CN111596345A - 用于地震监测的光纤加速度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于地震监测的光纤加速度传感器及其制备方法，包括：基座，所述基座上安装外壳；所述外壳内部设有侧板、悬臂梁和质量块；所述侧板安装在基座上，所述侧板与悬臂梁的一端连接，所述悬臂梁的另外一端与质量块连接；所述主梁为长方体，所述主梁的上表面通过第一根光纤与侧板连接；所述第一根光纤穿过侧板与光谱仪连接；所述主梁的下表面通过第二根光纤与侧板连接，所述第二根光纤也穿过侧板与光谱仪连接。
Description
技术领域
本公开涉及加速度传感器技术领域，特别是涉及用于地震监测的光纤加速度传感器及其制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
在地震救援中造成人员伤亡的主要原因是由于余震或者救援方法不当使得原本已经严重破坏甚至是倒塌的废墟结构受到扰动造成再次破坏，甚至发生二次倒塌。在地震现场中，建筑物结构或周围化境的局部破坏或者拆除所引起的扰动均有可能会产生连锁反应，使得现场被破坏并向其他部分构件扩散，最终严重威胁救援队员和人员的生命安全。因此，废墟现场振动信号的实时监测是安全救援的重要基础保障。与高频地震波相比，低频地震波在等效深度传播过程中衰减和散射较弱，能量较高，随着目标勘探层深度的增加，低频地震波相对完整。
振动测量是震后救援安全评估的一项重要指标，是表征各种机械设备、桥梁、建筑稳定性的重要因素。对于频率在50Hz以下的振动信号，例如军事领域中的水下探测、地震监测、地质勘探等，振动信号幅值小，有效信号易被忽略，一般的光纤光栅振动传感器不能满足低频信号的测量。同时复杂的环境温度变化对光纤光栅测量环境的影响也不容忽视。为了有效减小温度变化对振动测量结果的影响，提高传感器的测量灵敏度显得尤为重要。
在实现本公开的过程中，发明人发现现有技术中存在以下技术问题：
地震监测加速度中运用广泛的检测仪器是检波器。检波器是一种利用机电转换的原理进行加速度检测的仪器，检波器内有磁体和线圈，当检测环境的加速度变化时，引起磁体和线圈发生相对运动。而检波器就是通过磁体与线圈的相互运动实现对机械振动与电信号的转化，完成对环境加速度的检测。虽然检波器的检测方式在技术及加速度的检测上较其他的检测方式有着显著的优势，但随着振动加速度检测对检测结果的准确性和有效性的要求不断提高，电磁结构本身也存在灵敏度不高、抗电磁干扰能力弱等缺陷，无法满足科研工作对数据精度的要求，同时还存在漏电、占用较大空间和较高的基建费等问题，严重制约了检波器在加速度检测领域的发展。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了用于地震监测的光纤加速度传感器及其制备方法；
第一方面，本公开提供了用于地震监测的光纤加速度传感器；
用于地震监测的光纤加速度传感器，包括：
基座，所述基座上安装外壳；所述外壳内部设有侧板、悬臂梁和质量块；
所述侧板安装在基座上，所述侧板与悬臂梁的一端连接，所述悬臂梁的另外一端与质量块连接；
所述主梁为长方体，所述主梁的上表面通过第一根光纤与侧板连接；所述第一根光纤穿过侧板与光谱仪连接；所述主梁的下表面通过第二根光纤与侧板连接，所述第二根光纤也穿过侧板与光谱仪连接。
第二方面，本公开提供了用于地震监测的光纤加速度传感器的制备方法；
用于地震监测的光纤加速度传感器的制备方法，包括：
构建光纤光栅加速度传感器的模型；
对光纤光栅加速度传感器模型进行有限元仿真分析和对比分析；通过比较分析结果，得到参数优化的光纤光栅加速度传感器模型；
