CN106092304A - 用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，包括宽带光源、耦合器、光纤光栅振动传感器组和光纤光栅解调仪；宽带光源输出的光信号经过耦合器到光纤光栅振动传感器组，经光纤光栅振动传感器组返回的光信号通过耦合器后输入到光纤光栅解调仪进行解调；所述的光纤光栅振动传感器组包括传输光纤和位于传输光纤上的光纤光栅加速度传感器；所述的光纤光栅加速度传感器包括设置在传输光纤上的光纤光栅、质量板、基板和复合材料，其中复合材料位于质量板和基板之间，光纤光栅嵌入在复合材料中。本发明导线轻便、单向传感器尺寸小、耐久性稳定性好。

Description

用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统。
背景技术
为了使工程顺利进行，需要制定合理的方案对爆破有害效应进行监测，以便于对其进行分析、评估和控制，进而指导爆破作业。
在传统的振动监测中，一般存在两种测量方式：机械式测量方法和电气式测量方法。其中机械式测量方法以杠杆原理为基础，将测得的振动信号放大后直接记录下来。这种测量方法的抗干扰能力较强，但是测量的频率范围较窄，精度较低；多用于测量低频、大振幅振动，不适用于爆破振动监测。
电气式测量方法目前在爆破振动监测中应用较为广泛，它是用电量测试仪来测量振动信号，灵敏度较高。目前，大多数爆破振动测试传感器都是磁电式传感器。磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种无源传感器。
然而，电气式传感器在技术上存在一定的局限性。首先，电气式传感器难以抵抗电磁场的干扰，监测数据的稳定性容易受到周边电磁环境的影响，例如变压器、发电机等。其次，磁电式传感器，往往体积、重量相对较大，其内部弹簧件容易失效，且不适用于狭小空间的振动测量和轻小型设备。另外，磁电式传感器动态范围有限，低频线性差。
在实际爆破有害效应测量的过程中往往需要一种低成本、性能稳定、轻便尺寸小、灵敏度高、监测范围大的传感器技术，以对爆破有害效应进行动态实时检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，导线轻便、单向传感器尺寸小、耐久性稳定性好。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，其特征在于：它包括宽带光源、耦合器、光纤光栅振动传感器组和光纤光栅解调仪；宽带光源输出的光信号经过耦合器到光纤光栅振动传感器组，经光纤光栅振动传感器组返回的光信号通过耦合器后输入到光纤光栅解调仪进行解调；
所述的光纤光栅振动传感器组包括传输光纤和位于传输光纤上的光纤光栅加速度传感器；所述的光纤光栅加速度传感器包括设置在传输光纤上的光纤光栅、质量板、基板和复合材料，其中复合材料位于质量板和基板之间，光纤光栅嵌入在复合材料中。
按上述方案，所述的传输光纤为若干条交叉排列的传输光纤，每条传输光纤上均间隔设有所述的光纤光栅加速度传感器，且耦合器与传输光纤之间设有分路器。
按上述方案，所述的光纤光栅振动传感器组还包括设置在传输光纤的交叉处的光纤光栅振动传感器单阵列，它包括基座和固定装置，基座上设有相互交叉的凹槽，每个凹槽中设有一个所述的光纤光栅加速度传感器，所述的固定装置用于将基座固定在待安装区域。
按上述方案，所述的固定装置为锚杆，与基座的中心固定连接。
按上述方案，所述的质量板和基板均为5-8mm厚的金属板。
按上述方案，所述的质量板和基板均为铝板。
本发明的有益效果为：
1、在质量板的惯性力作用下，复合材料中嵌入的光纤光栅由于受到横向力的作用而产生了应变从而导致了光纤光栅的布拉格波长的变化，采用光纤光栅解调仪对光纤光栅的应变与加速度之间的关系进行解调，本发明系统不需要测量垂直方向振动加速度，该种传感器布置简单，为最合适的传感器形式，与普通加速度传感器相比，本发明这种光纤光栅加速度传感器具有更高的稳定性及抗干扰能力，本发明导线轻便、单向传感器尺寸小、耐久性稳定性好。
2、通过将传输光纤交叉设置成网格，并且由于光纤光栅本身的波分复用的特性，可以很方便地构成加速度传感网络进行测量，从而实现大面积的对交叉的两个方向的振动进行同时监测；可以最大化的减少记录仪器中接口的数量。
3、通过设置光纤光栅振动传感器单阵列，对光纤光栅加速度传感器进行固定，进一步的提高本系统在监测时的精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构示意图。
图2为光纤振动传感器组的结构示意图。
图3为光纤光栅振动传感器单阵列的结构示意图。
图4为光纤光栅加速度传感器的结构示意图。
