CN106989686B - 一种基于双布拉格传感器的大地应变仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双布拉格传感器的大地应变仪，包括传感器模块、混频器1、便携式频谱分析模块；传感器模块包括两个布拉格传感器，分别为测量用布拉格传感器和参考用布拉格传感器。布拉格传感器是在外绝缘层和内导体上具有周期性阻抗不连续点的弹性同轴电缆。测量用布拉格传感器包括布拉格传感器1和正反馈系统1，参考用布拉格传感器包括布拉格传感器2和正反馈系统2，每个正反馈系统包括放大器、滤波器、定向耦合器1和定向耦合器2。便携式频谱分析模块包括直接数字式频率合成器、混频器2、滤波器、对数放大器、A/D转换器和处理器；大地形变仪能实现大动态范围的地应力测量。本发明能够在实现大动态范围的应变测量的基础上，实现测量信号品质因数的提高，同时降低仪器的工作频率，从而降低仪器测量成本。

Description

一种基于双布拉格传感器的大地应变仪

技术领域

本发明属于地表形变观测技术领域，特别涉及一种基于双布拉格传感器的大地应变仪。

背景技术

地表形变观测是研究地震、火山、滑坡，以及冰川活动等一系列地球物理学问题的重要研究手段。2012年我国以卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测为主，辅以甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)、人卫激光测距(Satellite Laser Rangefinder,SLR)、InSAR等空间技术，并结合精密重力和水准测量等多种技术手段组成，建成了由260个连续观测和2000个不定期观测站点构成的中国大陆构造环境监测网络。现有的观测手段主要有空间的GNSS、VLBI、SLR、InSAR，以及地基的钻孔应变仪、钻孔倾斜仪、长基线激光应变仪等。高频GPS台站以导航卫星坐标为基准，为单点测量，提供观测站点的绝对位置信息，虽然其测量精度高(1Hz采样率，误差<1mm)，但是受到建造与运行成本的限制，台站密度不高，其空间分辨率有限。钻孔应变仪，安装在平均深度为100至200米的钻孔内，同样是单点测量，提供浅表大地应变的相对变化量，其具有较大的动态范围、较高的观测精度与采样率，能够清晰的观测到固体潮，而长基线激光应变仪在几百米范围内具有钻孔应变仪相当的观测精度，但它们同样受到台站数量的限制，空间分辨率不高。InSAR作为空间大地测量手段，具有较高测量精度，较大的覆盖范围，但其采样率较低(7-42天)。VLBI和SLR也是单点测量，与人造卫星协同，获得观测点相对空间参考点的相对位置信息，其建设与维护成本昂贵。除了上述设备以外，其他地表形变(如跨断层形变监测，水管倾斜观测等)也或多或少存在类似的问题，因此研制、建造与运行成本相对低廉的大覆盖范围、高空间分辨率、高采样率的地表形变观测仪器，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于双布拉格传感器的大地应变仪，以解决测量地表形变空间分辨率低，采样率低以及大地应变仪造价高的问题。

本发明采用的技术方案为：一种基于双布拉格传感器的大地应变仪，包括传感器模块、混频器1和便携式频谱分析模块，传感器模块包括两个布拉格传感器，分别为测量用布拉格传感器和参考用布拉格传感器。所述的布拉格传感器是在外绝缘层和内导体上具有周期性阻抗不连续点的弹性同轴电缆，其遵循基本电磁原理，当射频信号在布拉格传感器里传播时，一部分射频信号在布拉格传感器的阻抗不连续点上反射，生成反射频率信号；一部分射频信号在布拉格传感器的阻抗不连续点上传输。所述测量用布拉格传感器和参考用布拉格传感器分别与混频器1两端相连，测量用布拉格传感器用于测量大地应变，参考用布拉格传感器用于消除环境噪声；便携式频谱分析模块包括直接数字式频率合成器、混频器2、滤波器、对数放大器、A/D转换器、显示器和处理器，显示器与处理器直接相连，处理器通过直接数字式频率合成器与低通滤波器相连，低通滤波器通过混频器2与窄带滤波器相连，窄带滤波器通过对数放大器相连，对数放大器直接与处理器相连；处理器与直接数字式频率合成器、低通滤波器控制扫频范围以及设定扫频频率，窄带滤波器与对数放大器来测量频率能量，A/D转换器进行模数转换，便于处理器进行频率数据处理。

其中，测量用布拉格传感器包括布拉格传感器1和正反馈系统1，参考用布拉格传感器包括布拉格传感器2和正反馈系统2，每个正反馈系统包括放大器、滤波器、定向耦合器1和定向耦合器2。

其中，测量用布拉格传感器的正反馈系统1中，布拉格传感器1与定向耦合器1一端相连，定向耦合器1的另外一端连接定向耦合器2一端，定向耦合器1的第三端是通过放大器和滤波器与定向耦合器2另外一端相连，在定向耦合器2的第三端设计为测试点，布拉格传感器1的反射信号通过定向耦合器1，传输到放大器，反射信号被放大器进行信号放大，通过滤波器进滤波，之后通过定向耦合器2增强反射信号，并将增强的反射信号反馈给定向耦合器1，然后再叠加到布拉格传感器1的反射信号上，在这种正反馈回路中，反射频率信号可以不断加强，与此同时，在定向耦合器2的测试点上进行反射频率信号的测量，在测试点上连接一个频谱分析仪，在频谱分析仪上能够实时显示反射频率，反射频率的变化能够有效的反应在布拉格传感器1上的应力变化。