基于参数优化的光纤光栅加速度传感器模型，装配出光纤光栅加速度传感器。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开提出一种双光纤-悬臂梁结构的光纤光栅加速度传感器。传感器选用双光纤光栅-悬臂梁结构，采用两根光纤光栅可以实现温度的差分补偿，悬臂梁结构的选择是因为该结构传感器的谐振频率的灵敏度具有相互制约的特点，可以有效测量低频振动信号且具有较高的灵敏度。
(2)用Solidworks软件和ANSYS Workbench软件完成对传感器建模和对传感器的数值计算、静力仿真分析与模态分析，得到在悬臂梁结构左臂臂长和厚度的不同参数下传感器的应变量和一阶模态，通过对比仿真分析结果，并将结果与实际需求相结合确定最优的悬臂梁左臂臂长和厚度的结构参数；
(3)根据仿真分析结果切割零部件，通过打磨、清洗等步骤完成零部件的制作，然后进行双光纤-悬臂梁结构的加速度传感器的装配；搭建振动实验系统和温度实验系统，用装配完成的传感器进行振动实验和温度实验，其中振动实验又包括幅频特性实验、灵敏度实验、交叉扰动实验。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为第一个实施例的连接关系示意图；
图2为第二个实施例建立好的传感器模型；
图3为第二个实施例的有限元静力分析示意图；
图4(a)-图4(d)为第二个实施例的一阶、二阶、三阶和世界模态振型；
图5(a)和图5(b)为第二个实施例的悬臂梁臂长变化分析和悬臂梁厚度变化分析；
图6为第二个实施例的温度实验系统结构；
图7为第二个实施例的温度变化对中心波长的影响；
图8为第二个实施例的振动实验系统结构；
图9为第二个实施例的DFBG加速度传感器时域响应曲线；
图10为第二个实施例的DFBG加速度传感器幅频特性曲线；
图11为第二个实施例的DFBG加速度传感器灵敏度曲线图；
图12为第二个实施例的DFBG加速度传感器横向干扰特性曲线图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了用于地震监测的光纤加速度传感器；
用于地震监测的光纤加速度传感器，包括：
基座，所述基座上安装外壳；所述外壳内部设有侧板、悬臂梁和质量块；
所述侧板安装在基座上，所述侧板与悬臂梁的一端连接，所述悬臂梁的另外一端与质量块连接；
所述主梁为长方体，所述主梁的上表面通过第一根光纤与侧板连接；所述第一根光纤穿过侧板与光谱仪连接；所述主梁的下表面通过第二根光纤与侧板连接，所述第二根光纤也穿过侧板与光谱仪连接。
所述悬臂梁，包括：主梁，所述主梁的一侧安装有第一副梁，所述主梁的另外一侧安装有第二副梁，所述第一副梁的远离主梁一端与侧板连接，所述第二副梁的远离主梁一端与质量块连接。
所述主梁、第一副梁和第二副梁均为长方体。
所述第一副梁的宽度小于第二副梁的宽度；所述第一副梁的厚度小于第二副梁的厚度，第一副梁的宽度大于第一副梁的厚度；第一副梁的长度为17.00mm，第一副梁的厚度为1.00mm。
进一步地，所述第一根光纤粘接在主梁顶端的上表面，所述第二根光纤粘接在主梁底端的下表面。
进一步地，所述质量块选择黄铜材料，黄铜的密度高于普通的钢结构，在相同体积下质量更大，在相同加速度的作用下对悬臂梁产生的拉力也越大。
进一步地，所述悬臂梁选用65Mn材料，这类材料的刚度较大形变量小不影响传感器稳定性，导致光纤光栅发生折断。
进一步地，所述外壳采用钢合金结构，合金结构在稳定性方面优势显著，不易被氧化，长期在潮湿的恶劣环境中保护传感器的内部结构不受损坏，保证传感器的使用寿命。
悬臂梁设计为左薄右厚，中间凸起，并且梁的宽度远大于厚度，这样可以有效的放大振动的加速度信号，也可以有效的减小横向干扰，提高灵敏度。
基座底部加入调平器，可以保证传感器的固定以及测量数据的准确。
实施例二
本实施例提供了用于地震监测的光纤加速度传感器的制备方法；
用于地震监测的光纤加速度传感器的制备方法，包括：
S101：构建光纤光栅加速度传感器的模型；
