用于地震监测的光纤加速度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
用于地震监测的光纤加速度传感器及其制备方法
本公开涉及加速度传感器
，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。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提到了与本公开相关的
技术介绍
，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，专利技术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。
技术实现思路
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ANSYSWorkbench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
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，本专利技术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；第一副梁的长度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于地震监测的光纤加速度传感器，其特征是，包括：/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪利，左浩宙，蔡建羡，韩智明，李亚南，孟娟，邱忠超，刘鹏，张家琪，
申请(专利权)人：防灾科技学院，
类型：发明
国别省市：河北;13