CN106768295A - 一种光纤光栅微震传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅微震传感器及制作方法，主要包括光纤光栅、振动梁、质量块、外壳、传输光纤与信号解调器，振动梁的两端固定在外壳内部，质量块固定在振动轴向中心线下方的中间部位且与外壳的底部之间有设定的距离，振动梁上表面的中心线处刻有凹槽，光纤光栅为金属镀膜光纤光栅，两端焊接在振动梁凹槽中。传输光纤从外壳一端引出，并将微震信号传送至信号解调器。该传感器具有结构简单、便于安装、抗电磁干扰和成本低等优点。

Description

一种光纤光栅微震传感器及制作方法

技术领域

本发明属地质工程安全检测领域与光纤传感领域，特别涉及一种光纤光栅微震传感器及制作方法，主要用于矿山、隧道、桥梁等地质工程的安全监测。

背景技术

随着经济的快速发展，对能源的需求迅速增加，矿山开采逐渐走向深部，矿震、煤与瓦斯突出等安全事故频繁发生，造成了重大的人员伤亡与经济损失。同时，我国在隧道、桥梁等基础设施建设方面的投入也不断增加，尤其在我国西部地区，涌现了大量的深埋隧道与大跨桥梁，具有较大的安全隐患。亟待研究大型地质工程安全监测的有效方法。微震是岩石破坏过程中的伴生现象，其中包含了大量的有关围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程的有用信息，故通过对微震信号的采集、处理和分析，可有效地推断岩石内部的变化情况，监测大型地质工程的破坏程度，有效预测垮塌、岩爆、突水、塌方、冲击地压等灾害的发生。由于矿山、隧道、桥梁等大型工程检测环境恶劣，突发事故多，对微震传感器的性能和封装技术提出了严格的要求，但是微震传感器基本都是压电陶瓷传感器，存在易受电磁干扰、布线复杂、易零漂等缺陷，且目前工程中用的微震传感器存在寿命短、防水防潮性差和安装复杂等缺点。

光纤光栅传感器相对于传统的电类传感器技术优点表现为结构简单、体积小、重量轻、防水防潮、易于组网等，光纤传感器以光信号为载体实现所需物理参数的测量，并且传输的也是光信号，不受电磁干扰；光的频率等级为10¹⁴Hz，所以光纤传感器频带范围宽，动态范围大。同时，光纤光栅微震传感器因其特殊的结构和特性克服了恶劣环境对监测的干扰，且安装方便，具有无零漂、灵敏度高等优点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种光纤光栅微震传感器及制作方法，该传感器的光纤光栅的两端焊接在振动梁上，防止振动梁的不均匀应变引起光纤光栅发生啁啾现象。外界微震信号引起该传感器质量块上下振动，进而带动振动梁随之发生周期变形，光纤光栅也随之受周期应变的影响，因此光栅的中心波长也会相应发生周期性变化，信号解调器将光栅的中心波长变化情况解调出来，实现微震信号的实时监测。该传感器具有结构简单、便于安装、防水防潮、扛电磁干扰和寿命长等优点。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种光纤光栅微震传感器，主要包括：振动梁，所述振动梁的两端固定在外壳内，所述振动梁轴向中心线下方的位置固定有质量块，所述振动梁上表面的中心线处固定有光纤光栅，光纤光栅通过传输光纤与信号解调器相连；外界微震信号引起质量块上下振动，进而带动振动梁随之发生周期变形，继而光纤光栅也随之受周期应变的影响，光栅的中心波长也会相应发生周期性变化，信号解调器将光栅的中心波长变化情况进行解调，实现微震信号的实时监测。

进一步的，所述振动梁上表面的中心线处刻有凹槽，光纤光栅的两端焊接在凹槽内。

进一步的，所述振动梁的两端分别设有螺孔，所述振动梁的两端与外壳内部支撑部件之间通过螺栓进行固定。

进一步的，所述质量块为规则的几何体(例如可为立方体、柱体)，所述质量块的上表面的中心位置设有螺孔，通过螺丝固定在振动梁的中心位置正下方，且所述质量块不与外壳的底面接触。

