CN107044829A - 一种基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，包括：密闭的不锈钢外筒、三角形铜板(1)、立金属棒(2)与横金属棒(3)；三角形铜板(1)为等腰三角形，三角形铜板(1)倒置于不锈钢外筒内上方中心，立金属棒(2)上端与三角形铜板(1)下方的顶角固定连接；下端与横金属棒(3)内端连接，横金属棒(3)外端固定于不锈钢外筒内壁；三角形铜板(1)一侧下方的顶角处沿中心方向竖直方向开有应变槽，应变槽内安装应变光纤布拉格光栅(FBG2)，应变槽的三角形铜板(1)上方底边处开有温度槽，温度槽安装温度光纤布拉格光栅(FBG1)。不易受到电磁干扰、抗雷电能力强、零点漂移方便除去，所以很适合监测地壳应力应变信号。
Description
技术领域
本发明涉及传感器以及地震观测领域，尤其涉及一种基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器。
背景技术
破坏力巨大的地震往往伴随着财产的损失和人员的伤亡，因此对地震的监测意义重大。地壳内部构造运动及其表面变形与地应力作用息息相关，而地应力状态的变化是导致断层断裂、地震、褶皱及其他地质灾害产生的根本原因，因此对地应变的监测有着重要的意义。在地应变的观测资料中，包含着地壳形变、地应力场变化，太阳及月球的固体潮影响和地震的前兆信息，对地震观测与地震预报、地球弹性与地球自由振动等地球物理研究中发挥着重要的作用，是我们认识地球内部物理变化过程和了解地质灾害机制的重要途径。
用于监测地壳应力应变状态的主要方式为钻孔应变观测。应变仪安装在地下基岩的钻孔内，钻孔深度一般在数十米到数百米，通过钻孔应变仪持续的监测并记录下地壳内部应力应变的变化，这些数据对于分析日常地壳活动和把握地震时期地壳应力应变的变化特点及规律提供了大量的研究资料。
目前，钻孔应变仪器中主要有液位型体积式、液压型体积式、全固态体积式、电容式等，这些应变仪大多使用电学传感器，能够较好的监测地壳应力应变的状态变化，但电学测量方法存在着诸如易受到电磁干扰、抗雷电能力弱、零点漂移难除去等问题，限制了地应力探测技术精细化的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，具有灵敏度较高、动态范围大、波长自参考、易于实现波分复用等特点。不易受到电磁干扰、抗雷电能力强、零点漂移方便除去，所以很适合监测地壳应力应变信号。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，包括：密闭的不锈钢外筒、三角形铜板1、立金属棒2与横金属棒3；
三角形铜板1为等腰三角形，两侧边为内凹的弧形，三角形铜板1倒置于不锈钢外筒内上方中心，三角形铜板1上方两底角固定于不锈钢外筒内壁；
立金属棒2设于不锈钢外筒中心，上端与三角形铜板1下方的顶角固定连接；下端与横金属棒3内端连接，横金属棒3外端固定于不锈钢外筒内壁；
三角形铜板1一侧下方的顶角处沿中心方向竖直方向开有应变槽，应变槽内安装应变光纤布拉格光栅FBG2，应变槽的三角形铜板1上方底边处开有温度槽，温度槽安装温度光纤布拉格光栅FBG1。
所述的三角形铜板1两底角固定于螺纹套4内孔，螺纹套4通过螺纹连接与不锈钢外筒内孔固定。
所述的不锈钢外筒包括底座5、套筒6与封盖7；底座5与封盖7分别通过螺纹连接固定于套筒6上下两端。
所述的封盖7上设置光纤耦合器法兰盘8，光纤耦合器法兰盘8安装光纤接头。
所述的封盖7上设置把手9。
所述的立金属棒2与横金属棒3采用铟钢材料。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，光纤本身是一种SiO2材料，所以决定了光纤是一种化学性质非常稳定，具有较强的抗电磁干扰能力，材质安全，耐腐蚀，对电绝缘，因此适合于一些高温、高压、化学腐蚀等恶劣环境中。光纤光栅传感除了具有一般光纤传感器的优点外，还具有灵敏度较高、动态范围大、波长自参考、易于实现波分复用等特点。不易受到电磁干扰、抗雷电能力强、零点漂移方便除去，所以很适合监测地壳应力应变信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器的三角形铜板上的光纤布拉格光栅安装结构图；
图4为光纤布拉格光栅传感原理图；
图5为本发明实施例提供的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器的变片运用数值模拟软件进行应力分析的结果。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
