt.

[0018] In dieser Hinsicht wird in dieser Ausführungsform eine Blattfeder 21verwendet, um den zweiten Arm 232abzustützen. Die Blattfeder 21wird auch als blattförmige Feder bezeichnet und ist ein plattenförmiges elastisches Element, das durch Übereinanderlegen mindestens einer Schicht aus Federstahl gebildet wird. Die Blattfeder 21kann mit einer großen Breite und Länge versehen werden und weist eine große elastische Steifheit auf. Die Abstützung der Blattfeder 21an dem zweiten Arm 232ist stabiler und die Fähigkeit, seitlichen Vibrationsstörungen zu widerstehen, ist stark. Da die Blattfeder 21direkt mit dem zweiten Arm 232verbunden ist, sollte die Länge der Blattfeder 21Lbhkürzer als die Länge des zweiten Arms 232L2sein, um das Hindernis der Blattfeder 21für den Betrieb des Drehelements 233zu beseitigen. Somit ist sichergestellt, dass das Drehelement 233auf natürliche Weise die Drehung des ersten Arms 231unter dem Vibrationsantrieb des zweiten Arms 232antreiben kann und die Dehnung des Gitters mit der tatsächlichen Vibration übereinstimmt, wodurch die Genauigkeit der Messung durch das Gittermessgerät 241sichergestellt wird.

[0019] Die Länge Lbhder Blattfeder 21beträgt vorzugsweise 4/5der Länge L2des zweiten Arms 232, das heißt, ein Längenunterschied von 0,2ist vorbehalten. Diese Konstruktion kann nicht nur den flexiblen Betrieb des Drehelements 233sicherstellen, sondern auch die Blattfeder 21und der zweite Arm 232eine größere Kontaktfläche haben, so dass der Einfluss von Störvibrationen weiter verringert werden kann. Die Blattfeder 21kann an einer beliebigen Position am Boden des zweiten Arms 232angeordnet sein, beispielsweise an einer Position am Boden des zweiten Arms 232in der Nähe der Masse 22. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Blattfeder 21in der Mitte des Bodens des zweiten Arms 232angeordnet. Durch diese Anordnung kann die Blattfeder 21den zweiten Arm 232stabiler stützen und die Blattfeder 21überträgt die Vibration gleichmäßiger und dadurch die seitliche Vibrationsstörung des zweiten Arms 232und der Masse 22wird weiter verringert und die Genauigkeit der Beschleunigungsmessung der Vibration in der z-Richtung wird verbessert. In der ersten Ausführungsform ist die Länge des zweiten Arms 232L2der Abstand zwischen der Achse C des Drehelements 233und der Masse 22(Ende B).

[0020] Wenn in der Umgebung, in der sich die zu messende Struktur befindet, eine Vibration auftritt, empfängt der Sensor die Kraft von der zu messenden Struktur. Die Kraft wird über das Gehäuse 1und die Blattfeder 21in dieser Reihenfolge auf den zweiten Arm 232übertragen. Der zweite Arm 232hat eine bestimmte Masse. Der zweite Arm 232vibriert aufgrund der Trägheit, und die Vibration des zweiten Arms 232treibt den ersten Arm 231an, um eine bestimmte Winkelverschiebung um das Drehelement 233zu erzeugen, was bewirkt, dass durch Dehnen eine Belastung für die Gittermessvorrichtung 241erzeugt wird, und ferner bewirkt, dass die optischen Parameter des Gittermessgeräts 241driften. Die Recheneinheit 3kann die Beschleunigung der zu messenden Struktur gemäß dem Driftbetrag der optischen Parameter demodulieren.

[0021] Eine Komponente wie ein Lager und eine rotierende Welle usw. kann als das Drehelement 233verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist ein Lager bevorzugt. Das Lager wird verwendet, um einen mechanischen Drehkörper (d.h. den Balkenkörper 23) zu verbinden und abzustützen, kann den Reibungskoeffizienten während der Drehung des ersten Arms 231verringern und die Drehgenauigkeit des ersten Arms 231sicherstellen, wodurch die mechanische Empfindlichkeit des Balkenkörpers 23verbessert ist und es ist vorteilhaft, den Vibrationsverlust im Übertragungsprozess zu reduzieren, wodurch die Messgenauigkeit des Sensors verbessert wird.