进一步的，所述外壳的内部为空心结构，外壳主要包括主体结构、上挡板与两个侧挡板，上挡板与两个侧挡板均采用螺丝固定在主体结构上。

进一步的，所述外壳主体结构为一凹槽，凹槽内相对的两端分别设有两个带螺孔的支撑部件，且支撑部件低于外壳的侧挡板的高度，支撑部件为金属块。

进一步的，所述外壳上挡板为一个可用螺丝固定在外壳的主体结构上的金属盖，金属盖可用螺丝固定在振动梁的上方且不与振动梁接触。

进一步的，所述振动梁上各处的应变大小为：

其中，m为质量块的质量，a为质量块的振动加速度，E为材料的弹性模量，I为绕垂直于xy平面并通过振动梁一个端点的轴的转动惯量，L为振动梁的长度，h为振动梁的厚度，x为振动梁受力力矩的位置，其中，振动梁长度方向沿坐标系的x轴方向，振动梁的一端位于坐标系的原点，另一端位于x轴的正值方向。

进一步的，所述振动梁的一阶谐振频率的计算公式为：

其中，L为振动梁的长度，h为振动梁的厚度，E为材料的弹性模量，ρ为振动梁的密度。

一种光纤光栅微震传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：选择光纤光栅，光纤光栅表面镀有金属膜；

步骤二：选择质量块与振动梁，该质量块为为规则的几何体，振动梁为碳纤维薄片状结构；

步骤三：将光纤光栅两端焊接在振动梁的凹槽内，光纤光栅栅区处于拉紧状态；

步骤四：将质量块固定在振动梁正下方且与外壳的底面有一定的距离，保证质量块振动时不会与外壳底面接触或碰撞，在固定时注意不要损坏振动梁上的光纤光栅，并确保质量块与振动梁之间不会发生松动；

步骤五：将振动梁两端固定在外壳的主体结构两端的金属块上；

步骤六：将与光纤光栅相连的传输光纤的一端从外壳引出，传输光纤另一端与信号解调器相连；

步骤七：将外壳上挡板固定在外壳的主体结构上，固定时确保外壳的上挡板不会与振动梁接触或发生碰撞。

其中，振动梁厚度为0.5mm～1.5mm。光纤光栅为金属镀膜光栅(镀铜或镀镍)。

质量块为规则的几何体，可为立方体、柱体，质量块的中心位置有螺孔，通过螺丝固定在振动梁的中心位置正下方，且不与外壳底面接触。信号解调器基于CCD扫描原理设计，解调频率为5KHz。

本发明的有益效果：

光纤光栅的两端焊接在振动梁上，栅区部分处于拉紧状态，但没有与振动梁粘结在一起，防止振动梁的不均匀应变引起光纤光栅发生啁啾现象，同时能够有效避免胶的老化引起传感器寿命短的缺点。外界微震信号引起该传感器质量块上下振动，进而带动振动梁随之发生周期变形，光纤光栅也随之受周期应变的影响，因此光栅的中心波长也会相应发生周期性变化，信号解调器将光栅的中心波长变化情况解调出来，实现微震信号的实时监测。该传感器具有结构简单、便于安装、防水防潮、扛电磁干扰和寿命长等优点。

附图说明

图1为新型光纤光栅微震传感器结构示意图；

图2为新型光纤光栅微震传感器剖面图；

图3为振动梁受力模型；

图4为新型光纤光栅微震传感器光谱图；

图5(a)-图5(b)为新型光纤光栅微震传感器在120Hz的特性曲线；

其中，1光纤光栅、2振动梁、3质量块、4外壳、5传输光纤、6信号解调器、7上挡板。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明一种新型光纤光栅微震传感器主要包括光纤光栅1、振动梁2、质量块3、外壳4、传输光纤5与信号解调器6，振动梁2是碳纤维薄片结构，在振动梁2中间和两端分别钻有螺孔，质量块3的中心有螺孔可用螺丝固定在振动梁2的轴向中心线中间部位正下方，外壳1为空心槽状结构且两边钻有螺孔，振动梁2两端分别用螺丝固定在外壳1上，质量块3用螺丝固定在振动梁2中间正下方，质量块3不能与外壳4的底面接触，振动梁2的轴向中心线上表面刻有凹槽，光纤光栅4的两端焊接在凹槽内，外壳1的上挡板7用螺丝固定在外壳4上，且不与振动梁2接触，避免外界对振动梁2和光纤光栅4的干扰，传输光纤5从外壳1的一端引出与信号解调器6相连。