S102：对光纤光栅加速度传感器模型进行有限元仿真分析和对比分析；通过比较分析结果，得到参数优化的光纤光栅加速度传感器模型；
S103：基于参数优化的光纤光栅加速度传感器模型，装配出光纤光栅加速度传感器。
作为一个或多个实施例，所述S101中，构建光纤光栅加速度传感器的模型；具体步骤包括：
基座，所述基座上安装外壳；所述外壳内部设有侧板、悬臂梁和质量块；
所述侧板安装在基座上，所述侧板与悬臂梁的一端连接，所述悬臂梁的另外一端与质量块连接；
所述主梁为长方体，所述主梁的上表面通过第一根光纤与侧板连接；所述第一根光纤穿过侧板与光谱仪连接；所述主梁的下表面通过第二根光纤与侧板连接，所述第二根光纤也穿过侧板与光谱仪连接。
所述悬臂梁，包括：主梁，所述主梁的一侧安装有第一副梁，所述主梁的另外一侧安装有第二副梁，所述第一副梁的远离主梁一端与侧板连接，所述第二副梁的远离主梁一端与质量块连接。
作为一个或多个实施例，所述S102中，对光纤光栅加速度传感器模型进行有限元仿真分析和对比分析；通过比较分析结果，得到参数优化的光纤光栅加速度传感器模型；具体步骤包括：
S1021：对光纤光栅加速度传感器模型的部件进行建模；所述部件，包括：光纤光栅、质量块和悬臂梁；
S1022：给各个部件设置材料属性和压力属性，对各个部件进行网格划分；
S1023：将网格划分后的部件导入ANSYS Workbench有限元软件中，对光纤光栅和悬臂梁施加固定约束、施加激励载荷和设置求解项，分析各个参数下各个部件的静力分析和模态分析，记录数据；
S1024：通过对记录数据进行分析，确定各个部件的参数，得到参数优化的光纤光栅加速度传感器模型。
进一步地，所述S1021中，对光纤光栅加速度传感器模型的部件进行建模；具体步骤包括：使用Solidworks软件来进行建模。
示例性的，所述S1021中，对光纤光栅加速度传感器模型的部件进行建模；具体步骤包括：
首先将各个零部件的模型单独进行建立，设计各部件的形状和尺寸，然后建立光纤光栅加速度传感器装配体，对各零部件的材料进行标定，对零部件间的关系设置约束，将约束关系的设置到各个零部件的点、线和面，通过将两两部件之间设置关系约束，达到固定各零部件的位置，完成模型的建立。
建立好的模型，如图2所示。
进一步地，所述S1022中，将光纤光栅加速度传感器模型，导入ANSYS Workbench有限元软件中，给各个部件设置材料属性和压力属性，对各个部件进行网格划分。
示例性的，所述S1022中，DFBG加速度传感器的质量块选择黄铜材料，黄铜的密度高于普通的钢结构，在相同体积下质量更大，在相同加速度的作用下对悬臂梁产生的拉力也越大。悬臂梁选用具有优良弹性性能的65Mn材料，这类材料的刚度较大形变量小不影响传感器稳定性，导致光纤光栅发生折断。DFBG加速度传感器外壳采用钢合金结构，合金结构在稳定性方面优势显著，不易被氧化，可以长期在潮湿的恶劣环境中保护传感器的内部结构不受损坏，保证传感器的使用寿命。
表1有限元模型结构材料参数
示例性的，所述S1022中，对各个部件进行网格划分；具体步骤包括：
采用四面体划分法，用ansys workbench软件划分网络。
示例性的，所述S1023中，静力分析；具体步骤包括：
设置悬臂梁左臂臂长14.00mm，厚度1.00mm，对弹性模块(弹性模块是指悬臂梁和光纤光栅)的添加固定约束，使弹性模块保持不动，在质量块的下表面施加固定压力，大小为0.05MPa。在固定压力的作用下，质量块产生向上的位移，间接引起光纤的收缩和拉伸，静力分析的因素就是光纤光栅的伸缩量。静力分析计算求解结果如图3所示。
在固定压力下，模型右侧自由端的形变量位移最大，即质量块的位移，随着向左推进，悬臂梁的形变量逐渐减小，并在光纤左侧固定端的形变量达到最小。将静力分析结果生产数据报告，得到质量块端的位移最大达到1.67mm，而悬臂梁左臂表面的形变量约为0.18mm，光纤部分的形变量约为0.37mm。