[0022] Fig. 3stellt ein äquivalentes Kraftmodell des Sensors gemäß der ersten Ausführungsform dar. Die durch den zweiten Arm 232erzeugte Verschiebung ist Δx1. Die Verschiebung des Gitters im Gittermessgerät ist Δx2. Die Länge des ersten Arms 231ist L1. Die Länge des zweiten Arms 232ist L2. Die Länge des ersten Arms 231L1ist geringer als die Länge des zweiten Arms 232L2, d. h. der erste Arm 231ist ein kurzer Arm und der zweite Arm 232ist ein langer Arm. Diese Konstruktion ermöglicht, dass die Verschiebung des zweiten Arms 232Δx1kleiner als die Verschiebung des Gitters Δx2, d. h. die Verformung des Gittermessgeräts 241, die durch Dehnung verursacht wird, wird reduziert, was der Durchführung einer Signalreduktionsverarbeitung entspricht, so dass der Sensor in die zu messende Struktur eingegraben werden kann, die starken Vibrationen ausgesetzt ist, wie z. B. Eisenbahnen und Tunnel. Somit ist die Verformung des Gitters im Gittermessgerät 241begrenzt. Damit wird verhindert, dass das Gitter aufgrund übermäßiger Dehnung oder Biegung bricht.

[0023] Wie in Fig. 4gezeigt, umfasst der in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung bereitgestellte, optische Faser-gitter-beschleunigungssensor im Wesentlichen ein Gehäuse 1, eine Recheneinheit 3und eine innerhalb des Gehäuses 1angeordnete Sensorkomponente 2. Das Gehäuse 1dient zum Verpacken der Sensorkomponente 2. Die Sensorkomponente 2dient dazu, die Vibration der zu messenden Struktur in eine Änderung der Dehnung des Gitters umzuwandeln, die optischen Parameter des Gitters, das die Dehnung erzeugt, werden sich ändern. Der optische Parameter kann eine Wellenlänge, eine Frequenz, eine Phase, eine Polarisation oder dergleichen sein. Verschiedene Arten von Gittern können unterschiedliche optische Parameter aufweisen, die empfindlich auf Dehnungen reagieren. Für bestimmte Gitter kann beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter (Fiber Bragg Grating, FBG) ausgewählt werden. Die Recheneinheit 3kann eine externe optische Signaldemodulationseinrichtung zum Demodulieren der erfassten optischen Parameter sein, um die Beschleunigung der zu testenden Struktur zu erhalten.

[0024] In Fig. 4umfasst die Sensorkomponente 2eine Blattfeder 21, die mit dem Boden des Gehäuses 1verbunden ist, eine Masse 22, die mit der Oberseite der Blattfeder 21verbunden ist, einen Balkenkörper 23, der mit der Oberseite der Masse 22 verbunden ist, und ein Lichtleitfasermessgerät 24, das mit dem Balkenkörper 23verbunden ist, das Lichtleitfasermessgerät 24ist über dem Balkenkörper 23aufgehängt.

[0025] Das Lichtleitfasermessgerät 24umfasst ein Gittermessgerät 241, dessen optische Parameter sich ändern, wenn die zu testende Struktur vibriert, und Lichtleitfasern 242, die mit dem Gittermessgerät 241bzw. der Recheneinheit 3verbunden sind. In anderen möglichen Umsetzungsarten wird das Gitter in den Kern der Lichtleitfaser 242direkt graviert. Der Balkenkörper 23umfasst einen ersten Arm 231und einen zweiten Arm 232. Der erste Arm 231und der zweite Arm 232sind durch ein Drehelement 233verbunden. Das Drehelement 233ist an einer Seitenwand des Gehäuses 1befestigt, das dem Drehelement 233abgewandte Ende (Ende B) des zweiten Arms 232ist mit der Oberseite der Masse 22verbunden. und das Ende A des ersten Arms 231ist mit dem Gittermessgerät 241verbunden. Wenn das Gitter in die Lichtleitfaser 242eingraviert ist, ist das Ende A des ersten Arms 231direkt mit der Lichtleitfaser 242verbunden. In diesem Fall haben die Lichtleitfaser 242und das Gitter gleiche Verformung.