图中：1-宽带光源，2-耦合器，3-光纤光栅振动传感器组，4-光纤光栅解调仪，5-数据处理器，3-1-光纤光栅振动传感器单阵列，3-2-传输光纤，31-光纤光栅加速度传感器，32-基座，33-锚杆，311-质量板，312-基板，313-复合材料，314-光纤光栅。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，如图1所示，包括宽带光源1、耦合器2、光纤光栅振动传感器组3和光纤光栅解调仪4；宽带光源1输出的光信号经过耦合器2到光纤光栅振动传感器组3，经光纤光栅振动传感器组3返回的光信号通过耦合器2后输入到光纤光栅解调仪4进行解调；本实施例中，解调后的电信号输入到数据处理器5进行数据处理换算为振动信号。
所述的光纤光栅振动传感器组3包括传输光纤3-2和位于传输光纤3-2上的光纤光栅加速度传感器31；所述的光纤光栅加速度传感器31的结构如图4所示，包括设置在传输光纤3-2上的光纤光栅314、质量板311、基板312和复合材料313，其中复合材料313位于质量板311和基板312之间，光纤光栅314嵌入在复合材料中。
优选的，如图2所示，所述的传输光纤3-2为若干条交叉排列的传输光纤3-2，每条传输光纤3-2上均间隔设有所述的光纤光栅加速度传感器31，且耦合器2与传输光纤3-2之间设有分路器。进一步的，所述的光纤光栅振动传感器组3还包括设置在传输光纤3-2的交叉处的光纤光栅振动传感器单阵列3-1，它包括基座32和固定装置，基座32上设有相互交叉的凹槽，每个凹槽中设有一个所述的光纤光栅加速度传感器31，所述的固定装置用于将基座32固定在待安装区域。本实施例中固定装置为锚杆33，与基座32的中心固定连接。使用时，首先将锚杆33连同基座32一同钉入地面，若干个基座32在需要测量的位置摆放成图2所示阵列，再在光纤光栅振动传感器单阵列3-1上布置传输光纤3-2及光纤光栅加速度传感器31，最后连接好其它光通信器件，例如宽带光源1、耦合器2、分路器、光纤光栅解调仪4等，从而构成监测系统。
优选的，所述的质量板311和基板312均为5-8mm厚的金属板。本实施例中，所述的质量板311和基板312均为6mm厚的铝板，基板312则作为刚性板起支撑作用，中间为8mm厚的高性能橡胶（即复合材料313）夹在两铝板中间起弹簧的作用。
光纤光栅中心反射波长依次通过传输光纤3-2和耦合器2反馈到光纤光栅解调仪4再转换储存到数据处理器5，通过显示绘图终端绘制波形图，将变化的数据显示出来。通过监测布拉格波长的变化即可测出振动加速度，通过积分得到振动速度，从而直观反映爆破振动有害效应。当需要更多传感器时，只需在传输光纤中继续串联光纤光栅加速度传感器31和并联多根传输光纤3-2即可。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，其特征在于：它包括宽带光源、耦合器、光纤光栅振动传感器组和光纤光栅解调仪；宽带光源输出的光信号经过耦合器到光纤光栅振动传感器组，经光纤光栅振动传感器组返回的光信号通过耦合器后输入到光纤光栅解调仪进行解调；
所述的光纤光栅振动传感器组包括传输光纤和位于传输光纤上的光纤光栅加速度传感器；所述的光纤光栅加速度传感器包括设置在传输光纤上的光纤光栅、质量板、基板和复合材料，其中复合材料位于质量板和基板之间，光纤光栅嵌入在复合材料中。
2.根据权利要求1所述的用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，其特征在于：所述的传输光纤为若干条交叉排列的传输光纤，每条传输光纤上均间隔设有所述的光纤光栅加速度传感器，且耦合器与传输光纤之间设有分路器。
3.根据权利要求2所述的用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，其特征在于：所述的光纤光栅振动传感器组还包括设置在传输光纤的交叉处的光纤光栅振动传感器单阵列，它包括基座和固定装置，基座上设有相互交叉的凹槽，每个凹槽中设有一个所述的光纤光栅加速度传感器，所述的固定装置用于将基座固定在待安装区域。
4.根据权利要求3所述的用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，其特征在于：所述的固定装置为锚杆，与基座的中心固定连接。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，其特征在于：所述的质量板和基板均为5-8mm厚的金属板。
6.根据权利要求5所述的用于监测爆破振动的分布式光纤振动传感器系统，其特征在于：所述的质量板和基板均为铝板。
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