分析结果表明：DFBG加速度传感器能够实现对自由端位移和应变的响应，但光纤光栅处形变量最小不会影响光纤的物理性质，可以保证传感器的稳定性；比较悬臂梁处和光纤光栅的形变量，光纤光栅的形变量是悬臂梁表面形变量的2.0倍，通过比较表明采用悬空的方式固定光纤光栅可以实现对形变量的放大，达到对被测振动信号变化量的放大。
示例性的，所述S1023中，模态分析；具体步骤包括：
将模型放入ANSYS workbench软件中，在两根光纤的左端面和悬臂梁的左端面同时施加固定约束，模型整体建立网格划分，设置计算阶数为4。
以悬臂梁左臂长为17.00mm为例进行分析，得到一阶、二阶、三阶、四阶模态频率分别为103.26Hz、769.96Hz、1369.9Hz和1837.7Hz，振型如图4(a)-图4(d)所示。
振型图共分四部分。图4(a)所示为模型的一阶模态振型，即工作振型，表明模型在外界振动的作用下沿Y轴产生振动；图4(b)所示为模型的二阶模态振型，即扭动振型，表明模型在外界振动的作用下绕X轴发生扭动；图4(c)所示为模型的三阶振型，即波动振型，表明结构沿Y轴方向波动；图4(d)所示为模型的四阶振型，即摆动振型，表明在外界振动的作用下模型在Z轴方向摆动。模态分析结果表明，DFBG加速度传感器的固有频率为103.26Hz，表明可以检测低频的振动频率；通过比较各阶模态数据，一阶模态频率与二、三、四阶模态频率相差较大，表明双光纤-悬臂梁结构的交叉耦合小，可以有效降低交叉干扰，提高传感器灵敏度。
示例性的，所述S1024具体步骤包括：
根据理论分析结果，悬臂梁的臂长和厚度是影响DFBG加速度传感器固有频率和灵敏度的参数。将模型放入有限元软件中，弹性模块的质量块为黄铜材料，长为20mm，悬臂梁为65Mn材料不改变，分别改变悬臂梁左侧臂的臂长和厚度作对比实验：
实验一：设置悬臂梁厚度为1.00mm，仅改变臂长长度，设置变化范围为10.00mm～21.00mm，变化量为0.50mm，记录每一组长度的传感器应变量和一阶模态的数据，绘制双Y轴曲线如图5(a)，横轴为悬臂梁臂长的变化，左侧Y轴表示模型的应变量，右侧Y轴表示模型的一阶模态；
实验二：设置悬臂梁臂长为16.00mm，厚度变化范围为0.80mm～1.24mm，变化量为0.02mm，记录不同厚度参数下传感器的应变量和一阶模态的数据，绘制双Y轴曲线如图5(b)，横轴为悬臂梁左臂厚度的变化，左侧Y轴表示模型的应变量，右侧Y轴表示模型的一阶模态。
图5(a)中随着悬臂梁左臂臂长的增大，光纤光栅处的应变量逐渐增大，但DFBG加速度传感器的一阶模态逐渐降低；图5(b)中随着悬臂梁左臂厚度的增大，光纤光栅处的应变量逐渐减小，但DFBG加速度传感器的一阶模态逐渐增高。通过分析图5(a)和图5(b)，在左臂臂长为15.50mm，厚度为1.00mm附近，两条曲线相交。选择在交点附近的数据为悬臂梁的臂长和厚度的参数，光纤光栅的应变量适中，可以实现对自由端质量块位移的响应同时不影响光纤光栅的物理性质，避免引起光纤光栅发生折断。从DFBG加速度传感器的谐振频率方面分析，传感器的谐振频率太高，会影响传感器低频信号测量的灵敏度；传感器的谐振频率太低，会导致低频响应带宽太窄，传感器能够测量的振动信号范围缩小，实用性能降低。而在相交点位置的参数下，DFBG加速度传感器的一阶模态频率约为100Hz，可以保证传感器具有良好的低频响应。需要注意的是，DFBG加速度传感器的结构设计中悬臂梁与传感器外壳的连接是通过嵌入的方式，即悬臂梁的左臂设计有1.50mm的伸进量。综上，本实施例设计DFGB加速度传感器的参数为左臂臂长17.00mm，厚度1.00mm。
作为一个或多个实施例，所述S103中，基于参数优化的光纤光栅加速度传感器模型，装配出光纤光栅加速度传感器；具体步骤包括：