[0026] Das Gehäuse 1, die Blattfeder 21, die Masse 22und der zweite Arm 232können optional als Ganzes durch Bolzen 25verbunden sein, so dass das Gehäuse 1, die Blattfeder 21, die Masse 22und der Balkenkörper 23eine Vibrationserfassungsübertragungsstruktur in der z-Richtung bilden. Die Blattfeder 21wird als die Stützbasis der Vibrationserfassungsübertragungsstruktur verwendet, und die Vibrationserfassungsübertragungsstruktur ist durch Bolzen 25starr verbunden, um eine Verschiebung der Vibrationserfassungsübertragungsstruktur in der Nicht-z-Richtung zu vermeiden, wenn sie einer externen Vibration ausgesetzt ist, wodurch die Genauigkeit der Beschleunigungsmessung verbessert und die Stabilität der Struktur sichergestellt wird. Darüber hinaus erleichtert diese Schraubverbindung das Entfernen und Ersetzen von Bauteilen. Das Gehäuse 1, die Blattfeder 21, die Masse 22und der zweite Arm 232sind nicht darauf beschränkt, durch Bolzen verbunden zu werden, und es können auch andere starre Verbindungsverfahren verwendet werden, beispielsweise kann die Blattfeder 21am Boden des Gehäuses 1angeschweißt werden, die Masse 22an der Oberseite der Blattfeder 21angeschweißt werden, und das dem Drehelement 233abgewandte Ende (Ende B) des zweiten Arms 232an der Oberseite der Masse 22angeschweißt werden.

[0027] Die Blattfeder 21, die Masse 22und der zweite Arm 232sind sequentiell von unten nach oben in der z-Richtung verbunden. Nachdem eine Kraft auf den in die zu messende Struktur eingebetteten Sensor ausgeübt ist, erzeugen die Blattfeder 21-Masse 22-Struktur eine Vibration (Resonanz) und die Blattfeder 21hat die Eigenschaften gegen seitliche Vibrationsstörung, so dass die seitliche Vibrationsstörung der Masse 22, die direkt mit der Blattfeder 21verbunden ist, verringert wird und die Masse 22in z-Richtung auf und ab vibriert. Im Verglich mit der Struktur, bei der die Blattfeder 21direkt mit dem zweiten Arm 232verbunden ist in der ersten Ausführungsform, tritt, nachdem die verbleibende seitliche Vibration der Blattfeder 21auf die Masse 22übertragen wurde in der zweiten Ausführungsform, ein gewisser Grad an Dämpfung auf. Auf diese Weise wird, wenn die Masse 22eine Vibration auf den zweiten Arm 232überträgt, die seitliche Vibrationsstörung, die von dem zweiten Arm 232empfangen wird, weiter verringert. Das heißt, die seitliche Vibrationsstörung wird allmählich von unten nach oben gedämpft, die Dehnung des Gitters ergibt sich ungefähr aus der Verschiebung der Masse 22in z-Richtung Δx1. Infolgedessen wird die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Beschleunigungsmessung in der z-Richtung verbessert, und gleichzeitig kann die Blattfeder 21auch die Empfindlichkeit und den Frequenzantwortbereich des Sensors verbessern.

[0028] Da der zweite Arm 232und die Blattfeder 21durch die Masse 22verbunden sind, beeinflusst die Blattfeder 21den Betrieb des Drehelements 233nicht, so dass die Größe der Blattfeder 21nicht besonders beschränkt sein kann. Je größer die Blattfeder 21ist, desto größer ist ihre Steifheit und desto stabiler ist ihre Stützleistung, und desto stärker ist ihre Fähigkeit, seitlichen Vibrationsstörungen zu widerstehen. Die Länge der Blattfeder 21ist kleiner oder gleich der Länge des Gehäuses 1, die Breite der Blattfeder 21ist kleiner oder gleich der Breite des Gehäuses 1, die Höhe der Blattfeder 21ist abhängig von der Anzahl der übereinanderliegenden Federstahlschichten, die Höhe der Blattfeder 21ist geringer als die Höhe des Gehäuses 1. Die Länge und Breite des Gehäuses 1sind die Innenabmessungen des Gehäuses 1, d.h. die Außenabmessungen abzüglich der Dicke des Gehäuses 1.

