CN115031825A - 一种光纤地声传感器及光纤地声传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤地声传感器及光纤地声传感器装置，光纤地声传感器包括：膜片，用于接收声信号，由接收到的声信号产生振动；基座，用于固定所述；在所述基座上设置有预应力调节部，用于调整固定在所述基座上膜片的预应力；所述基座为具有一个开口的C形基座；应力调节部为设置在所述C形基座开口的调谐螺母，通过调谐螺母使C形基座7缺口宽度发生变化，实现对灵敏度及响应频率进行调谐。与现有技术相比，本发明优点主要在于能够实现地声测量频带宽度与灵敏度的灵活调谐，具有高灵敏、宽频响、动态范围大、系统结构简单，成本低等诸多优点；且由于前端使用时属于无电运行在本质上具有独特的安全性。

Description

一种光纤地声传感器及光纤地声传感器装置
技术领域
本发明涉及一种灵敏度及响应频率可调谐的光纤地声传感器，用于各类地下工程中对地声的有效监测，通过灵敏度及响应频率调谐即可实现单套设备能够满足或适用于不同监测应用环境。
背景技术
岩体开裂、岩爆、冲击地压、断层活化或断裂带活动、山体滑坡、落石等各类灾害地声，具有动态范围大、频率宽等特点，且各类地声监测易受到环境、噪声、温度等的影响；因而对监测用传感器参数需求各异。单一类型传感器难以满足或适应不同工程或工况需求；而现有地声传感器中以压电型、电容型和动圈式为代表的传统电类地声传感器虽然具有信噪比较高，灵敏度范围较大的特点；但大量研究应用证明，传统电类地声监测设备用途单一、设备检测通道少，无法实现长期、连续、有效监测。近几年各类光纤声传感技术出现，为地声监测提供了新的解决方法，但是现有光纤声传感器大多基于振膜型传感结构例如光纤光栅麦克风、F- P声传感器等，其关键问题在于监测频率与灵敏度固定、适用性差及后期维护管理难度较大，难以适用于不同工程环境地声监测应用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种灵敏度及响应频率可调谐的光纤地声传感器及光纤地声传感器装置。
本发明首先提供一种光纤地声传感器，其特征在于，包括：
膜片，用于接收声信号，由接收到的声信号产生振动；
基座，用于固定所述膜片；
传感光纤，固定在所述膜片上，将所述膜片的振动转化为与地声频率对应的光信号。
在所述基座上设置有预应力调节部，用于调整固定在所述基座上膜片的预应力。
所述基座为具有一个开口的C形基座；应力调节部为设置在所述C形基座开口的调谐螺母，通过调谐螺母使C形基座7缺口宽度发生变化，实现对灵敏度及响应频率进行调谐。
所述膜片完全展平使用高强度结构胶粘贴在C形基座上面；所述传感光纤使用紫外线固化胶粘贴到膜片上，传感光纤的熔接点位于膜片中央位置。
所述传感光纤为芯径不匹配光纤，由大芯径光纤-熔接点-单模光纤组成。
所述芯径不匹配光纤为多包层光纤、无芯光纤、空芯光纤、阶跃多模光纤、少模光纤、锥形光纤、多芯光纤、光子晶体光纤或锥形光纤。
本发明还提供一种灵敏度及响应频率可调谐的光纤地声传感器装置，包括地声信号传感探测通道、多通道数据采集系统及解调电路与数据处理系统，所述信号传感探测通道为连接至所述多通道数据采集系统的至少一路；在所述信号传感探测通道的输出端连接所述解调电路与数据处理系统；所述地声信号传感探测通道由激光器、光纤地声传感器及光电探测器串联组成。
所述激光器为DFB腔激光器；所述光电探测器为硅基或铟镓砷光电探测器。
与现有技术相比，本发明能够实现传感器测量频带宽度与灵敏度的灵活调谐，具有高灵敏、宽频响、动态范围大、系统结构简单，成本低等诸多优点；且由于前端使用时属于无电运行在本质上具有独特的安全性。
附图说明
图1是本发明系统连接图。
图2是本发明一种可调谐光纤地声传感器整体结构示意图。
图3是本发明的一种传感原理示意图。
图4是本发明的一种通过转动调谐螺母调谐响应频率及灵敏度结构示意图。
图5是通过转动调谐螺母调谐灵敏度实验结果图。
图6是通过转动调谐螺母调谐响应频率实验结果图。
图7是本发明的一种多通道布置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例一：
实施例提供一种光纤地声传感器2，其结构如图2所示，包括C形基座7、膜片调谐螺母9以及传感光纤10，调谐螺母9安装在C形基座7的耳形结构上，旋转调谐螺母9使得C形基座7的缺口完全闭合；膜片8使用聚酯胶平整的粘贴在C形基座7的一面，传感光纤10使用聚酯胶粘接在膜片8的正中央。
当逆时针旋转调谐螺母9时，C形基座7的缺口逐渐加宽，加载在膜片8上的预应力逐渐增加，传感器的响应频率及特征频率发生改变。
当声波信号作用在光纤声传感器2上，如图3所示膜片8随声波发生弹性形变，带动传感光纤10的熔接点发生位移；通过传感光纤10内部的光信号会随声波信号强度和频率的改变而发生改变。
实施例二：
如图1所示，本实施例提供一种光纤地声传感器装置，包括DFB腔激光器1、光纤地声传感器2、光电探测器3、多通道数据采集系统4、解调电路与数据处理系统5和电脑6。各部件的连接关系为：DFB腔激光器1的输出端连接光纤地声传感器2输入端，光纤地声传感器2输出端与光电探测器3输入端连接；这三个器件串联组成一路地声信号传感探测通道，光电探测器3输出端依次串联多通道数据采集系统4、解调电路与数据处理系统5及电脑6显示。DFB腔激光器1发光进入光纤地声传感器2，由于自聚焦大芯径光纤与单模光纤通过熔接机熔接在一起，当外界物理信号作用于熔接点时，光线从自聚焦大芯径光纤进入单模光纤时耦合效率随外界物理信号变化而发生变化；当地声信号作用在光纤地声传感器2时，地声导致膜片8发生振动，膜片8带动熔点运动，从而使光纤从自聚焦大芯径光纤进入单模光纤时耦合效率发生变化；当光信号从光纤地声传感器2输出时，光信号强度所产生的变化与地声频率对应；然后光信号进入光电探测器3，光信号经过光电探测器3后输出的电信号由多通道数据采集系统4进行采集，再由解调电路与数据处理系统5对信号进行解调处理，得到电信号中包含地声信号的实时变化，然后由电脑6显示。
解调电路与数据处理系统5包括滤波单元、傅里叶变换单元、逆变单元及频谱分析单元；滤波单元包括滤波放大器和低通滤波器；滤波放大器对光电探测器输出的信号调理，滤除高频噪声的同时对信号进行放大。
由于探测器输出的信号具有直流偏置，硬件很难去除，所以使用傅里叶变换单元对信号做fft变换，把0Hz对应的复数清为零；再对fft变换后数据进行通过逆变单元进行逆变，从而去除信号中直流分量。然后再使用低通滤波器对信号进行二次滤波（低通滤波器使用三阶切比雪夫滤波器）过滤数据采集卡以及滤波放大器引入的噪声，最后对滤除过后的信号进行频谱分析。
当声波信号作用在光纤声传感器2上，如图3所示膜片8随声波发生弹性形变，带动传感光纤10的熔接点发生位移；通过传感光纤10内部的光信号会随声波信号强度和频率的改变而发生改变，发生改变的光信号经过光电探测器3后输出的电信号也会实时变化，光电探测器3输出信号由多通道数据采集系统4进行信号采集，采集得到的信号由解调电路与数据处理系统5进行分析处理。解调电路与数据处理系统5先对信号进行放大滤波，然后去直流，最后对信号进行频谱分析，通过频域分布识别外界串扰噪音与地声信号，便可得到地声信息的频率、强度等数值。
通过实施所述调谐结构设计后对传感器性能进行测试，测试结果如图5、图6所示。将此声音传感器系统放置于某一中，旋转调谐螺母9，已知调谐螺母9每旋转180°C形基座7缺口宽度增加0.4mm；对C形基座7缺口宽度为0mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm、1.6mm时的频率响应情况进行了标定实验，对实验数据进行分析统计之后，得到了缺口宽度-响应频谱的图像，如图5所示； 实验结果表明：当C形基座缺口宽度为0mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm、1.6mm，最高响应频率分别为12kHz、13kHz、17kHz、18kHz；如图6所示，随着预应力的增加，声传感器的特征频率发生变化和传感灵敏度发生变化。
图7为本发明装置多通道布置示意图。每组DFB腔激光器1、光纤地声传感器2、光电探测器3串联形成一路传感通道；利用多通道数据采集系统4的多路信号同步高速实时采集能力，将多路传感通道分别与多通道数据采集系统4的不同信号采集端连接，通过多通道数据采集系统4同步采集不同通道的光电信号后，通过解调电路与数据处理系统5对信号进行实时分析即可实现分布式多点实时监测。

