CN113325464A - 一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器 - Google Patents

Abstract

一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，包括光纤光栅、毛细管、壳体、惯性质量块和栅网式敏感结构；毛细管设置在壳体的顶部中心，与壳体内部连通；壳体内侧壁设置有凸台，栅网式敏感结构架设在凸台上，惯性质量块设置在栅网式敏感结构中心；光纤光栅依次穿过毛细管和惯性质量块连接到栅网式敏感结构，光纤光栅与外部解调单元相连。本发明利用光纤光栅在受到外界应变后中心波长漂移的传感原理，在外界振动信号激励下，检波器的惯性质量块产生惯性力。在惯性力的作用下，栅网敏感结构产生轴向应变，导致封装在其上的光纤光栅的中心波长发生漂移，通过借助解调系统检测中心波长的变化，实现地震波信号的检测，同时还可以增强横向交叉干扰的能力。

Description

一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器。

背景技术

光纤光栅作为一种波长型光纤器件，在光通信和光传感研究方向取得了长足的发展，特别是光传感研究方向在诸多应用领域取得了广泛的关注，主要归因于其独特的优势。与传统的电类地震检波器相比具有抗电磁干扰、体积小的优点；与强度型光纤传感器相比，不受光源波动影响，且有利于波分复用；与相位型光纤传感器相比，具有元件简单、体积小、利于复用；与偏振型光纤传感器相比，易解调、易复用。光纤光栅作为一种反射型光纤器件，在温度、压力、应变等领域已经取得了显著的研究成果。近几年来，随着光纤传感技术的发展，光纤光栅在资源勘测、地球动力学和土木健康检测领域逐渐引起研究者门的高度关注。

光纤光栅加速度地震检波器，主要由弹性敏感结构、外壳、惯性质量块和光纤光栅组成，其本质是实现对振动信号的加速度、振幅以及谐振频率等基本物理量的测量。利用光纤光栅实现对振动信号的拾取，借助解调系统再现波长变化，通过信息处理技术获取振动信号的加速度、振幅和谐振频率等，实现对被测对象的评估。

目前，对于光纤光栅加速度地震检波器，敏感结构设计是加速度地震检波器的核心，目的是提高检波器的灵敏度，但目前光纤光栅加速度检波器面临边界条件复杂，封装光栅施加预应力技术难度大，且其横向干扰也比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，解决检波器边界条件影响稳定性、预应力封装难度大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，包括光纤光栅、毛细管、壳体、惯性质量块和栅网式敏感结构；毛细管设置在壳体的顶部中心，与壳体内部连通；壳体内侧壁设置有凸台，栅网式敏感结构架设在凸台上，惯性质量块设置在栅网式敏感结构中心；光纤光栅依次穿过毛细管和惯性质量块连接到栅网式敏感结构，光纤光栅与外部解调单元相连。

进一步的，惯性质量块的顶端和底部的端面的中央均有盲孔，毛细管能够旋入到盲孔。

进一步的，栅网敏感结构中心位置设置有通孔，其孔径大于毛细管直径，惯性质量块内嵌入设置有毛细管，且与惯性质量块固定连接。

进一步的，毛细管外侧设置有螺纹，栅网敏感结构与惯性质量块通过带有螺纹的毛细管和螺帽进行连接，连接点通过封装胶或焊接进行固定。

进一步的，栅网敏感结构为单层结构或双层结构。

进一步的，栅网敏感结构为单层结构时，栅网敏感结构中心为圆形，圆形四周呈“卍”型镂空结构或为等间距分布的圆环镂空结构。

进一步的，栅网敏感结构为双层结构时，“卍”型镂空结构或等间距分布的圆环镂空结构呈双层排布，之间通过惯性质量块连接。

进一步的，壳体包括金属外壳、上顶盖和下底；上顶盖和下底分别螺纹连接设置在金属外壳的两端，且上顶盖和下底与金属外壳的边界相平；下底中心位置设置有圆孔。

进一步的，光纤光栅一端依次穿过毛细管、壳体的上顶盖、置于旋入惯性质量块的毛细管中，并利用封装胶对其固定，另外一端固定在上顶盖处的毛细管，用封装胶进行固定。通过旋转上的螺帽，施加预应力。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明采用新型的栅网结构，结合惯性质量块，与现有的光纤光栅地震检波器相比，①结构简单，可靠，元件之间不存在复杂的元件组合，比较容易实现；通过改变栅网结构的硬芯半径，即可实现高灵敏；同时尺寸小，易于封装。②采用单只光纤光栅封装在带有螺纹的毛细管与惯性质量块上，来检测振动信号。光纤光栅只对Z方向敏感，对X、Y方向不敏感，增强了地震检波器的横向抗干扰能力。③封装上，采用“两点—螺帽微调”技术来施加预应力，既防止了光纤光栅啁啾，又简化了预应力的难易程度，也可调节封装的光纤的有效长度，拓宽工作频带。