光纤光栅微震传感器的工作原理，包括：

当振动梁受垂直的力时，振动梁发生挠度变形，振动梁轴向中心线处应变增大，带动光纤光栅随之发生轴向变形，进而引起光栅中心波长的变化。当传感器的激励信号为微震信号时，传感光栅的中心波长也会相应发生周期性变化，通过检测传感器中心波长的变化即可实现微震信号的检测。

在微震条件下，质量块可以等效为施加在振动梁梁中心，且与振动梁主平面垂直的作用力F，则振动梁上各点都有应变，由下面的计算可知，振动梁上各处的应变是中心对称的，振动梁的两个端点和中部应变最大。选择如图3中的坐标系，则梁的挠曲方程为

其中M为振动梁x处的力矩，E为材料的弹性模量，I为绕垂直于xy平面并通过振动梁一个端点的轴的转动惯量(m_梁L²/3)。采用多余约束的方法，通过对振动梁的受力及力矩作用的分析，可得到振动梁上各处所受挠力矩的大小为

其中F为梁中心受力点所受力的大小，L为梁的长度。对厚为h的横截面为矩形的薄梁，振动梁上各处的应变大小为

假设质量块的质量为m，振动加速度为a，则

F＝ma

因此，

对于振动梁难以求其简谐受迫振动方程的解析解，根据大量计算结果，得出其一阶谐振频率的计算公式为

结合图1与图2，一种光纤光栅微震传感器的制作方法如下：

步骤一：选择光纤光栅1，光纤光栅1为刻写在单模光纤上的单反射峰光纤Bragg光栅，光纤光栅的中心波长为C波段，带宽0.2nm，栅区长度为8mm,光栅表面镀有金属膜(镀铜或镀镍)；

步骤二：选择合适的质量块3与振动梁2，该质量块3为立方体或柱体，振动梁2为0.5mm～1.5mm的碳纤维薄片；质量块3与振动梁2共同决定了本发明的检测频率与灵敏度，质量块3越大该传感器固有频率越小，因此在选择质量块3的质量时，要以质量块3的固有频率满足所测微震信号的频率为宜。

步骤三：将光纤光栅1两端焊接在振动梁2的凹槽内，光纤光栅1栅区处于拉紧状态，但没有与振动梁2粘结在一起，；

步骤四：将质量块3用螺丝固定在振动梁2正下方，在拧螺丝时注意不要损坏振动梁2上的光纤光栅1，并在螺纹上浇筑螺纹胶，确保质量块3与振动梁2之间不会发生松动；

步骤五：用螺丝将振动梁2两端固定在外壳4主体结构两端的金属块上，质量块3位于振动梁2的下方且与外壳的底面有一定的距离，保证质量块3振动时不会与外壳4底面接触或碰撞；

步骤六：将传输光纤5从外壳4一端引出，传输光纤5另一端与信号解调器6相连；

步骤七：将外壳上挡板8用螺丝固定在外壳4主体结构上，并在螺纹上浇筑螺纹胶，确保外壳上挡板8不会与振动梁2接触或发生碰撞。

振动梁为薄片状两端固定梁，外界微震信号作用在外壳上，外壳带动振动梁与质量块发生振动，可以有效地将振动信号传递给光纤光栅。外壳有一个可拆装的金属盖，可用螺丝固定在振动梁上方且不与振动梁接触。振动梁上表面的轴向中心线有凹槽，所述的光纤光栅两端焊接在凹槽中，有效避免胶已老化从而影响传感器寿命的缺点。光纤从外壳的一端引出与信号解调器相连。该传感器具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、频域宽和成本低等优点。

为了实现本发明的目的，在振动标准试验台上对该传感器进行了性能标定试验，在不同频率与不同加速度下测试了该传感器的性能，该传感器性能稳定，灵敏度高。该传感器的光谱图如图4所示，频率为120Hz，时的时域与频域响应特性如图5(a)-图5(b)所示。

