本發(fā)明屬地質(zhì)工程安全檢測領(lǐng)域與光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種光纖光柵微震傳感器及制作方法，主要用于礦山、隧道、橋梁等地質(zhì)工程的安全監(jiān)測。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求迅速增加，礦山開采逐漸走向深部，礦震、煤與瓦斯突出等安全事故頻繁發(fā)生，造成了重大的人員傷亡與經(jīng)濟損失。同時，我國在隧道、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的投入也不斷增加，尤其在我國西部地區(qū)，涌現(xiàn)了大量的深埋隧道與大跨橋梁，具有較大的安全隱患。亟待研究大型地質(zhì)工程安全監(jiān)測的有效方法。微震是巖石破壞過程中的伴生現(xiàn)象，其中包含了大量的有關(guān)圍巖受力破壞以及地質(zhì)缺陷活化過程的有用信息，故通過對微震信號的采集、處理和分析，可有效地推斷巖石內(nèi)部的變化情況，監(jiān)測大型地質(zhì)工程的破壞程度，有效預測垮塌、巖爆、突水、塌方、沖擊地壓等災害的發(fā)生。由于礦山、隧道、橋梁等大型工程檢測環(huán)境惡劣，突發(fā)事故多，對微震傳感器的性能和封裝技術(shù)提出了嚴格的要求，但是微震傳感器基本都是壓電陶瓷傳感器，存在易受電磁干擾、布線復雜、易零漂等缺陷，且目前工程中用的微震傳感器存在壽命短、防水防潮性差和安裝復雜等缺點。

光纖光柵傳感器相對于傳統(tǒng)的電類傳感器技術(shù)優(yōu)點表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、防水防潮、易于組網(wǎng)等，光纖傳感器以光信號為載體實現(xiàn)所需物理參數(shù)的測量，并且傳輸?shù)囊彩枪庑盘?，不受電磁干擾；光的頻率等級為10¹⁴Hz，所以光纖傳感器頻帶范圍寬，動態(tài)范圍大。同時，光纖光柵微震傳感器因其特殊的結(jié)構(gòu)和特性克服了惡劣環(huán)境對監(jiān)測的干擾，且安裝方便，具有無零漂、靈敏度高等優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種光纖光柵微震傳感器及制作方法，該傳感器的光纖光柵的兩端焊接在振動梁上，防止振動梁的不均勻應(yīng)變引起光纖光柵發(fā)生啁啾現(xiàn)象。外界微震信號引起該傳感器質(zhì)量塊上下振動，進而帶動振動梁隨之發(fā)生周期變形，光纖光柵也隨之受周期應(yīng)變的影響，因此光柵的中心波長也會相應(yīng)發(fā)生周期性變化，信號解調(diào)器將光柵的中心波長變化情況解調(diào)出來，實現(xiàn)微震信號的實時監(jiān)測。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝、防水防潮、扛電磁干擾和壽命長等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種光纖光柵微震傳感器，主要包括：振動梁，所述振動梁的兩端固定在外殼內(nèi)，所述振動梁軸向中心線下方的位置固定有質(zhì)量塊，所述振動梁上表面的中心線處固定有光纖光柵，光纖光柵通過傳輸光纖與信號解調(diào)器相連；外界微震信號引起質(zhì)量塊上下振動，進而帶動振動梁隨之發(fā)生周期變形，繼而光纖光柵也隨之受周期應(yīng)變的影響，光柵的中心波長也會相應(yīng)發(fā)生周期性變化，信號解調(diào)器將光柵的中心波長變化情況進行解調(diào)，實現(xiàn)微震信號的實時監(jiān)測。

進一步的，所述振動梁上表面的中心線處刻有凹槽，光纖光柵的兩端焊接在凹槽內(nèi)。

進一步的，所述振動梁的兩端分別設(shè)有螺孔，所述振動梁的兩端與外殼內(nèi)部支撐部件之間通過螺栓進行固定。

進一步的，所述質(zhì)量塊為規(guī)則的幾何體(例如可為立方體、柱體)，所述質(zhì)量塊的上表面的中心位置設(shè)有螺孔，通過螺絲固定在振動梁的中心位置正下方，且所述質(zhì)量塊不與外殼的底面接觸。

進一步的，所述外殼的內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，外殼主要包括主體結(jié)構(gòu)、上擋板與兩個側(cè)擋板，上擋板與兩個側(cè)擋板均采用螺絲固定在主體結(jié)構(gòu)上。

進一步的，所述外殼主體結(jié)構(gòu)為一凹槽，凹槽內(nèi)相對的兩端分別設(shè)有兩個帶螺孔的支撐部件，且支撐部件低于外殼的側(cè)擋板的高度，支撐部件為金屬塊。