使用重锤法固定光纤光栅；
悬臂梁一端通过压块与侧板的结合固定，另一端与质量块连接，在质量块左侧挖一个凹槽，将悬臂梁右端面嵌入凹槽中，并用强力胶固定。
应理解的，所述使用重锤法固定光纤光栅是指：在装配时先固定光纤光栅与悬臂梁一端的连接，另一端的固定根据重锤法，将DFBG加速度传感器置于实验台边缘，在光纤末端固定一个夹子作为重物让其自由下垂进行固定。
重锤法可以在制作时预加等量的拉伸，可以有效的避免啁啾现象或多峰现象。
作为一个或多个实施例，所述方法还包括：
S104：构建振动实验系统，保持室温恒定，将加速度传感器放置在振动台上，保证实验过程中只有振动台提供的振动量是唯一的变量，对装配后的光纤光栅加速度传感器进行振动实验；
S105：构建温度实验系统，设置温控箱温度为实验的唯一变量，对装配后的光纤光栅加速度传感器进行温度实验；
S106：分析装配后的光纤光栅加速度传感器的温度补偿性能、幅频特性、灵敏度特性和交叉串扰特性，验证装配后的光纤光栅加速度传感器的稳定性和可靠性。
进一步地，所述S105的具体步骤包括：
温度实验装置由宽带光源、环形器、温控箱和光谱仪组成，环形器的一端口接宽带光源，二端口接DFBG加速度传感器，三端口接光谱仪实时测量光纤光栅中心波长的变化量，如图6所示。其中，温度控制设备选用中科美其温度控制箱，可以提前设定温变化程序，包括温度变化量、变化时间和保持时间，温度控制可精确到0.01°。光源选用高稳定度ASE宽带光源，可以发出波长范围为1528nm-1603nm的光波，覆盖C波段和L波段，当输出泵浦光能量达到20mW时可以激发全部光波。选用YOKOGAWA的AQ63700光谱仪检测，检测精度为0.1pm，具有分辨率高、灵敏度高和动态范围大的特点。光谱仪还具有快速测量、数据传输和存储的功能，支持USB接口，可以便捷的显示、定位测量结果并对对测量数据进行保存、传输，大大提高检测的效率。
温度实验设置环境温度为唯一变量，将DFBG加速度传感器放入温控箱内可以保证其他环境参数不改变，有效的达到控制变量的目的。温度实验是将DFBG加速度传感器固定于温控箱内，改变温度环境进行温度实验，设置温度变化初始点为-20℃，终点为60℃，每一节点的变化量为10℃。在每一节点温度达到平衡时，保持2min后测量光纤光栅中心波长的变化量，记录数据并分析，进行归一化处理后如图7。
图7中，方形点曲线表示单光纤-悬臂梁(Single-Fiber Bragg Grating，简称SFBG)加速度传感器随温度变化的情况，圆形点曲线表示DFBG传感器随温度变化的情况。实验数据表明，当测量环境温度变化量达到80℃时对光纤光栅中心波长的影响达到1nm，影响因子达12.5pm/℃。与被测环境加速度变化对光纤光栅中心波长的影响相比较，温度的变化对振动传感器的测量精度和测量准确度都有严重的影响，所以在振动的监测中消除温度的影响是十分重要的。温度变化曲线图中，对折线图进行线性拟合处理后表明，SFGB加速度传感器的温度影响因子为11.12，而DFBG加速度传感器的温度影响因子为0.10，显著的改善了测量环境温度对振动传感器的影响，表明双光纤-悬臂梁结构可以实现DFBG加速度传感器对环境温度变化的自补偿功能。
进一步地，所述S104的具体步骤包括：
振动实验系统包括DFBG加速度传感器、振动台系统、光纤光栅解调仪以及计算机组成，环形器作为连接部件，将宽带光源的光波输送至DFGB加速度传感器，经过光纤光栅后部分光被反射回来，再经由环形器输送至光纤光栅解调仪解调光波携带的信息。振动台系统由信号函数发生器、信号放大器、振动台三部分组成，信号函数发生器可以提供350Hz、250Hz、100MHz或70MHz四种正弦最大输出频率，采样率为1GSa/a，分辨率为14bits，具有14种准波形函数和丰富的标准配置接口，并支持用户通过Web远程控制仪器和USB接口的数据传输。信号放大器的频响范围为1-15000Hz，信噪比大于75dB，搭配信号函数发生器可以将函数信号进行放大。振动台为MWY-JZQ50标定台，最大振幅达12.5mm，最大加速度为45.5g。振动实验系统如图8所示。