其中，大地形变仪能实现大动态范围的地应力测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明可以在大地形变测量应用的前提下，大大降低大地应变仪的硬件成本，为大地形变仪的大规模部署创造了条件。

附图说明

图1为本发明一种基于双布拉格传感器的大地应变仪的结构组成框图；

图2为本发明一种基于双布拉格传感器的大地应变仪的原理图；

图3为本发明一种基于双布拉格传感器的大地应变仪仪布拉格传感器模块的正反馈系统；

图4为一种基于双布拉格传感器的大地应变仪布拉格传感器频率应变对应关系表格。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种基于双布拉格传感器的大地应变仪，包括传感器模块、混频器1和便携式频谱分析模块；传感器模块包括两个布拉格传感器，便携式频谱分析模块包括直接数字式频率合成器、混频器2、滤波器、对数放大器、A/D转换器、显示器和处理器；传感器模块包括测量用布拉格传感器和参考用布拉格传感器；测量用布拉格传感器包括布拉格传感器1和正反馈系统1，参考用布拉格传感器包括布拉格传感器2和正反馈系统2，每个正反馈系统是由放大器、滤波器、定向耦合器1、2组成。大地形变仪能实现大动态范围的地应力测量。

布拉格传感器是在外绝缘层和内导体上具有周期性阻抗不连续点的弹性同轴电缆，其遵循基本电磁原理，当射频信号在布拉格传感器里传播时，一部分射频信号在布拉格传感器的阻抗不连续点上反射，生成反射频率信号；一部分射频信号在布拉格传感器的阻抗不连续点上传输。反射频率信号在布拉格传感器的阻抗不连续点上不断的增强信号。当布拉格传感器感应到地应力变化时，反射频率将随电缆尺寸和内部介电材料的介电常数的变化而不断变化。传感器与一正反馈系统连接，正反馈系统能够增强传感器的品质因子。

如图3所示，每个正反馈系统由一个放大器，一组滤波器，定向耦合器1和定向耦合器2组成。例如测量用布拉格传感器的正反馈系统1中，布拉格传感器1与定向耦合器1一端相连，定向耦合器1的另外一端连接定向耦合器2一端，定向耦合器1的第三端是通过放大器和滤波器与定向耦合器2另外一端相连。在定向耦合器2的第三端设计为测试点。布拉格传感器1的反射信号通过定向耦合器1，传输到放大器，反射信号被放大器进行信号放大，通过滤波器进滤波，之后通过定向耦合器2增强反射信号，并将增强的反射信号反馈给定向耦合器1，然后再叠加到布拉格传感器1的反射信号上。在这种正反馈回路中，反射频率信号可以不断加强。与此同时，在定向耦合器2的测试点上进行反射频率信号的测量，在测试点上连接一个频谱分析仪，在频谱分析仪上能够实时显示反射频率。反射频率的变化能够有效的反应在布拉格传感器1上的应力变化。本发明的正反馈系统增强了布拉格传感器感应的灵敏度并相应的降低了大地应变仪的成本。参考用布拉格传感器的正反馈系统2采用相同的结构。

本发明的便携式频谱分析模块由直接数字式频率合成器、混频器2、滤波器、对数放大器、A/D转换器和处理器组成；滤波器包括窄带滤波器和低通滤波器。两个布拉格传感器通过混频器1与便携式频谱分析模块相连，混频器1是将高频信号混频获得低频信号，便于便携式频谱分析仪模块测量。处理器一端与直接数字式频率合成器与混频器2相连。混频器2依次与窄带滤波器、对数放大器、A/D转换器相连，最终连接到处理器上。处理器作为扫频发生器，可设置扫频初始值和扫频范围。直接数字式频率合成器与低通滤波器可作为本地振荡器使用。

在软件设计中，大地应变仪启动，设备初始化，在接收到频率信号变化之前，处理器不进行工作。在收到信号变化之后，处理器开始进行扫频。单片机扫描到下一个反射频率点，与单片机之前存储的反射频率相比，如果频率大于之前存储在单片机中的频率,频率被保存为最大反射频率。如果已经找到最大反射频率，反射频率将会显示在液晶和单片机将启动一个新的扫频。否则,单片机将扫频到下一个频率点和做上面的循环中,直到最后找到最大的反射频率。