[0029] In der zweiten Ausführungsform ist vorzugsweise die Breite der Blattfeder 21gleich der Breite des Gehäuses 1, und die Länge der Blattfeder 21ist gleich der Länge des Gehäuses 1, was der Verwendung des Gehäuses 1zur Begrenzung der Blattfeder 21entspricht, so dass die Blattfeder 21wirklich nur in der z-Richtung vibrieren kann, was die Bewegungsfreiheit der Blattfeder 21, der Masse 22und des zweiten Arms 232einschränkt. Diese Größenkonstruktion kann die seitliche Störung der Masse 22vollständig beseitigen, wodurch die Abweichung der Beschleunigungsmessung weiter verringert wird und die Messgenauigkeit der Beschleunigung der Sensorvibration in einer einzigen Richtung verbessert wird.

[0030] Unter diesen kann das Drehelement 233ein Lager und eine Drehwelle usw. annehmen. In dieser Ausführungsform ist ein Lager bevorzugt. Das Lager wird verwendet, um einen mechanischen Drehkörper (d.h. den Balkenkörper 23) zu verbinden und abzustützen, kann den Reibungskoeffizienten während der Drehung des ersten Arms 231verringern und die Drehgenauigkeit des ersten Arms 231sicherstellen, wodurch die mechanische Empfindlichkeit des Balkenkörpers 23verbessert ist und es ist vorteilhaft, den Vibrationsverlust im Übertragungsprozess zu reduzieren, wodurch die Messgenauigkeit des Sensors verbessert wird.

[0031] Der Balkenkörper 23nimmt einen L-förmigen Balken an, so dass der Balkenkörper 23einem Hebelmechanismus entspricht und das Drehelement 233einem Hebeldrehpunkt entspricht, wodurch ein dynamischer Ausgleichsmechanismus im Inneren des Gehäuses 1hergestellt wird, um Vibrationen zu übertragen. Wie in Fig. 4gezeigt, ist der zweite Arm 232vertikal mit der Masse 22verbunden, so dass der zweite Arm 232in einem horizontalen Zustand gehalten wird. Das heißt, dass der zweite Arm 232ein fester Arm ist. Auf diese Weise wird der zweite Arm 232der Vibration in z-Richtung mit der Masse 22ausgesetzt. Die Trägheitskraft der Vibration kann als Antriebskraft des Drehelements 233verwendet werden, so dass das Drehelement 233den ersten Arm 231antreibt, um eine bestimmte Winkelverschiebung zu erzeugen. Das heißt, dass der erste Arm 231ein Kraftarm ist. Dadurch wird das Gittermessgerät 241gedehnt. Wenn das Lichtleitfasermessgerät 24in einer Richtung parallel zum zweiten Arm 232aufgehängt ist, wird das Gitter in dem Gittermessgerät 241in der horizontalen Richtung verformt. Das Gitter in Fig. 4wird nach links zur Dehnungerzeugung gezogen, so dass die Verschiebung der Masse 22in z-Richtung Δx1in die Verschiebung des Gitters in horizontaler Richtung Δx2umgerechnet wird, wobei durch Δx2die optischen Parameter des Gittermessgeräts 241driften. Durch Demodulieren der optischen Parameter kann die Beschleunigung der zu messenden Struktur erhalten werden.