本发明利用光纤光栅在受到外界应变后中心波长漂移的传感原理，在外界振动信号激励下，检波器的惯性质量块产生惯性力。在惯性力的作用下，栅网敏感结构产生轴向应变，导致封装在其上的光纤光栅的中心波长发生漂移，通过借助解调系统检测中心波长的变化，实现地震波信号的检测，同时还可以增强横向交叉干扰的能力，与普通的地震检波器相比，通过改变“栅网式”敏感结构的硬芯半径的大小和带有螺纹的毛细管上的螺帽来调节封装的光纤有效长度，提高检波器的综合响应特性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为光纤光栅，2为带有螺纹的毛细管(含螺帽)，3为上顶盖，4为金属外壳(内壁设置有凸台)，5为惯性质量块，6为栅网敏感结构，7为底座设置的圆孔，8为下底。

图2是栅网敏感结构——“卍”型镂空结构图。

图3是栅网敏感结构——等间距分布的圆环镂空结构图。

图4为基于图2的双栅网敏感结构与惯性质量块的立体图。

图5为基于图3的双栅网敏感结构与惯性质量块的立体图。

具体实施方式

下面结合附图和各实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

请参阅图1所示，本发明一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，主要由光纤光栅1、毛细管2、上顶盖3、金属外壳4、惯性质量块5、栅网敏感结构6、固定座7、下底8(包含7在内)。

所示惯性质量块5，上下端面的中央有盲孔，与栅网敏感结构通过带有外螺纹的毛细管联结，利用螺母固定。

所述的栅网敏感结构，截面参考图2。

所述的金属外壳4，内壁(含螺纹)设置有凸台；

所述的上顶盖3，下底8均可以旋进金属外壳4的内壁中，旋进后且与金属外壳的边缘高度相平，下底8设有一固定底座7。

所述的毛细管2，旋进栅网式结构与惯性质量块结合的联结点处，将所述的光纤光栅一端置入其中，另外一端固定在附着带有螺纹的毛细管的上顶盖处。

所述的带有螺纹的毛细管用来限位，借助螺纹上的螺帽来施加预应力，使光纤光栅的波长发生漂移。

所述光纤光栅1主要用来感应Z方向，对X、Y方向振动不敏感。

所述的上顶盖3，光纤从上顶盖的中心圆孔穿出，与外部解调单元相连。

本实施例的光纤光栅的中心波长为1550.79nm，光纤光栅的几何长度为10mm，3dB带宽为0.23nm，光纤光栅的反射率大于89.3％。栅网式结构如图2所示，厚度为0.1mm，外半径为16mm，有效半径长为11mm，硬芯半径为3mm。惯性质量块为圆柱，两个端面的半径与栅网敏感结构的硬芯半径等同。

实施例2：

本实施例中，地震检波器的元件参数和材料均与实施例1中相同，不同之处在于：栅网式敏感结构如图3所示，厚度亦为0.1mm，外半径亦为16mm，中心“挖空”的间隔相同，硬芯半径亦为3mm。其它零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例3：

本实施例中，地震检波器的元件参数和材料均与实施例1、实施例2中相同，不同之处在于：光纤光栅1换为双FBGs,中心波长分别为1548.353nm、1552.017nm，边膜抑制比分别为16dB、15dB，带宽分别为0.210nm、0.218nm，栅区的几何长度分别为10mm、10mm，反射率分别为91.09％、92.02％。双光纤光栅分别固定在地震检波器上顶盖3与“栅网式”敏感结构6(包含与惯性质量块联结点)和“栅网式”敏感结构与带有螺纹的毛细管处，其它零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例4：

本实施例中，地震检波器的元件参数和材料均与实施例1中相同，不同之处在于：栅网结构(如图4)，由单个增加到两个，惯性质量块形状特征为“两端小中间大”的圆柱体，“两端”的尺寸大小与敏感结构(图2)硬芯一致，两端均有盲孔，且均通过带有螺纹的毛细管进行限位联结，“中间”的尺寸小于金属外壳。其它零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例5：

本实施例中，地震检波器的元件参数和材料均与实施例2中相同，不同之处在于：“栅网式”结构(如图5)，由单个增加到两个，其它零部件以及部件的连接关系与实施例4相同。

实施例6：

本实施例中，地震检波器的元件参数和材料均与实施例4、5中相同，不同之处在于：惯性质量块为正方体或球，金属外壳由圆柱体变为正方体，惯性质量块每个面的中心处均有的孔径，六个方向彼此相通，“前后”、“左右”与“上下”均在轴心上。在六个面紧贴所述的栅网敏感结构(如图2或图3)，栅网敏感结构与惯性质量块的接触边缘用焊锡进行固定，单只光纤光栅换为双光纤光栅，其它零部件以及部件的连接关系与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

