三分量全光纖加速度地震檢波器的測量原理

1、 精密測量理論與技術(shù)報(bào)告 三分量全光纖加速度地震檢波器的測量原理 導(dǎo)師: 學(xué)號(hào): 姓名: 6 / 6摘要:本文介紹了順變柱體型三分量全光纖加速度地震檢波器。該檢波器由1個(gè)質(zhì)量塊,6個(gè)順變柱體,3套邁克爾遜干涉儀光路組成。其單一軸向的加速度可達(dá)103rad/g(其中,g為重力加速度),可同時(shí)檢測3個(gè)軸向的加速度ax、ay、az,矢量合成得空間加速度a,從而實(shí)現(xiàn)加速度的實(shí)時(shí)、高精度檢測。關(guān)鍵詞:三分量;全光纖加速度檢波器;邁克爾遜干涉儀;順變柱體 1 引言光纖加速度檢波器由于具有靈敏度高、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn),有著廣泛的發(fā)展前景。已經(jīng)研制出一種實(shí)用型單分量全光纖加速度檢波器及其信號(hào)處理系統(tǒng)。還開展

2、了順變柱體型三分量加速度檢測的研究。本文對(duì)三分量全光纖加速度地震檢波器進(jìn)行了研究。它具有并行、實(shí)時(shí)、高分辨率、高靈敏度檢測及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。2結(jié)構(gòu)及傳感機(jī)理圖1是設(shè)計(jì)的三分量全光纖加速度檢波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。一般地,單分量檢波器由2個(gè)完全相同的順變柱體支撐著1個(gè)質(zhì)量塊組成。在一定的張力下緊密地纏繞在兩柱體上的單模光纖形成了邁克爾遜干涉儀的兩臂,兩臂端面鍍有高反鋁膜。而三分量檢波器是在單分量的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的,它由6個(gè)順變柱體支撐著1個(gè)質(zhì)量塊組成,相對(duì)的兩柱體上纏繞的光纖形成了單分量的邁克爾遜干涉儀兩臂。該系統(tǒng)使用了3個(gè)光源即3套光路,相當(dāng)于3個(gè)單分量的組合(圖1)。順變柱體采用硫化硅橡膠材料

3、,質(zhì)量為mk,每一柱體上都纏有單模光纖,其復(fù)合剛度系數(shù)為Km。質(zhì)量塊為金屬立方體,它的6個(gè)面上分別固接著6個(gè)順變柱體,它們的另一端與套筒固定,其作用是把外殼與質(zhì)量塊間的相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w張力。任何外界加速度的x、y、z 3個(gè)分量分別迫使該方向上的順變柱體沿軸向壓縮或拉長,從而形成推挽式結(jié)構(gòu)。推挽式結(jié)構(gòu)可以用來消除溫度和壓力變化對(duì)檢波器的影響。而邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)則使該檢波器的靈敏度得到提高,因?yàn)楣馔ㄟ^每一個(gè)光纖線圈2次。干涉儀兩臂的長度差必須保證在激光光源的相干長度范圍內(nèi),以便產(chǎn)生很好的邊緣可見度,而對(duì)耦合器光源輸入和信號(hào)輸出端的傳輸光纖無此類限制。如圖1所示,耦合器輸入端接收LD光源發(fā)出

4、的K0=1.3Lm的窄帶相干光。經(jīng)3 dB耦合區(qū)后分成2束進(jìn)入干涉臂,由鍍有的高反鋁膜的2光纖端面反射回來,于3 dB耦合區(qū)處干涉,經(jīng)輸出端由PIN光電探測器將干涉得到的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并輸出給信息處理系統(tǒng),信號(hào)處理系統(tǒng)采用交流相位跟蹤零差補(bǔ)償(PTAC)技術(shù)把待測信號(hào)從諸多噪聲中提取出來。x、y和z方向上加速度信號(hào)的矢量合成,即得到要測的空間加速度信號(hào)。 3順變柱體該檢波器屬傳感型,光纖既傳光又作敏感元件。采用工作波長為1.3Lm單模階躍型光纖。裸光纖的外徑dw為260Lm,包層直徑db為125Lm,芯半徑為a=4.5Lm,芯層折射率n1=1.458,相對(duì)折射率差$=0.004 5,臨界

5、曲率半徑為Rc11.5 mm。在選擇材料時(shí),要盡量考慮減少外界環(huán)境(如溫度等)的影響,因此選用硫化硅橡膠澆鑄。為了給橡膠順變柱體加預(yù)緊力和有利于質(zhì)量塊與順變柱體的定,在順變柱體的兩端各加了一個(gè)鋁帽,且將鋁帽與順變柱體澆注在一起。在澆注過程中,要保持上下兩鋁端帽有很好的平行度。經(jīng)計(jì)算,繞此順變柱體一圈所需的光纖長度l=PD72.26 mm,繞滿一層光纖所需的光纖長度(即光纖的有效長度)L=N·l=4121.1 mm,式中,N=h/dw=57為所繞的光纖圈數(shù)。 定義光纖硬度-長度之乘積為Kfn=YA (1)式中,Y為光纖楊氏模量;A為光纖橫截面積。假定順變柱體本身無能量損耗,可推出纏有光