[0032] Fig. 5ist ein äquivalentes Kraftmodell der in Fig. 4gezeigten Sensorstruktur. Angenommen, der Elastizitätskoeffizient der Blattfeder 21ist k1, der Elastizitätsmodul der Lichtleitfaser 242ist E2, die laterale Fläche der Lichtleitfaser 242ist A2und die Länge zwischen den Fixpunkten A und M der Lichtleitfaser 242ist L, dann ist der Elastizitätskoeffizient der Lichtleitfaser 242k2= E2· A2/ L. Die resultierende Kraft des Sensors ist F , die Verschiebung der Masse 22in z-Richtung ist Δx1und die Gesamtsteifigkeit k des Systems ist k = F / Δx1. Die resultierende Kraft F kann in eine auf die Blattfeder 21wirkende Komponente F1und eine durch die Masse 22auf den zweiten Arm 232wirkende Komponente F2zerlegt werden. Die Komponente F1bewirkt eine Verschiebung Δx1der Blattfeder 21und der Masse 22. Nachdem der zweite Arm 232die von der Masse 22übertragene F2empfangen hat, erzeugt er durch die Wirkung des L-förmigen Balkens in der Lichtleitfaser 242FT. FTbewirkt, dass das Gittermessgerät 241eine Verschiebung Δx2erzeugt. Das heißt, dass FTeine Komponente von F2ist. Da die Verschiebung des Gittermessgerätes 241und der Masse 22gering ist, wird angenommen, dass F1und FTstets senkrecht zur Wirkungslinie sind. Dann F1= k1Δx1 (1) FT= k2Δx2 (2)

[0033] Nach dem Prinzip des Hebels und den geometrischen Eigenschaften des L-förmigen Balkens ist zu erhalten: F2L2= FTL1 (3)

[0034] Dabei ist L1die Länge des ersten Arms 231, L2ist die Länge des zweiten Arms 232, die Länge L2des zweiten Arms 232ist der Abstand in x-Richtung zwischen der Achsenmitte C des Drehelements 233und der Mittelachse LC der Masse 22. Die Länge L2der zwei Arme 232ist größer als Null, so dass ein Abstand in der x-Richtung zwischen der Masse 22und dem Drehelement 233besteht. Die Masse 22wird den Betrieb des Drehelements 233nicht beeinflussen. Weiter berechnet werden:

[0035] Aus Formel (5) ist bekannt, wenn die Länge L1des ersten Arms 231größer ist als die Länge L2des zweiten Arms 232, das heißt, wenn der erste Arm 231ein langer Arm und der zweite Arm 232ein kurzer Arm ist, kann der L-förmige Balken das Signal verstärken und dadurch die Messgenauigkeit des Sensors verbessern. Gesamtkraft F = F1+ F2. Dann ist zu erhalten:

[0036] Die Gesamtsteifigkeit k des Sensors kann durch die Formel (7) erhalten werden:

[0037] Aus der Formel (8) ist bekannt, dass die Gesamtsteifigkeit k des Sensors mit den Elastizitätskoeffizienten der Blattfeder 21und der Lichtleitfaser 242sowie der Armlänge des L-förmigen Balkens zusammenhängt. In dieser Ausführungsform ist das Gitter in dem Gittermessgerät 241ein Faser-Bragg-Gitter (Fiber Bragg Grating, FBG). Ohne Berücksichtigung des Einflusses der Temperatur haben die Mittenwellenlänge und die Dehnung des Faser-Bragg-Gitters eine lineare Beziehung. Angenommen, die Dehnung des Faser-Bragg-Gitters ist ε, der Versatz der Blattfeder 21ist ρ, ρ = F / k = ma / k, m ist die Masse der Masse 22, die Einheit ist Kg und die Beschleunigung der zu messenden Struktur ist a:

[0038] Die Dehnungserfassungseigenschaften eines Faser-Bragg-Gitters sind:

[0039] Darunter ist Δλ der Wellenlängendriftbetrag des Gittermessgeräts 241, λBist die Anfangswellenlänge des Gittermessgeräts 241, Peist der effektive Elastizitätskoeffizient der Pe242und der Wert von Peist im Allgemeinen 0,22. Dann ist die Beziehung zwischen der Beschleunigung a der zu messenden Struktur und dem Wellenlängendriftbetrag Δλ:

[0040] Nach dem Empfang des Erfassungssignals von dem Gittermessgerät 241kann die Recheneinheit 3die Beschleunigung a der zu messenden Struktur aufgrund von dem Wellenlängenverschiebungsbetrag Δλ gemäß Formel (11) berechnen, der die Beschleunigung ist, die dem Vibrationssignal in der z-Richtung entspricht.