该发明能够很好的应用于矿山、隧道、桥梁等大型地质工程的微震信号实时监测中，能够为大型地质工程的健康监测提供有效的手段。

Claims (10)

1.一种光纤光栅微震传感器，其特征是，主要包括：振动梁，所述振动梁的两端固定在外壳内，所述振动梁轴向中心线下方的位置固定有质量块，所述振动梁上表面的中心线处固定有光纤光栅，光纤光栅通过传输光纤与信号解调器相连；外界微震信号引起质量块上下振动，进而带动振动梁随之发生周期变形，继而光纤光栅也随之受周期应变的影响，光栅的中心波长也会相应发生周期性变化，信号解调器将光栅的中心波长变化情况进行解调，实现微震信号的实时监测。

2.如权利要求1所述的一种光纤光栅微震传感器，其特征是，所述振动梁上表面的中心线处刻有凹槽，光纤光栅的两端焊接在凹槽内。

3.如权利要求1或2所述的一种光纤光栅微震传感器，其特征是，所述振动梁的两端分别设有螺孔，所述振动梁的两端与外壳内部支撑部件之间通过螺栓进行固定。

4.如权利要求1所述的一种光纤光栅微震传感器，其特征是，所述质量块为规则的几何体，所述质量块的上表面的中心位置设有螺孔，通过螺丝固定在振动梁的中心位置正下方，且所述质量块不与外壳的底面接触。

5.如权利要求1所述的一种光纤光栅微震传感器，其特征是，所述外壳的内部为空心结构，外壳主要包括主体结构、上挡板与两个侧挡板，上挡板与两个侧挡板均采用螺丝固定在主体结构上。

6.如权利要求5所述的一种光纤光栅微震传感器，其特征是，所述外壳主体结构为一凹槽，凹槽内相对的两端分别设有两个带螺孔的支撑部件，且支撑部件低于外壳的侧挡板的高度，支撑部件为金属块。

7.如权利要求5所述的一种光纤光栅微震传感器，其特征是，所述外壳上挡板为一个可用螺丝固定在外壳的主体结构上的金属盖，金属盖可用螺丝固定在振动梁的上方且不与振动梁接触。

8.如权利要求1所述的一种光纤光栅微震传感器，其特征是，所述振动梁上各处的应变大小为：

$\mathrm{\ϵ}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{hma}{16EI}(4x-L)& x\≤\frac{L}{2}\\ \frac{hma}{16EI}(3L-4x)& x>\frac{L}{2}\end{array}\right.$

其中，m为质量块的质量，a为质量块的振动加速度，E为材料的弹性模量，I为绕垂直于xy平面并通过振动梁一个端点的轴的转动惯量，L为振动梁的长度，h为振动梁的厚度，x为振动梁受力力矩的位置，其中，振动梁长度方向沿坐标系的x轴方向，振动梁的一端位于坐标系的原点，另一端位于x轴的正值方向。

9.如权利要求1所述的一种光纤光栅微震传感器，其特征是，所述振动梁的一阶谐振频率的计算公式为：

$f=1.03\×\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}\×\frac{L^2}{h}$

其中，L为振动梁的长度，h为振动梁的厚度，E为材料的弹性模量，ρ为振动梁的密度。

10.如权利要求1-9任一所述的一种光纤光栅微震传感器的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：选择光纤光栅，光纤光栅表面镀有金属膜；

步骤二：选择质量块与振动梁，该质量块为为规则的几何体，振动梁为碳纤维薄片状结构；

步骤三：将光纤光栅两端焊接在振动梁的凹槽内，光纤光栅栅区处于拉紧状态；

步骤四：将质量块固定在振动梁正下方且与外壳的底面有一定的距离，保证质量块振动时不会与外壳底面接触或碰撞，在固定时注意不要损坏振动梁上的光纤光栅，并确保质量块与振动梁之间不会发生松动；

步骤五：将振动梁两端固定在外壳的主体结构两端的金属块上；

步骤六：将与光纤光栅相连的传输光纤的一端从外壳引出，传输光纤另一端与信号解调器相连；

步骤七：将外壳上挡板固定在外壳的主体结构上，固定时确保外壳的上挡板不会与振动梁接触或发生碰撞。