[发明专利]光纤矢量振动传感仪

说明书

技术领域

本发明涉及振动传感仪设计领域，特别涉及一种可识别振动方向的正交偏振光纤矢量振动传感仪。

背景技术

振动传感器在建筑物结构健康检测、地震灾害预防、石油天然气勘探和国防安全监测等领域有着广泛的应用，例如：通过实时检测大型土木工程(桥梁、隧道、大坝等)的结构形变，从而实现对其健康状况的及时诊断；通过记录震源、研究地球内部结构和地震波传播特性，实现临震预报；通过探测人工震动经岩层分界面反射或折射引起的弹性波，可以认识地下地质构造以寻找油气圈闭，实现油气储存勘探；通过探测入侵目标引起的地面波，实现目标识别及预警安全监测。因此，振动传感器市场空间非常巨大。

现有的地震检波器主要是基于电学原理设计制作而成的，如利用先进的微机系统(MEMS)加工而成的微型传感芯片，将微小机械振动信息转换为电压信号，通过电子学手段测得电压变化，由此实现地震波信号测量。此类电子振动传感器从工作原理上可分为动圈式、涡流式、压电式、压阻式等，但普遍存在下列问题：易受电磁干扰，特别是电子学器件易产生电火花，在油气勘探领域中应用时存在安全隐患。

光纤传感技术以光纤为物理媒质、以光波为信息载体，具有结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、本质安全以及便于多点组网和远距离遥测等优点，非常适合于应用在一些传统传感器受到限制的领域。光纤传感器按照其传感机理可以分为强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型等。由于其具有以上优点，因而得到越来越广泛的研究和应用。

经过近30年的发展，光纤振动传感技术取得了较快的发展，各种新颖的传感原理与新型结构设计被报道并应用于实际测试环境，其中尤以强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型为代表。然而已报道的传感器在限定振动感测方向的情况下能够很好地工作，可满足一般场合下对指定待测物结构或运转状态监测的需要。但对于未知振源、振源变化或多源振动等复杂监测对象来说(例如地震波监测)，振动方向的准确识别起到至关重要的作用，即实现振动矢量传感。已报道的三分量振动传感器通常需要三个独立的传感单元(例如光纤干涉仪、光纤光栅)，分别感测三维正交振动分量信息，取得了可喜的研究进展。但此类传感器通常采用组合式的应变传递结构，难以实现传感器的微型化和嵌入式感测；此外，三个独立传感单元间的噪声串扰、功率分配不均衡、相位不一致等问题为振动方向的准确识别带来难度。

例如，2007年，美国加州大学尔湾分校D.H.Kim等报道了一种基于双光栅透射光强调制的光纤加速度计(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)。其方法是两光栅一个固定在加速度计壳壁上，另一个固定在质量块上。在振动作用下，两光栅作相对移动，通过光栅的光强随之变化，从而可探测振动的加速度。这种方法解调探测成本，但复用能力差，传感器结构复杂，体积大，不易集成，并且光源输出抖动直接影响探测结果。

又如，意大利A.Laudati等和G.Gagliardi等分别于2007年和2008年报道了光纤光栅型地震检波器。A.Laudati等将三只波分复用的FBG分别间隔120度排列在圆管内壁，构成一支有方向性的地震检波器。同传统检波器的对比冲击测试结果表明在0.1～10Hz范围内频率响应一致(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等采用相似的传感器结构，在竖立的圆柱杆上固定了质量块和FBG，该系统本底噪声较高，最小可探测的加速度仅能达到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)。这两类传感器易于复用，但是传感器结构复杂，体积大，响应灵敏度较低，而且需要波长解调，解调设备昂贵。