如图1与图2所示，一种基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，用于地震观测中的地壳应力应变状态的测量，具体包括：密闭的不锈钢外筒、三角形铜板1、立金属棒2与横金属棒3；不锈钢外筒包括底座5、套筒6与封盖7；底座5与封盖7分别通过螺纹连接固定于套筒6上下两端，连接处可以填充密封圈或密封剂，实现密闭。所述的封盖7上设置光纤耦合器法兰盘8，光纤耦合器法兰盘8安装光纤接头。光纤耦合器法兰盘8可以采用方型光纤耦合器法兰盘FC-FC，以便安装光纤接头，如跳线延长对接头。
所述的封盖7上设置把手9，方便拆装。三角形铜板1为等腰三角形，两侧边为内凹的弧形，三角形铜板1倒置于不锈钢外筒内上方中心，三角形铜板1上方两底角固定于不锈钢外筒内壁；可以是直接焊接固定，本例中，具体的所述的三角形铜板1两底角固定于螺纹套4内孔，螺纹套4通过螺纹连接与不锈钢外筒内孔固定。并通过封盖7压紧，且可以在盖7与螺纹套4间设置密封垫10。这种方式能有效的固定住三角形铜板1，防止其晃动。
所述的立金属棒2与横金属棒3采用铟钢材料，铟钢也称因瓦合金，殷钢，因钢，不胀钢，因瓦，4J36，无膨胀合金，也可简称为Invar，即含有35.4％镍的铁合金，常温下具有很低的热膨胀系数(-20℃～20℃之间，其平均值约1.6×10-6/℃)，号称金属之 王，是精密仪器设备不可或缺的结构材料。铟钢导热性差，热膨胀系数小，避免环境温度影响测量结果。立金属棒2设于不锈钢外筒中心，上端与三角形铜板1下方的顶角固定连接，可以直接焊接固定；下端与横金属棒3内端连接，可以直接焊接固定；横金属棒3外端固定于不锈钢外筒内壁，可以直接焊接固定。
三角形铜板1一侧下方的顶角处沿中心方向竖直方向开有应变槽(图中未表示，在光纤下方)，应变槽内安装应变光纤布拉格光栅FBG2，因为应变槽的设置位置是三角形铜板1应变量相对最大的地方，此应变光纤布拉格光栅FBG2作为应变光栅记录应变数据；应变槽的三角形铜板1上方底边处开有温度槽(图中未表示，在光纤下方)，温度槽安装温度光纤布拉格光栅FBG1，因为温度槽的设置位置是三角形铜板1应变量相对较小的地方，温度光纤布拉格光栅FBG1不会受到三角形铜板1形变的影响，所以用来测量温度。应变槽或温度槽为一较浅的开槽，将光纤布拉格光栅放入槽中，拉紧光纤布拉格光栅，采用低熔点玻璃焊接的方式将光纤布拉格光栅固于在槽内。这是现有技术不做过多描述。通常先通过低熔点焊接光纤布拉格光栅，待熔接点完全冷却后，再连接立金属棒2与横金属棒3等。
具体有如图3所示，传感器探头结构，也就是三角形铜板1是一种均匀结构的应变片，该应变片的应变槽处对应力敏感，作为测量应变的部位；而温度槽不受到应力影响作为温度补偿。通过低熔点玻璃焊接将两根光纤布拉格光栅分别粘贴在这两部分，应变光纤布拉格光栅FBG2感应应变的变化，温度光纤布拉格光栅FBG1感应温度的变化。
光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，即通过外界入射光子和纤芯内锗粒子相互作用引起折射率永久性的变化，在光纤纤芯内中沿轴向建立周期性分布的空间相位光栅，其实质上是在纤芯内形成能够对特定波长附近一定带宽内的光起到反射或损耗的作用。
光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对中心波长的调制来获取传感信息的。光纤布拉格光栅是光纤光栅的一种，其能够对入射光的特定波长附近一定带宽内的光起到反射作用，简而言之，光纤布拉格光栅就是一种能起到传感作用的光纤。
光纤布拉格光栅传感原理
光纤光栅的传感过程是通过外界参量对中心波长的调制来获取传感信息的，光纤布拉格光栅能够对入射光的特定波长附近一定带宽内的光起到反射作用，其中心反射波长λB可表示为：
λB＝2neffΛ
上式中，neff为纤芯的有效折射率；Λ是光栅周期。
从光纤光栅的布拉格方程可知，其中心反射波长取决于光栅周期Λ和有效折射率neff，任何使这两个参数发生改变的物理量都将引起中心波长的漂移。在所有引起波长漂移的外界因素中，最直接的是应变和温度参量。反射波长λB随应变和温度的偏移量ΔλB为：
上式中，Pe、ξ、α分别为光纤的弹光系数、热光系数和热膨胀系数。
从上式中我们可以得知光纤布拉格光栅可以制成测量温度和应变的传感器。但从另一个角度看，温度和应变都可以引起波长漂移，所以若要测量与应变有关的物理量，就需要进行相应的温度补偿。