具体实施例如下所示：

如图2所示为一种基于双布拉格传感器的大地应变仪：两个布拉格传感器(测量用布拉格传感器和考用布拉格传感器)与混频器1相连，设置测量用布拉格传感器测得一应变反射频率f1，参考用布拉格传感器的设置应变反射频率f2，经过混频器1之后获得低频反射频率f3。此时用便携式频谱分析仪来测量混频器1的输出反射频率f3。便携式频谱分析仪中的处理器采用TI公司的MCUMSP430F169，作为扫频发生器的单片机，设置其扫频初始值为10MHz，其扫频范围从10MHz到30MHz。直接数字式频率合成器和低通滤波器作为本地振荡器，发出频率f4。在混频器2中f3与f4混频获得反射频率f5，本实施例采用的窄带滤波器的中心频率是50KHz，频带宽度为5KHz。f5通过窄带滤波器传到到对数放大器进行放大，来计算它的能量。对数放大器的输出采样的模拟量通过A/D转化器获得数字量，将此数字量传送给单片机并存储在单片机中。单片机通过峰值检波器找出应变变化反射频率f，并将此频率值显示在屏幕上。为了测试传感器的测量特性，做了如下轴向拉伸实验，布拉格传感器的一端安装在WAP-100的固定框架(上一个)上，另一端连接到WAP-100的可移动框架(下一个)，通过精确位移控制来控制框架的移动某些位移。沿布拉格传感器的变形等于仪器的下框架位移。将下框架的位移设定为0至12mm，步长为2mm。设定的布拉格传感器的应变长度为51cm，每步的应变变化值为0.39％(3900με)，在完成所有步后中，获得了反射频率的偏移，如表1和图4所示。

表1一种基于双布拉格传感器的大地应变仪布拉格传感器实验数据

实验的反射频率的变化与布拉格传感器所遭受的应变呈线性关系。在图4中添加了最小二乘拟合线。计算并填充了非线性误差。轴向拉伸应变试验表明，布拉格传感器可以测量大于2％(>2.35％)的应变，其非线性误差可以小于5.3％，大地测量应变计的测量灵敏度约为-0.082kHz/με。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于双布拉格传感器的大地应变仪，包括传感器模块、混频器1和便携式频谱分析模块，其特征在于：传感器模块包括两个布拉格传感器，分别为测量用布拉格传感器和参考用布拉格传感器，所述测量用布拉格传感器和参考用布拉格传感器分别与混频器1两端相连，测量用布拉格传感器用于测量大地应变，参考用布拉格传感器用于消除环境噪声；便携式频谱分析模块包括直接数字式频率合成器、混频器2、滤波器、对数放大器、A/D转换器、显示器和处理器，显示器与处理器直接相连，处理器通过直接数字式频率合成器与低通滤波器相连，低通滤波器通过混频器2与窄带滤波器相连，窄带滤波器通过对数放大器相连，对数放大器通过A/D转换器与处理器相连；处理器与直接数字式频率合成器、低通滤波器控制扫频范围以及设定扫频频率，窄带滤波器与对数放大器来测量频率能量，A/D转换器进行模数转换，便于处理器进行频率数据处理；

所述测量用布拉格传感器包括布拉格传感器1和正反馈系统1，所述参考用布拉格传感器包括布拉格传感器2和正反馈系统2，每个正反馈系统包括放大器、滤波器、定向耦合器1和定向耦合器2；布拉格传感器1与定向耦合器1相连，定向耦合器1一端与定向耦合器2一端相连，定向耦合器1的另外一端通过滤波器和放大器与定向耦合器2的另一端相连，定向耦合器2引出一端作为测试点；

测量用布拉格传感器的正反馈系统1中，布拉格传感器1与定向耦合器1一端相连，定向耦合器1的另外一端连接定向耦合器2一端，定向耦合器1的第三端是通过放大器和滤波器与定向耦合器2另外一端相连，在定向耦合器2的第三端设计为测试点，布拉格传感器1的反射信号通过定向耦合器1，传输到放大器，反射信号被放大器进行信号放大，通过滤波器进滤波，之后通过定向耦合器2增强反射信号，并将增强的反射信号反馈给定向耦合器1，然后再叠加到布拉格传感器1的反射信号上，在这种正反馈回路中，反射频率信号不断加强，与此同时，在定向耦合器2的测试点上进行反射频率信号的测量，在测试点上经混频器1连接一个便携式频谱分析模块，在便携式频谱分析模块上能够实时显示反射频率，反射频率的变化能够有效的反应在布拉格传感器1上的应力变化；

所述大地应变仪能实现大动态范围的地应力测量；

一种基于上述双布拉格传感器的大地应变仪的工作过程：

测量用布拉格传感器和参考用布拉格传感器与混频器1相连，设置测量用布拉格传感器测得一应变反射频率f1，参考用布拉格传感器的设置应变反射频率f2，经过混频器1之后获得低频反射频率f3，此时用便携式频谱分析模块来测量混频器1的输出反射频率f3，便携式频谱分析模块中的处理器作为扫频发生器的单片机，设置其扫频初始值为10MHz，其扫频范围从10MHz到30MHz，直接数字式频率合成器和低通滤波器作为本地振荡器，发出频率f4，在混频器2中f3与f4混频获得反射频率f5，f5通过窄带滤波器传到对数放大器进行放大，对数放大器的输出采样的模拟量通过A/D转换器获得数字量，将此数字量传送给单片机并存储在单片机中计算反射频率f5的能量，单片机通过峰值检波器找出能量最大处的反射频率f，并将此频率值显示在显示器屏幕上。

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