[發明專利]光纖矢量振動傳感儀

有效

• 申請號: 201210088634.8
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN102636250A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 郭團;關柏鷗
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

技術領域

本發明涉及振動傳感儀設計領域，特別涉及一種可識別振動方向的正交偏振光纖矢量振動傳感儀。

背景技術

振動傳感器在建筑物結構健康檢測、地震災害預防、石油天然氣勘探和國防安全監測等領域有著廣泛的應用，例如：通過實時檢測大型土木工程(橋梁、隧道、大壩等)的結構形變，從而實現對其健康狀況的及時診斷；通過記錄震源、研究地球內部結構和地震波傳播特性，實現臨震預報；通過探測人工震動經巖層分界面反射或折射引起的彈性波，可以認識地下地質構造以尋找油氣圈閉，實現油氣儲存勘探；通過探測入侵目標引起的地面波，實現目標識別及預警安全監測。因此，振動傳感器市場空間非常巨大。

現有的地震檢波器主要是基于電學原理設計制作而成的，如利用先進的微機系統(MEMS)加工而成的微型傳感芯片，將微小機械振動信息轉換為電壓信號，通過電子學手段測得電壓變化，由此實現地震波信號測量。此類電子振動傳感器從工作原理上可分為動圈式、渦流式、壓電式、壓阻式等，但普遍存在下列問題：易受電磁干擾，特別是電子學器件易產生電火花，在油氣勘探領域中應用時存在安全隱患。

光纖傳感技術以光纖為物理媒質、以光波為信息載體，具有結構小巧、靈敏度高、抗電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕、本質安全以及便于多點組網和遠距離遙測等優點，非常適合于應用在一些傳統傳感器受到限制的領域。光纖傳感器按照其傳感機理可以分為強度調制型、干涉型、光纖光柵型、光纖激光型等。由于其具有以上優點，因而得到越來越廣泛的研究和應用。

經過近30年的發展，光纖振動傳感技術取得了較快的發展，各種新穎的傳感原理與新型結構設計被報道并應用于實際測試環境，其中尤以強度調制型、干涉型、光纖光柵型、光纖激光型為代表。然而已報道的傳感器在限定振動感測方向的情況下能夠很好地工作，可滿足一般場合下對指定待測物結構或運轉狀態監測的需要。但對于未知振源、振源變化或多源振動等復雜監測對象來說(例如地震波監測)，振動方向的準確識別起到至關重要的作用，即實現振動矢量傳感。已報道的三分量振動傳感器通常需要三個獨立的傳感單元(例如光纖干涉儀、光纖光柵)，分別感測三維正交振動分量信息，取得了可喜的研究進展。但此類傳感器通常采用組合式的應變傳遞結構，難以實現傳感器的微型化和嵌入式感測；此外，三個獨立傳感單元間的噪聲串擾、功率分配不均衡、相位不一致等問題為振動方向的準確識別帶來難度。

例如，2007年，美國加州大學爾灣分校D.H.Kim等報道了一種基于雙光柵透射光強調制的光纖加速度計(D.H.Kim，M.Q.Feng.Real-time?structural?health?monitoring?using?a?novel?fiber-optic?accelerometer?system[J].IEEE?Sens.J.，2007，7(4)：536～543)。其方法是兩光柵一個固定在加速度計殼壁上，另一個固定在質量塊上。在振動作用下，兩光柵作相對移動，通過光柵的光強隨之變化，從而可探測振動的加速度。這種方法解調探測成本，但復用能力差，傳感器結構復雜，體積大，不易集成，并且光源輸出抖動直接影響探測結果。

又如，意大利A.Laudati等和G.Gagliardi等分別于2007年和2008年報道了光纖光柵型地震檢波器。A.Laudati等將三只波分復用的FBG分別間隔120度排列在圓管內壁，構成一支有方向性的地震檢波器。同傳統檢波器的對比沖擊測試結果表明在0.1～10Hz范圍內頻率響應一致(A.Laudati，F.Mennella，M.Giordano?et?al.，A?fiber-optic?Bragg?grating?seismic?sensor[J].IEEE?Photon.Technol.Lett.，2007，19(24)：1991～1993)。G.Gagliardi等采用相似的傳感器結構，在豎立的圓柱桿上固定了質量塊和FBG，該系統本底噪聲較高，最小可探測的加速度僅能達到0.1mg/Hz(G?Gagliardi，M?Salza，P?Ferraro?et?al.，Design?and?test?of?a?laser-based?optical-fiber?Bragg-grating?accelerometer?for?seismic?applications[J].Meas.Sci.Technol.，2008，19(8)：085306)。這兩類傳感器易于復用，但是傳感器結構復雜，體積大，響應靈敏度較低，而且需要波長解調，解調設備昂貴。