本發(fā)明涉及傳感器以及地震觀測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器。

背景技術(shù)：

破壞力巨大的地震往往伴隨著財產(chǎn)的損失和人員的傷亡，因此對地震的監(jiān)測意義重大。地殼內(nèi)部構(gòu)造運動及其表面變形與地應(yīng)力作用息息相關(guān)，而地應(yīng)力狀態(tài)的變化是導(dǎo)致斷層斷裂、地震、褶皺及其他地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的根本原因，因此對地應(yīng)變的監(jiān)測有著重要的意義。在地應(yīng)變的觀測資料中，包含著地殼形變、地應(yīng)力場變化，太陽及月球的固體潮影響和地震的前兆信息，對地震觀測與地震預(yù)報、地球彈性與地球自由振動等地球物理研究中發(fā)揮著重要的作用，是我們認識地球內(nèi)部物理變化過程和了解地質(zhì)災(zāi)害機制的重要途徑。

用于監(jiān)測地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的主要方式為鉆孔應(yīng)變觀測。應(yīng)變儀安裝在地下基巖的鉆孔內(nèi)，鉆孔深度一般在數(shù)十米到數(shù)百米，通過鉆孔應(yīng)變儀持續(xù)的監(jiān)測并記錄下地殼內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化，這些數(shù)據(jù)對于分析日常地殼活動和把握地震時期地殼應(yīng)力應(yīng)變的變化特點及規(guī)律提供了大量的研究資料。

目前，鉆孔應(yīng)變儀器中主要有液位型體積式、液壓型體積式、全固態(tài)體積式、電容式等，這些應(yīng)變儀大多使用電學傳感器，能夠較好的監(jiān)測地殼應(yīng)力應(yīng)變的狀態(tài)變化，但電學測量方法存在著諸如易受到電磁干擾、抗雷電能力弱、零點漂移難除去等問題，限制了地應(yīng)力探測技術(shù)精細化的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器，具有靈敏度較高、動態(tài)范圍大、波長自參考、易于實現(xiàn)波分復(fù)用等特點。不易受到電磁干擾、抗雷電能力強、零點漂移方便除去，所以很適合監(jiān)測地殼應(yīng)力應(yīng)變信號。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器，包括：密閉的不銹鋼外筒、三角形銅板1、立金屬棒2與橫金屬棒3；

三角形銅板1為等腰三角形，兩側(cè)邊為內(nèi)凹的弧形，三角形銅板1倒置于不銹鋼外筒內(nèi)上方中心，三角形銅板1上方兩底角固定于不銹鋼外筒內(nèi)壁；

立金屬棒2設(shè)于不銹鋼外筒中心，上端與三角形銅板1下方的頂角固定連接；下端與橫金屬棒3內(nèi)端連接，橫金屬棒3外端固定于不銹鋼外筒內(nèi)壁；

三角形銅板1一側(cè)下方的頂角處沿中心方向豎直方向開有應(yīng)變槽，應(yīng)變槽內(nèi)安裝應(yīng)變光纖布拉格光柵fbg2，應(yīng)變槽的三角形銅板1上方底邊處開有溫度槽，溫度槽安裝溫度光纖布拉格光柵fbg1。

所述的三角形銅板1兩底角固定于螺紋套4內(nèi)孔，螺紋套4通過螺紋連接與不銹鋼外筒內(nèi)孔固定。

所述的不銹鋼外筒包括底座5、套筒6與封蓋7；底座5與封蓋7分別通過螺紋連接固定于套筒6上下兩端。

所述的封蓋7上設(shè)置光纖耦合器法蘭盤8，光纖耦合器法蘭盤8安裝光纖接頭。

所述的封蓋7上設(shè)置把手9。

所述的立金屬棒2與橫金屬棒3采用銦鋼材料。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的一種基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器，光纖本身是一種sio2材料，所以決定了光纖是一種化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，具有較強的抗電磁干擾能力，材質(zhì)安全，耐腐蝕，對電絕緣，因此適合于一些高溫、高壓、化學腐蝕等惡劣環(huán)境中。光纖光柵傳感除了具有一般光纖傳感器的優(yōu)點外，還具有靈敏度較高、動態(tài)范圍大、波長自參考、易于實現(xiàn)波分復(fù)用等特點。不易受到電磁干擾、抗雷電能力強、零點漂移方便除去，所以很適合監(jiān)測地殼應(yīng)力應(yīng)變信號。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖2為本發(fā)明實施例提供的基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖3為本發(fā)明實施例提供的基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器的三角形銅板上的光纖布拉格光柵安裝結(jié)構(gòu)圖；