進一步的，所述外殼上擋板為一個可用螺絲固定在外殼的主體結(jié)構(gòu)上的金屬蓋，金屬蓋可用螺絲固定在振動梁的上方且不與振動梁接觸。

進一步的，所述振動梁上各處的應(yīng)變大小為：

其中，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，a為質(zhì)量塊的振動加速度，E為材料的彈性模量，I為繞垂直于xy平面并通過振動梁一個端點的軸的轉(zhuǎn)動慣量，L為振動梁的長度，h為振動梁的厚度，x為振動梁受力力矩的位置，其中，振動梁長度方向沿坐標系的x軸方向，振動梁的一端位于坐標系的原點，另一端位于x軸的正值方向。

進一步的，所述振動梁的一階諧振頻率的計算公式為：

其中，L為振動梁的長度，h為振動梁的厚度，E為材料的彈性模量，ρ為振動梁的密度。

一種光纖光柵微震傳感器的制作方法，包括以下步驟：

步驟一：選擇光纖光柵，光纖光柵表面鍍有金屬膜；

步驟二：選擇質(zhì)量塊與振動梁，該質(zhì)量塊為為規(guī)則的幾何體，振動梁為碳纖維薄片狀結(jié)構(gòu)；

步驟三：將光纖光柵兩端焊接在振動梁的凹槽內(nèi)，光纖光柵柵區(qū)處于拉緊狀態(tài)；

步驟四：將質(zhì)量塊固定在振動梁正下方且與外殼的底面有一定的距離，保證質(zhì)量塊振動時不會與外殼底面接觸或碰撞，在固定時注意不要損壞振動梁上的光纖光柵，并確保質(zhì)量塊與振動梁之間不會發(fā)生松動；

步驟五：將振動梁兩端固定在外殼的主體結(jié)構(gòu)兩端的金屬塊上；

步驟六：將與光纖光柵相連的傳輸光纖的一端從外殼引出，傳輸光纖另一端與信號解調(diào)器相連；

步驟七：將外殼上擋板固定在外殼的主體結(jié)構(gòu)上，固定時確保外殼的上擋板不會與振動梁接觸或發(fā)生碰撞。

其中，振動梁厚度為0.5mm～1.5mm。光纖光柵為金屬鍍膜光柵(鍍銅或鍍鎳)。

質(zhì)量塊為規(guī)則的幾何體，可為立方體、柱體，質(zhì)量塊的中心位置有螺孔，通過螺絲固定在振動梁的中心位置正下方，且不與外殼底面接觸。信號解調(diào)器基于CCD掃描原理設(shè)計，解調(diào)頻率為5KHz。

本發(fā)明的有益效果：

光纖光柵的兩端焊接在振動梁上，柵區(qū)部分處于拉緊狀態(tài)，但沒有與振動梁粘結(jié)在一起，防止振動梁的不均勻應(yīng)變引起光纖光柵發(fā)生啁啾現(xiàn)象，同時能夠有效避免膠的老化引起傳感器壽命短的缺點。外界微震信號引起該傳感器質(zhì)量塊上下振動，進而帶動振動梁隨之發(fā)生周期變形，光纖光柵也隨之受周期應(yīng)變的影響，因此光柵的中心波長也會相應(yīng)發(fā)生周期性變化，信號解調(diào)器將光柵的中心波長變化情況解調(diào)出來，實現(xiàn)微震信號的實時監(jiān)測。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝、防水防潮、扛電磁干擾和壽命長等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為新型光纖光柵微震傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為新型光纖光柵微震傳感器剖面圖；

圖3為振動梁受力模型；

圖4為新型光纖光柵微震傳感器光譜圖；

圖5(a)-圖5(b)為新型光纖光柵微震傳感器在120Hz的特性曲線；

其中，1光纖光柵、2振動梁、3質(zhì)量塊、4外殼、5傳輸光纖、6信號解調(diào)器、7上擋板。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明一種新型光纖光柵微震傳感器主要包括光纖光柵1、振動梁2、質(zhì)量塊3、外殼4、傳輸光纖5與信號解調(diào)器6，振動梁2是碳纖維薄片結(jié)構(gòu)，在振動梁2中間和兩端分別鉆有螺孔，質(zhì)量塊3的中心有螺孔可用螺絲固定在振動梁2的軸向中心線中間部位正下方，外殼1為空心槽狀結(jié)構(gòu)且兩邊鉆有螺孔，振動梁2兩端分別用螺絲固定在外殼1上，質(zhì)量塊3用螺絲固定在振動梁2中間正下方，質(zhì)量塊3不能與外殼4的底面接觸，振動梁2的軸向中心線上表面刻有凹槽，光纖光柵4的兩端焊接在凹槽內(nèi)，外殼1的上擋板7用螺絲固定在外殼4上，且不與振動梁2接觸，避免外界對振動梁2和光纖光柵4的干擾，傳輸光纖5從外殼1的一端引出與信號解調(diào)器6相連。