首先对DFBG加速度传感器进行简单振动性能测试。将DFBG加速度传感器固定于振动台，设置振动台的输出频率为40Hz，经环形器连接光纤光栅解调仪，在计算机端得到DFBG加速度传感器的振动响应曲线，其输出频率对应光纤光栅加速度传感器响应的时域曲线如图9所示。响应曲线表明DFBG加速度传感器具有良好的输出频率响应。
振动实验设置加速度为唯一变量，保证环境其他参数不变。将DFBG加速度传感器固定于振动台，设置振动台系统的最大加速度为10m/s2，最大幅值为0.3mm，信号发生器分别产生5～140Hz的正弦激励，以5Hz的变化量改变信号发生器的输出激励。通过改变振动台的激励，测试DFBG加速度传感器的振动响应。在接近传感器固有频率时，变化量改变为2Hz，记录DFBG加速度传感器中心波长的变化，经过高斯拟合处理后得输出频率与光波中心波长变化量的关系，如图10所示。
由图10可知，当信号函数发生器产生的激励为84.86Hz时，DFBG加速度传感器的光纤光栅中心波长的变化量达到最大，此时的变化量约为628pm。而在15-60Hz频带范围内光纤光栅的中心波长变化平稳，表明DFBG加速度传感器的固有频率为84.86Hz，工作频段为15～60Hz，表明DFGB加速度传感器可以实现对低频段振动信号的响应。
线性响应是加速度传感器的一个重要特性，定义为输出波长与加速度之间的关系。灵敏度实验设定振动台输出频率为30Hz，加速度变化范围为0～20g(1g＝10.0m/s2)，记录DFBG加速度传感器的中心波长变化数据，绘制点状图并进行线性拟合后，灵敏度曲线如图11所示。圆点曲线表示SFBG加速度传感器中心波长随加速度变化的曲线，灵敏度为111.87pm/g，三角形曲线表示DFBG加速度传感器随加速度变化的曲线，灵敏度为156.70pm/g。实验表明，双光纤-悬臂梁结构加速度传感器的线性度优于单光纤-悬臂梁结构加速度传感器。
对单自由度的光纤光栅加速度传感器而言，横向抗干扰特性是一项重要的性能指标。用正交串扰η表征，定义为同频率下横向加速度灵敏度SH与加速度灵敏度S之比值的以10为底的对数乘以20：
将DFBG加速度传感器纵向固定于振动台上，加速度幅值最大为0.3mm，在20Hz～60Hz范围内测量横向振动对光纤光栅中心波长的漂移量，并将其与同振动环境下纵向漂移量对比，如图12所示。该图表示在相同振动激励下，DFBG加速度传感器收到的正交串扰为-23.68dB，说明传感器能够有效的抑制横向干扰的影响。
双光纤-悬臂梁结构加速度传感器的工作频带为15～60Hz，能够实现温度的自补偿功能，抗干扰的能力强，DFBG加速度传感器的灵敏度为156.70pm/g，比SFBG加速度传感器的灵敏度高44.83pm/g。
在理想情况下，每一个加速度传感器的传感探头都可以看做是一个标准的质量惯性体系。一个标准的质量惯性体系是由惯性质量块m、弹簧k、阻尼器c组成的二阶单自由度的受迫振动系统。
如果把质量-弹簧系统看做质量惯性体系中一个整体运动的子系统，当这个子系统感受到外界振动加速度时，由于弹性体的存在，质量块与运动系统间存在相对位移，即为弹性体的形变。设使其产生弹性形变的外力为f(t)，质量块的位移为x(t)，由牛顿第二定律有：
当待测振动信号处于传感器有效工作频率范围内，加速度幅值与振动信号角频率ω的关系为：
x＝Xeiωt (3)
其中，A表示加速度幅值，X表示传感器结构的稳态响应振幅。综合上式可得X与A的关系：
令ωn表示传感器系统的固有频率，ξ表示传感系统的阻尼比，Q表示系统的动力放大系数，也即加速度传感的幅频响应函数。有：