圖4為光纖布拉格光柵傳感原理圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器的變片運用數(shù)值模擬軟件進行應(yīng)力分析的結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。

如圖1與圖2所示，一種基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器，用于地震觀測中的地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的測量，具體包括：密閉的不銹鋼外筒、三角形銅板1、立金屬棒2與橫金屬棒3；不銹鋼外筒包括底座5、套筒6與封蓋7；底座5與封蓋7分別通過螺紋連接固定于套筒6上下兩端，連接處可以填充密封圈或密封劑，實現(xiàn)密閉。所述的封蓋7上設(shè)置光纖耦合器法蘭盤8，光纖耦合器法蘭盤8安裝光纖接頭。光纖耦合器法蘭盤8可以采用方型光纖耦合器法蘭盤fc-fc，以便安裝光纖接頭，如跳線延長對接頭。

所述的封蓋7上設(shè)置把手9，方便拆裝。三角形銅板1為等腰三角形，兩側(cè)邊為內(nèi)凹的弧形，三角形銅板1倒置于不銹鋼外筒內(nèi)上方中心，三角形銅板1上方兩底角固定于不銹鋼外筒內(nèi)壁；可以是直接焊接固定，本例中，具體的所述的三角形銅板1兩底角固定于螺紋套4內(nèi)孔，螺紋套4通過螺紋連接與不銹鋼外筒內(nèi)孔固定。并通過封蓋7壓緊，且可以在蓋7與螺紋套4間設(shè)置密封墊10。這種方式能有效的固定住三角形銅板1，防止其晃動。

所述的立金屬棒2與橫金屬棒3采用銦鋼材料，銦鋼也稱因瓦合金，殷鋼，因鋼，不脹鋼，因瓦，4j36，無膨脹合金，也可簡稱為invar，即含有35.4％鎳的鐵合金，常溫下具有很低的熱膨脹系數(shù)(-20℃～20℃之間，其平均值約1.6×10-6/℃)，號稱金屬之王，是精密儀器設(shè)備不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。銦鋼導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)小，避免環(huán)境溫度影響測量結(jié)果。立金屬棒2設(shè)于不銹鋼外筒中心，上端與三角形銅板1下方的頂角固定連接，可以直接焊接固定；下端與橫金屬棒3內(nèi)端連接，可以直接焊接固定；橫金屬棒3外端固定于不銹鋼外筒內(nèi)壁，可以直接焊接固定。

三角形銅板1一側(cè)下方的頂角處沿中心方向豎直方向開有應(yīng)變槽(圖中未表示，在光纖下方)，應(yīng)變槽內(nèi)安裝應(yīng)變光纖布拉格光柵fbg2，因為應(yīng)變槽的設(shè)置位置是三角形銅板1應(yīng)變量相對最大的地方，此應(yīng)變光纖布拉格光柵fbg2作為應(yīng)變光柵記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)；應(yīng)變槽的三角形銅板1上方底邊處開有溫度槽(圖中未表示，在光纖下方)，溫度槽安裝溫度光纖布拉格光柵fbg1，因為溫度槽的設(shè)置位置是三角形銅板1應(yīng)變量相對較小的地方，溫度光纖布拉格光柵fbg1不會受到三角形銅板1形變的影響，所以用來測量溫度。應(yīng)變槽或溫度槽為一較淺的開槽，將光纖布拉格光柵放入槽中，拉緊光纖布拉格光柵，采用低熔點玻璃焊接的方式將光纖布拉格光柵固于在槽內(nèi)。這是現(xiàn)有技術(shù)不做過多描述。通常先通過低熔點焊接光纖布拉格光柵，待熔接點完全冷卻后，再連接立金屬棒2與橫金屬棒3等。

具體有如圖3所示，傳感器探頭結(jié)構(gòu)，也就是三角形銅板1是一種均勻結(jié)構(gòu)的應(yīng)變片，該應(yīng)變片的應(yīng)變槽處對應(yīng)力敏感，作為測量應(yīng)變的部位；而溫度槽不受到應(yīng)力影響作為溫度補償。通過低熔點玻璃焊接將兩根光纖布拉格光柵分別粘貼在這兩部分，應(yīng)變光纖布拉格光柵fbg2感應(yīng)應(yīng)變的變化，溫度光纖布拉格光柵fbg1感應(yīng)溫度的變化。