光纤布拉格光栅传感原理，如图4所示，
当一束宽带光源传播到光纤布拉格光栅的时候，光栅就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长，这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会透射过去。当光栅受到外部物理场的作用，如温度、应力应变等，其光栅的栅距随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长。根据反射波波长变化量的解调就可以确定待测部位相应的物理场变化量。
基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器监测原理
该传感器处于钻孔中，通过特种水泥作为耦合介质，当有固体潮汐或是地震孕育过程带来的地壳伸缩变形时，会对钻孔中的不锈钢外筒的套筒6产生挤压从而导致套筒6的形变，此形变将会通过横金属棒3与立金属棒2传递到曲边的三角形铜板1的应变区，导致了三角形铜板1的形变，从而使应变光纤布拉格光栅FBG2形变，并造成应变光纤布拉格光栅FBG2的波长漂移。于此同时，温度光纤布拉格光栅FBG1不受到三角形铜板1形变的影响，其波长的漂移只与温度相关。
结构中，三角形铜板1和横金属棒3与立金属棒2的连接端能保持很好的固定效果。由于两根光纤布拉格光栅的光栅材质相同，因此它们的弹光系数、热光系数和热膨胀系数均相同。同时，两根光纤光栅都贴合在导热性良好的铜质金属片上，两根光纤光栅的温 度均相同，故ΔT值也相等。
设温度光纤布拉格光栅FBG1的中心波长为λB1，由于它只收到温度的影响，有
设应变光纤布拉格光栅FBG2的中心波长为λB2，由于它同时受到应变和温度影响，所以
将上两式相减可得
由此，则根据两根光栅的漂移情况即可求出应变ε。
随后可以通过振动台进行标定，确定地震波和光栅应变量之间的对应关系。
如图5，是将本发明的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器的应变片运用数值模拟软件进行应力分析的结果。力是垂直于三角形铜板1平面加载在于三角形铜板1下角处，图中的颜色的深浅变换代表着加载的应力给三角形铜板1造成形变量的大小。从下至上由浅到深表示应变量由大变小。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，其特征在于，包括：密闭的不锈钢外筒、三角形铜板(1)、立金属棒(2)与横金属棒(3)；
三角形铜板(1)为等腰三角形，两侧边为内凹的弧形，三角形铜板(1)倒置于不锈钢外筒内上方中心，三角形铜板(1)上方两底角固定于不锈钢外筒内壁；
立金属棒(2)设于不锈钢外筒中心，上端与三角形铜板(1)下方的顶角固定连接；下端与横金属棒(3)内端连接，横金属棒(3)外端固定于不锈钢外筒内壁；
三角形铜板(1)一侧下方的顶角处沿中心方向竖直方向开有应变槽，应变槽内安装应变光纤布拉格光栅(FBG2)，应变槽的三角形铜板(1)上方底边处开有温度槽，温度槽安装温度光纤布拉格光栅(FBG1)。
2.根据权利要求1所述的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，其特征在于，所述的三角形铜板(1)两底角固定于螺纹套(4)内孔，螺纹套(4)通过螺纹连接与不锈钢外筒内孔固定。
3.根据权利要求1或2所述的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，其特征在于，所述的不锈钢外筒包括底座(5)、套筒(6)与封盖(7)；底座(5)与封盖(7)分别通过螺纹连接固定于套筒(6)上下两端。
4.根据权利要求3所述的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，其特征在于，所述的封盖(7)上设置光纤耦合器法兰盘(8)，光纤耦合器法兰盘(8)安装光纤接头。
5.根据权利要求3所述的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，其特征在于，所述的封盖(7)上设置把手(9)。
6.根据权利要求1或2所述的基于曲边三角形的高精度光纤光栅形变传感器，其特征在于，所述的立金属棒(2)与横金属棒(3)采用铟钢材料。
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