Claims (8)

1.一种光纤地声传感器，其特征在于，包括：
膜片，用于接收声信号，由接收到的声信号产生振动；
基座，用于固定所述膜片；
传感光纤，固定在所述膜片上，将所述膜片的振动转化为与地声频率对应的光信号。
2.根据权利要求1所述的光纤地声传感器，其特征在于，
在所述基座上设置有预应力调节部，用于调整固定在所述基座上膜片的预应力。
3.根据权利要求2所述的光纤地声传感器，其特征在于，所述基座为具有一个开口的C形基座；应力调节部为设置在所述C形基座开口的调谐螺母，通过调谐螺母使C形基座7缺口宽度发生变化，实现对灵敏度及响应频率进行调谐。
4.根据权利要求3所述的光纤地声传感器，其特征在于，所述膜片完全展平使用高强度结构胶粘贴在C形基座上面；所述传感光纤使用紫外线固化胶粘贴到膜片上，传感光纤的熔接点位于膜片中央位置。
5.根据权利要求1-4任一所述的光纤地声传感器，其特征在于，所述传感光纤为芯径不匹配光纤，由大芯径光纤-熔接点-单模光纤组成。
6.根据权利要求5所述的光纤地声传感器，其特征在于，所述芯径不匹配光纤为多包层光纤、无芯光纤、空芯光纤、阶跃多模光纤、少模光纤、锥形光纤、多芯光纤、光子晶体光纤或锥形光纤。
7.一种灵敏度及响应频率可调谐的光纤地声传感器装置，其特征在于，包括地声信号传感探测通道、多通道数据采集系统及解调电路与数据处理系统，所述信号传感探测通道为连接至所述多通道数据采集系统的至少一路；在所述信号传感探测通道的输出端连接所述解调电路与数据处理系统；所述地声信号传感探测通道由激光器、光纤地声传感器及光电探测器串联组成。
8.根据权利要求1所述的光纤地声传感器装置，其特征在于，所述激光器为DFB腔激光器；所述的光电探测器可以是硅基光电探测器或铟镓砷光电探测器。
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