[0041] Die Empfindlichkeit des Sensors S ist der Wellenlängendriftbetrag pro Beschleunigungseinheit. Die Empfindlichkeit S ist in Formel (12) gezeigt:

[0042] Die Resonanzfrequenz des Sensors ωnist in Formel (13) gezeigt:

[0043] In dieser Ausführungsform ist die Länge L1des ersten Arms 231größer als die Länge L2des zweiten Arms 232, das heißt, der erste Arm 231ist ein langer Arm und der zweite Arm 232ist ein kurzer Arm. Der Sensor ist im Inneren der zu messende Struktur angeordnet, wo externe Vibrationen relativ schwach ausgesetzt sind. Beispielsweise ist in der mikroseismischen Überwachungsszene der Erzstruktur der optische Faser-gitter-beschleunigungssensor in die Erzstruktur eingebettet, in der mikroseismische Aktivität auftritt. Aus der obigen Formel (5) ist bekannt, wenn die Länge L1des ersten Arms 231größer als die Länge L2des zweiten Arms 232ist, kann der L-förmige Balken das Signal verstärken, wodurch das schwache externe Vibrationssignal im Inneren des Sensors verstärkt wird, und da der Sensor der zweiten Ausführungsform die seitliche Vibrationsstörung beseitigt, wird das Vibrationssignal in der z-Richtung verstärkt und wird das Störungsschwingungssignal in der Nicht-Z-Richtung nicht verstärkt. Daher kann für die zu messende Struktur, die von Mikroseismik betroffen ist, auch die Genauigkeitsmessung der Schwingungsbeschleunigung in einer einzelnen Richtung verbessert werden.

[0044] Aus den Formeln (12) und (13) ist bekannt, wenn die Länge L1des ersten Arms 231länger als die Länge L2des zweiten Arms 232ist, können die Empfindlichkeit S und Resonanzfrequenz ωndes Sensors erhöht werden, wodurch die Leistung des Sensors weiter verbessert wird. Zusätzlich ist in der vorliegenden Erfindung das Lichtleitfasermessgerät 24in dem Gehäuse 1aufgehängt, das Phänomen des Zwitscherns des Gitters oder das Phänomen der Mehrfachspitzen der reflektierten Wellen wird nicht auftreten, es hat eine gute Fähigkeit, seitlichen Störungen zu widerstehen, was die Messgenauigkeit der Vibrationsbeschleunigung in einer einzigen Richtung verbessert.

[0045] Die gleichen Teile in der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform können sich aufeinander beziehen.

[0046] Fachleute werden ohne weiteres andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Betracht ziehen, nachdem sie die Beschreibung betrachtet und die hier offenbarte Erfindung ausgeführt haben. Diese Anmeldung soll alle Variationen, Verwendungen oder Anpassungen der vorliegenden Erfindung abdecken. Diese Variationen, Verwendungen oder Anpassungen folgen den allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung und umfassen das allgemeine Wissen oder herkömmliche technische Mittel auf dem technischen Gebiet, das nicht durch die vorliegende Erfindung offenbart ist. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Ausführungsformen nur als beispielhaft angesehen werden, wobei der geltende Umfang und Geist der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche angegeben wird.

[0047] Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die konkrete Struktur beschränkt ist, die oben beschrieben und in den Zeichnungen gezeigt wurde, und dass verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von deren Umfang abzuweichen. Der Umfang der Erfindung ist nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt.

Bezugszeichenlist

[0048] 1 Gehäuse 2 Sensorkomponente 21 Blattfeder 22 Masse 23 Balkenkörper 231 erster Arm 232 zweiter Arm 233 Drehelement 24 Lichtleitfasermessgerät 241 Gittermessgerät 242 Lichtleitfaser 25 Bolzen 3 Recheneinheit

Claims (10)

1. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1), eine innerhalb des Gehäuses (1) angeordnete Sensorkomponente (2) und eine Recheneinheit (3); wobei die Sensorkomponente (2) umfasst: eine Blattfeder (21), die mit dem Boden des Gehäuses (1) verbunden ist, wobei die Blattfeder (21) ein plattenartiges elastisches Element ist, das durch Übereinanderlegen mindestens einer Schicht aus Federstahl gebildet wird; eine Masse (22), die mit der Oberseite der Blattfeder (21) verbunden ist; einen Balkenkörper (23) mit einem ersten Arm (231) und einem zweiten Arm (232), wobei der erste Arm (231) und der zweite Arm (232) durch ein Drehelement (233) verbunden sind, das Drehelement (233) an einer Seitenwand des Gehäuses (1) befestigt ist, das dem Drehelement (233) abgewandte Ende des zweiten Arms (232) mit der Oberseite der Masse (22) verbunden ist; ein über dem Balkenkörper (23) aufhängendes Lichtleitfasermessgerät (24), das ein Gittermessgerät (241) und mit dem Gittermessgerät (241) sowie mit der Recheneinheit (3) verbundene Lichtleitfasern (242) umfasst, wobei die Recheneinheit (3) konfiguriert ist, die Beschleunigung der zu messenden Struktur gemäß dem Driftbetrag des optischen Parameters des Gittermessgeräts (241) zu berechnen.

2. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des ersten Arms (231) größer ist als die Länge des zweiten Arms (232).

3. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (3) die Beschleunigung der zu messenden Struktur gemäß folgender Formel berechnet: in der Formel, Δλ ist der Wellenlängendriftbetrag des Gittermessgeräts (241), λBist die Anfangsmittenwellenlänge des Gittermessgeräts (241), Peist der effektive Elastizitätskoeffizient der Lichtfasern (242), m ist die Masse der Masse (22), die Einheit ist Kg, k ist die Gesamtsteifigkeit des optischen Faser-gitter-beschleunigungssensors, a ist die Beschleunigung der zu messenden Struktur, L1ist die Länge des ersten Arms (231), L2ist die Länge des zweiten Arms (232); die Gesamtsteifigkeit des optischen Faser-gitter-beschleunigungssensors k beträgt: in der Formel, k1ist der Elastizitätskoeffizient der Blattfeder (21), k2ist der Elastizitätskoeffizient der Lichtleitfasern (242).

4. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Balkenkörper (23) ein L-förmiger Balken ist und der zweite Arm (232) parallel zum Lichtleitfasermessgerät (24) angeordnet ist.

5. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehelement (233) ein Lager ist.

6. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Blattfeder (21) gleich der Breite des Gehäuses (1) ist und die Länge der Blattfeder (21) gleich der Länge des Gehäuses (1) ist.

7. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1), die Blattfeder (21), die Masse (22) und der zweite Arm (232) durch Bolzen (25) miteinander verbunden sind.

8. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1), eine innerhalb des Gehäuses (1) angeordnete Sensorkomponente (2) und eine Recheneinheit (3); wobei die Sensorkomponente (2) umfasst: eine Blattfeder (21), die mit dem Boden des Gehäuses (1) verbunden ist, wobei die Blattfeder (21) ein plattenartiges elastisches Element ist, das durch Übereinanderlegen mindestens einer Schicht aus Federstahl gebildet wird; einen Balkenkörper (23) mit einem ersten Arm (231) und einem zweiten Arm (232), wobei der erste Arm (231) und der zweite Arm (232) durch ein Drehelement (233) verbunden sind, das Drehelement (233) an einer Seitenwand des Gehäuses (1) befestigt ist, der zweite Arm (232) mit der Oberseite der Blattfeder (21) verbunden ist, die Länge der Blattfeder (21) und des ersten Arms (231) beide kleiner als die Länge des zweiten Arms (232) sind; ein über dem Balkenkörper (23) aufhängendes Lichtleitfasermessgerät (24), das ein Gittermessgerät (241) und mit dem Gittermessgerät (241) sowie mit der Recheneinheit (3) verbundene Lichtleitfasern (242) umfasst, wobei die Recheneinheit (3) konfiguriert ist, die Beschleunigung der zu messenden Struktur gemäß dem Driftbetrag des optischen Parameters des Gittermessgeräts (241) zu berechnen.

9. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Blattfeder (21) 4/5der Länge des zweiten Arms (232) beträgt.

10. Optischer Faser-gitter-beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder (21) in der Mitte des Bodens des zweiten Arms 232angeordnet ist.