可以发现，Q值与被测振动信号的频率相关。当振动信号的频率远小于固有频率时，即频率比
越小，此时被测振动信号处于低频段，且Q值接近于1，表明测量结果失真度小，传感器的输出特性平坦，根据公式：
即可得到待测振动信号的加速度大小。
选取DFBG加速度传感器的主要弹性模块——质量块、悬臂梁、光纤三个模块，对传感器结构的灵敏度、固有频率进行理论分析。对弹性模块作受力分析如图1所示，外界振动信号使传感器产生向上的加速度a，力的大小为F。自由端质量块受力为F1，产生的位移为Δx1；悬臂梁的左臂长度为L2，右臂长度为L1，悬臂梁对光纤的拉力为T，拉伸量为Δx2。
设系统的总刚度为k，光纤的弹性系数为k1。光纤的杨氏模量为为Ef，横截面积为Af，则
对传感器系统有：
由杠杆原理可得：
理想情况下，F＝F1＝F2。考虑传感器采用双光纤结构，系统的总刚度为：
光纤光栅的应变量ε与加速度a可表示为：
结合式
可以得到传感器的灵敏度S与固有频率f0表达式：
根据公式可知，当外界振动作用于DFBG加速度传感器时，传感器整体随待测振动信号同步运动，但传感器内部的光纤光栅一端固定，另一端连接自由端。所以当自由端质量块产生纵向加速度，导致与之相连的悬臂梁随质量块的纵向运动产生不同程度的弯曲，使固定其上的光纤光栅受力拉伸或收缩。光纤光栅反射光的中心波长受栅区长度的影响，当光纤布拉格光栅的长度发生变化，其反射光的中心波长随之发生变化，这个变化即是对变化的振动信号的响应。
实验设置了单根光纤与两根光纤光栅加速度传感器的对比，在其它结构参数均相同的情况下，进行对比试验。
综合仿真与实验数据分析，结果表明：传感器悬臂梁的臂长为15.5mm，厚度为1.00mm传感器结构达到最优化，但考虑结构设计中的缩进量，选定传感器臂长为17.00mm制作实物；用制作完成的传感器进行实验，得到双光纤-悬臂梁振动传感器工作频带为15～60Hz，灵敏度为156.70pm/g，正交串扰为-23.68dB，而单光纤光栅加速度传感器灵敏度为111.87pm/g，对比结果表明双光纤-悬臂梁结构的光纤光栅有效减弱温度对测量的影响，为光纤光栅传感器在复杂温度环境中的工程应用提供了一定基础。
光纤光栅对加速度检测的灵敏度高，能够实现对纳米量级微小加速度信号的检测，还具有响应速度快、动态范围大的特点，必要时还可以实现分布式的大范围测量。同时光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、便于组网及长距离传输等优点，光纤传感器凭借这些优势逐渐成为地震监测中的主要手段。
光学式测量方法是利用光器件将机械振动信号转换成光波信号，用光波承载信息，通过光纤解调仪获取振动信息，具有测量精度高、抗电磁干扰的特点。
梁式结构式加速度传感器的特点是：传感器结构简单且性能稳定，该结构的谐振频率与灵敏度存在严重的相互制约关系，使得梁式结构更适合低频信号的检测。故在低频环境中，梁式结构具有谐振频率低、灵敏度高的特点，将其运用于地震的加速度信号检测中更具优势。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于地震监测的光纤加速度传感器，其特征是，包括：
基座，所述基座上安装外壳；所述外壳内部设有侧板、悬臂梁和质量块；
所述侧板安装在基座上，所述侧板与悬臂梁的一端连接，所述悬臂梁的另外一端与质量块连接；
所述主梁为长方体，所述主梁的上表面通过第一根光纤与侧板连接；所述第一根光纤穿过侧板与光谱仪连接；所述主梁的下表面通过第二根光纤与侧板连接，所述第二根光纤也穿过侧板与光谱仪连接。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述悬臂梁，包括：主梁，所述主梁的一侧安装有第一副梁，所述主梁的另外一侧安装有第二副梁，所述第一副梁的远离主梁一端与侧板连接，所述第二副梁的远离主梁一端与质量块连接。