将光纤光栅1固定在检波器上顶盖的毛细管中与栅网敏感结构处，当被测对象发生振动时，惯性质量块5发生振动，产生惯性力，栅网敏感结构在轴向上产生相应的应变，导致光纤光栅的波长发生漂移，借助解调系统检测光纤光栅波长的动态变化，实现对加速度信号的检测。对于光纤光栅加速度地震检波器而言，主要由弹性敏感元件、惯性质量块、外壳与固定底座四部分构成，其中弹性敏感元件尤为重要，它直接影响着检波器的灵敏度与谐振频率的大小。因栅网敏感结构的边界条件较为复杂，故此本专利淡化边界条件带来的影响，只需考虑Z方向的变化。

当有外界加速度激励时，在Z方向的振幅为：

式中a为外界激励的加速度，

为检波器的固有频率，ξ为检波器的阻尼比，γ＝ω/ω₀为检波器的频率比。

在惯性质量块的作用下，弹性敏感结构在轴向上发生相应的应变，引起光纤光栅的中心波长发生漂移，即：

式中ε为光纤轴向上产生的应变，L为封装的光栅的有效长度

根据光纤光栅中心波长漂移量的大小，来实现对外界振动信号的动态特性与静态特性的检测，光纤光栅在受到外界轴向信号的作用时，波长的漂移量为：

式中P_e≈0.22为光纤光栅的弹光系数，λ_B为光栅的波长，Δλ_B为光纤光栅的波长的漂移量，K为系统的总刚度。加速度检波器的灵敏度为：

系统的谐振频率为：

式中K_S为弹性元件的刚度，K_f为光纤光栅的刚度。

从上式(4)、(5)中可以得到，加速度检波器的系统刚度由敏感结构的刚度和光纤光栅刚度组成，其中弹性元件K_S与封装的光纤有效长度L起着决定性的作用。本专利分别通过改变栅网敏感结构的硬芯大小、调节带有螺纹的毛细管(光纤光栅封装在其上)长度，来实现检波器的振动的信号检测。

本发明实施例与现有技术相比有如下优点：①采用新型的栅网结构，结合惯性质量块，与现有的光纤光栅地震检波器相比，结构简单，可靠，元件之间不存在复杂的元件组合，比较容易实现；通过改变栅网结构的硬芯半径，即可实现高灵敏；同时尺寸小，易于封装。②采用单只光纤光栅封装在毛细管2与惯性质量块5上，来检测振动信号。光纤光栅只对Z方向敏感，对X、Y方向不敏感，增强了地震检波器的横向抗干扰能力。③封装上，采用“两点—螺帽微调”技术来施加预应力，既防止了光纤光栅啁啾，又简化了预应力的难易程度，也可调节封装的光纤的有效长度，拓宽工作频带。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，包括光纤光栅(1)、毛细管(2)、壳体、惯性质量块(5)和栅网式敏感结构(6)；毛细管(2)设置在壳体的顶部中心，与壳体内部连通；壳体内侧壁设置有凸台，栅网式敏感结构(6)架设在凸台上，惯性质量块(5)设置在栅网式敏感结构(6)中心；光纤光栅(1)依次穿过毛细管(2)和惯性质量块(5)连接到栅网式敏感结构(6)，光纤光栅(1)与外部解调单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，惯性质量块(5)的顶端和底部的端面的中央均有盲孔，毛细管(2)能够旋进盲孔。

3.根据权利要求2所述的一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，栅网敏感结构(6)中心位置设置有通孔，其孔径大于毛细管(2)直径，毛细管(2)旋入到惯性质量块(5)中。

4.根据权利要求3所述的一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，毛细管(2)外侧设置有螺纹，栅网敏感结构(6)与惯性质量块(5)通过带有螺纹的毛细管和螺帽进行连接，连接点通过封装胶或焊接进行固定。

5.根据权利要求1所述的一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，栅网敏感结构(6)为单层结构或双层结构。

6.根据权利要求5所述的一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，栅网敏感结构(6)为单层结构时，栅网敏感结构(6)中心为圆形，圆形四周呈“卍”型镂空结构或为等间距分布的圆环镂空结构。

7.根据权利要求5所述的一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，栅网敏感结构(6)为双层结构时，“卍”型镂空结构或等间距分布的圆环镂空结构呈双层排布，之间通过惯性质量块(5)连接。

8.根据权利要求1所述的一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，壳体包括金属外壳(4)、上顶盖(3)和下底(8)；上顶盖(3)和下底(8)分别螺纹连接设置在金属外壳(4)的两端，且上顶盖(3)和下底(8)与金属外壳的边界相平；下底(8)中心位置设置有圆孔(7)。

9.根据权利要求8所述的一种栅网式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于，光纤光栅一端依次穿过毛细管(2)、壳体的上顶盖(3)、置于旋入惯性质量块(5)的毛细管(2)中，并利用封装胶对其固定，另外一端固定在上顶盖(3)处的毛细管(2)，用封装胶进行固定；通过螺帽，施加预应力。

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