光纖光柵微震傳感器的工作原理，包括：

當振動梁受垂直的力時，振動梁發(fā)生撓度變形，振動梁軸向中心線處應(yīng)變增大，帶動光纖光柵隨之發(fā)生軸向變形，進而引起光柵中心波長的變化。當傳感器的激勵信號為微震信號時，傳感光柵的中心波長也會相應(yīng)發(fā)生周期性變化，通過檢測傳感器中心波長的變化即可實現(xiàn)微震信號的檢測。

在微震條件下，質(zhì)量塊可以等效為施加在振動梁梁中心，且與振動梁主平面垂直的作用力F，則振動梁上各點都有應(yīng)變，由下面的計算可知，振動梁上各處的應(yīng)變是中心對稱的，振動梁的兩個端點和中部應(yīng)變最大。選擇如圖3中的坐標系，則梁的撓曲方程為

其中M為振動梁x處的力矩，E為材料的彈性模量，I為繞垂直于xy平面并通過振動梁一個端點的軸的轉(zhuǎn)動慣量(m_梁L²/3)。采用多余約束的方法，通過對振動梁的受力及力矩作用的分析，可得到振動梁上各處所受撓力矩的大小為

其中F為梁中心受力點所受力的大小，L為梁的長度。對厚為h的橫截面為矩形的薄梁，振動梁上各處的應(yīng)變大小為

假設(shè)質(zhì)量塊的質(zhì)量為m，振動加速度為a，則

F＝ma

因此，

對于振動梁難以求其簡諧受迫振動方程的解析解，根據(jù)大量計算結(jié)果，得出其一階諧振頻率的計算公式為

結(jié)合圖1與圖2，一種光纖光柵微震傳感器的制作方法如下：

步驟一：選擇光纖光柵1，光纖光柵1為刻寫在單模光纖上的單反射峰光纖Bragg光柵，光纖光柵的中心波長為C波段，帶寬0.2nm，柵區(qū)長度為8mm,光柵表面鍍有金屬膜(鍍銅或鍍鎳)；

步驟二：選擇合適的質(zhì)量塊3與振動梁2，該質(zhì)量塊3為立方體或柱體，振動梁2為0.5mm～1.5mm的碳纖維薄片；質(zhì)量塊3與振動梁2共同決定了本發(fā)明的檢測頻率與靈敏度，質(zhì)量塊3越大該傳感器固有頻率越小，因此在選擇質(zhì)量塊3的質(zhì)量時，要以質(zhì)量塊3的固有頻率滿足所測微震信號的頻率為宜。

步驟三：將光纖光柵1兩端焊接在振動梁2的凹槽內(nèi)，光纖光柵1柵區(qū)處于拉緊狀態(tài)，但沒有與振動梁2粘結(jié)在一起，；

步驟四：將質(zhì)量塊3用螺絲固定在振動梁2正下方，在擰螺絲時注意不要損壞振動梁2上的光纖光柵1，并在螺紋上澆筑螺紋膠，確保質(zhì)量塊3與振動梁2之間不會發(fā)生松動；

步驟五：用螺絲將振動梁2兩端固定在外殼4主體結(jié)構(gòu)兩端的金屬塊上，質(zhì)量塊3位于振動梁2的下方且與外殼的底面有一定的距離，保證質(zhì)量塊3振動時不會與外殼4底面接觸或碰撞；

步驟六：將傳輸光纖5從外殼4一端引出，傳輸光纖5另一端與信號解調(diào)器6相連；

步驟七：將外殼上擋板8用螺絲固定在外殼4主體結(jié)構(gòu)上，并在螺紋上澆筑螺紋膠，確保外殼上擋板8不會與振動梁2接觸或發(fā)生碰撞。

振動梁為薄片狀兩端固定梁，外界微震信號作用在外殼上，外殼帶動振動梁與質(zhì)量塊發(fā)生振動，可以有效地將振動信號傳遞給光纖光柵。外殼有一個可拆裝的金屬蓋，可用螺絲固定在振動梁上方且不與振動梁接觸。振動梁上表面的軸向中心線有凹槽，所述的光纖光柵兩端焊接在凹槽中，有效避免膠已老化從而影響傳感器壽命的缺點。光纖從外殼的一端引出與信號解調(diào)器相連。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、抗電磁干擾、頻域?qū)捄统杀镜偷葍?yōu)點。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，在振動標準試驗臺上對該傳感器進行了性能標定試驗，在不同頻率與不同加速度下測試了該傳感器的性能，該傳感器性能穩(wěn)定，靈敏度高。該傳感器的光譜圖如圖4所示，頻率為120Hz，時的時域與頻域響應(yīng)特性如圖5(a)-圖5(b)所示。

該發(fā)明能夠很好的應(yīng)用于礦山、隧道、橋梁等大型地質(zhì)工程的微震信號實時監(jiān)測中，能夠為大型地質(zhì)工程的健康監(jiān)測提供有效的手段。