光纖布拉格光柵(fiberbragggrating，fbg)，光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，即通過外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺粒子相互作用引起折射率永久性的變化，在光纖纖芯內(nèi)中沿軸向建立周期性分布的空間相位光柵，其實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成能夠?qū)μ囟úㄩL附近一定帶寬內(nèi)的光起到反射或損耗的作用。

光纖光柵傳感器是一種典型的波長調(diào)制型傳感器?；诠饫w光柵的傳感過程是通過外界參量對中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息的。光纖布拉格光柵是光纖光柵的一種，其能夠?qū)θ肷涔獾奶囟úㄩL附近一定帶寬內(nèi)的光起到反射作用，簡而言之，光纖布拉格光柵就是一種能起到傳感作用的光纖。

光纖布拉格光柵傳感原理

光纖光柵的傳感過程是通過外界參量對中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息的，光纖布拉格光柵能夠?qū)θ肷涔獾奶囟úㄩL附近一定帶寬內(nèi)的光起到反射作用，其中心反射波長λb可表示為：

λb＝2neffλ

上式中，neff為纖芯的有效折射率；λ是光柵周期。

從光纖光柵的布拉格方程可知，其中心反射波長取決于光柵周期λ和有效折射率neff，任何使這兩個參數(shù)發(fā)生改變的物理量都將引起中心波長的漂移。在所有引起波長漂移的外界因素中，最直接的是應(yīng)變和溫度參量。反射波長λb隨應(yīng)變和溫度的偏移量δλb為：

上式中，pe、ξ、α分別為光纖的彈光系數(shù)、熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)。

從上式中我們可以得知光纖布拉格光柵可以制成測量溫度和應(yīng)變的傳感器。但從另一個角度看，溫度和應(yīng)變都可以引起波長漂移，所以若要測量與應(yīng)變有關(guān)的物理量，就需要進行相應(yīng)的溫度補償。

光纖布拉格光柵傳感原理，如圖4所示，

當一束寬帶光源傳播到光纖布拉格光柵的時候，光柵就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，這種特性就使光纖布拉格光柵只反射一種特定波長的光波，而其它波長的光波都會透射過去。當光柵受到外部物理場的作用，如溫度、應(yīng)力應(yīng)變等，其光柵的柵距隨之發(fā)生變化，從而改變了后向反射光的波長。根據(jù)反射波波長變化量的解調(diào)就可以確定待測部位相應(yīng)的物理場變化量。

基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器監(jiān)測原理

該傳感器處于鉆孔中，通過特種水泥作為耦合介質(zhì)，當有固體潮汐或是地震孕育過程帶來的地殼伸縮變形時，會對鉆孔中的不銹鋼外筒的套筒6產(chǎn)生擠壓從而導(dǎo)致套筒6的形變，此形變將會通過橫金屬棒3與立金屬棒2傳遞到曲邊的三角形銅板1的應(yīng)變區(qū)，導(dǎo)致了三角形銅板1的形變，從而使應(yīng)變光纖布拉格光柵fbg2形變，并造成應(yīng)變光纖布拉格光柵fbg2的波長漂移。于此同時，溫度光纖布拉格光柵fbg1不受到三角形銅板1形變的影響，其波長的漂移只與溫度相關(guān)。

結(jié)構(gòu)中，三角形銅板1和橫金屬棒3與立金屬棒2的連接端能保持很好的固定效果。由于兩根光纖布拉格光柵的光柵材質(zhì)相同，因此它們的彈光系數(shù)、熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)均相同。同時，兩根光纖光柵都貼合在導(dǎo)熱性良好的銅質(zhì)金屬片上，兩根光纖光柵的溫度均相同，故δt值也相等。

設(shè)溫度光纖布拉格光柵fbg1的中心波長為λb1，由于它只收到溫度的影響，有

設(shè)應(yīng)變光纖布拉格光柵fbg2的中心波長為λb2，由于它同時受到應(yīng)變和溫度影響，所以

將上兩式相減可得

由此，則根據(jù)兩根光柵的漂移情況即可求出應(yīng)變ε。

隨后可以通過振動臺進行標定，確定地震波和光柵應(yīng)變量之間的對應(yīng)關(guān)系。

如圖5，是將本發(fā)明的基于曲邊三角形的高精度光纖光柵形變傳感器的應(yīng)變片運用數(shù)值模擬軟件進行應(yīng)力分析的結(jié)果。力是垂直于三角形銅板1平面加載在于三角形銅板1下角處，圖中的顏色的深淺變換代表著加載的應(yīng)力給三角形銅板1造成形變量的大小。從下至上由淺到深表示應(yīng)變量由大變小。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。