3.用于地震监测的光纤加速度传感器的制备方法，其特征是，包括：
构建光纤光栅加速度传感器的模型；
对光纤光栅加速度传感器模型进行有限元仿真分析和对比分析；通过比较分析结果，得到参数优化的光纤光栅加速度传感器模型；
基于参数优化的光纤光栅加速度传感器模型，装配出光纤光栅加速度传感器。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是，构建光纤光栅加速度传感器的模型；具体步骤包括：
基座，所述基座上安装外壳；所述外壳内部设有侧板、悬臂梁和质量块；
所述侧板安装在基座上，所述侧板与悬臂梁的一端连接，所述悬臂梁的另外一端与质量块连接；
所述主梁为长方体，所述主梁的上表面通过第一根光纤与侧板连接；所述第一根光纤穿过侧板与光谱仪连接；所述主梁的下表面通过第二根光纤与侧板连接，所述第二根光纤也穿过侧板与光谱仪连接。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述悬臂梁，包括：主梁，所述主梁的一侧安装有第一副梁，所述主梁的另外一侧安装有第二副梁，所述第一副梁的远离主梁一端与侧板连接，所述第二副梁的远离主梁一端与质量块连接。
6.如权利要求3所述的方法，其特征是，对光纤光栅加速度传感器模型进行有限元仿真分析和对比分析；通过比较分析结果，得到参数优化的光纤光栅加速度传感器模型；具体步骤包括：
对光纤光栅加速度传感器模型的部件进行建模；所述部件，包括：光纤光栅、质量块和悬臂梁；
给各个部件设置材料属性和压力属性，对各个部件进行网格划分；
将网格划分后的部件导入ANSYS Workbench有限元软件中，对光纤光栅和悬臂梁施加固定约束、施加激励载荷和设置求解项，分析各个参数下各个部件的静力分析和模态分析，记录数据；
通过对记录数据进行分析，确定各个部件的参数，得到参数优化的光纤光栅加速度传感器模型。
7.如权利要求6所述的方法，其特征是，对光纤光栅加速度传感器模型的部件进行建模；具体步骤包括：使用Solidworks软件来进行建模；
将光纤光栅加速度传感器模型，导入ANSYS Workbench有限元软件中，给各个部件设置材料属性和压力属性，采用四面体划分法，对各个部件进行网格划分。
8.如权利要求6所述的方法，其特征是，对光纤光栅加速度传感器模型的部件进行建模；具体步骤包括：
首先将各个零部件的模型单独进行建立，设计各部件的形状和尺寸，然后建立光纤光栅加速度传感器装配体，对各零部件的材料进行标定，对零部件间的关系设置约束，将约束关系的设置到各个零部件的点、线和面，通过将两两部件之间设置关系约束，达到固定各零部件的位置，完成模型的建立。
9.如权利要求3所述的方法，其特征是，基于参数优化的光纤光栅加速度传感器模型，装配出光纤光栅加速度传感器；具体步骤包括：
使用重锤法固定光纤光栅；
悬臂梁一端通过压块与侧板的结合固定，另一端与质量块连接，在质量块左侧挖一个凹槽，将悬臂梁右端面嵌入凹槽中，并用强力胶固定。
10.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述方法还包括：
构建振动实验系统，保持室温恒定，将加速度传感器放置在振动台上，保证实验过程中只有振动台提供的振动量是唯一的变量，对装配后的光纤光栅加速度传感器进行振动实验；
构建温度实验系统，设置温控箱温度为实验的唯一变量，对装配后的光纤光栅加速度传感器进行温度实验；
分析装配后的光纤光栅加速度传感器的温度补偿性能、幅频特性、灵敏度特性和交叉串扰特性，验证装配后的光纤光栅加速度传感器的稳定性和可靠性。
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