6、纖的順變柱體的復(fù)合剛度系數(shù)為Km=NPD4h2Kfn (2)式中,h為順變柱體的高度;N為纏繞的光纖匝數(shù);D為順變柱體直徑。當(dāng)D=23 mm、h=15 mm時(shí),Km=4.1×106N/m。4動(dòng)力學(xué)模型檢波器響應(yīng)外界加速度,質(zhì)量塊M將受到一個(gè)慣性力F的作用。F=Ma,而a=ax+ay+az。則Max=6Fx= 2Kmõx+ 4KtõxMay=6Fy= 2Kmõy+ 4Ktõy Maz=6Fz= 2Kmõz+ 4Ktõz (3) 式中,x、y、z為質(zhì)量塊相對(duì)基座的相對(duì)位移;Kt為順變柱體受剪切力而發(fā)生徑向變形的剛度系數(shù)?？紤]到我

7、們需要的是纏在順變柱體上的有效光纖長度的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)引起的光相位變化,順變柱體只是起到換能元件的作用。如圖2所示,只有順變柱軸向的壓縮或拉伸引起纏在其上的光纖長度變化才是明顯的;而當(dāng)順變柱體的徑向變化(彎曲或傾斜)時(shí),根據(jù)體積不變性,順變柱體的高度不變,則水平方向的截面面積也不變,即光纖圈的直徑D1=D2,有效光纖長度不變,即使是有變化也微乎其微,相對(duì)于柱體軸向變形引起的長度變化可以忽略。所以(3)式可以寫為Max=6Fx= 2CxKmõxMay=6Fy= 2CyKmõy Maz=6Fz= 2CzKmõz （4）式中,Cx、Cy和Cz為3軸向的補(bǔ)償系數(shù),其值應(yīng)大于

8、1。因?yàn)镵t對(duì)相應(yīng)的的Km而言是一種約束,其所對(duì)應(yīng)的一部分力產(chǎn)生的后果是造成了一定的能量損耗,使得質(zhì)量塊的軸向位移比無Kt時(shí)要小一些。(4)5分析計(jì)算為簡化計(jì)算,假定各個(gè)順變柱體的Km相同,同樣Kt也可看成相同。這樣,任一軸向的共振頻率可表示為fni=12P2CiKmM(i=x,y,z) (5) 用DSS-25T電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測得順變柱體的彈性模量E=2×106N/m2,當(dāng)D=23 mm、h=15 mm和M=430 g時(shí),算得Km=4.1×106N/m;而順變柱體的剛度系數(shù)K=ES/h=5.54×104N/m(S為順變柱體的截面積)。取Kt=K,則Ci=(Km+2

9、Kt)/Km=1.027。從而可以估算出單一軸向的共振頻率fm=705 Hz,比單分量的fn(=695 Hz)略有升高。3 dB光纖耦合器探測到的光相移是光程差的函數(shù),1個(gè)順變柱體變化產(chǎn)生的光相移為D<1=2Pn1K0DL (6)其中,D<1是單個(gè)順變柱體引起的光相移;K0是真空中的光波長;n1是光纖的芯層折射率;DL是1個(gè)干涉臂光纖長度的總變化量?？紤]到采用的是邁克爾遜干涉儀和推挽式結(jié)構(gòu),則任一軸向的總的光相移是D<1的4倍,即x、y或z向的總的光相移為D<=4D<1=8Pn1K0DL (7)根據(jù)L=NPD和順變柱體的體積不變性,可知DL=NPDD=NPD2hD

10、h (8)由(4)式知,任一軸向上存在Nai=2CiKmDh(i=x,y,z) (9)由(8)式和(9)式,可得出DL=NPDMai4hCiKm (10)將(10)式代入(7)式,可以得出任一軸向的加速度靈敏度D<ai=2P2n1NDMK0hCiKm=8Pn1hMK0CiKfn (11)從而,得出任一軸向的理論靈敏度為1.94×103rad/g(g=9.8 m/s2,為重力加速度)。6討論由公式(1)和(2)可得Km=NPD4h2Kfn=PYA4dw·Dh (12)由此可見,在光纖確定的基礎(chǔ)上,Km的大小取決于順變柱體的徑高比D/h。但通過改變D/h13改變Km的效果

11、有限,因?yàn)榭紤]到順變柱體的壓縮穩(wěn)定性,徑高比不可能太小。我們采用的是包層直徑為125Lm的普通光纖,若采用80Lm的光纖,則可使得Km大為降低。而由(5)式可知,這將降低任一軸向的共振頻率;當(dāng)然,共振頻率的降低也可以通過加大質(zhì)量塊的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。同樣,根據(jù)(11)式可以看出,增加順變柱體的h和加大質(zhì)量塊的M,都可以提高檢波器對(duì)加速度的靈敏度,但受徑高比和體積的限制,不能無限制地增大。縮短光源的K0和減小傳感光纖包層db得到的效果也很明顯,如,若采用0.85Lm的光源和包層直徑80Lm的光纖,而保持其它參數(shù)不變,則任一軸向的理論靈敏度為7.23×103rad/g,使得對(duì)加速度的靈敏度提高

12、了幾倍。若換了光源和光纖的同時(shí),再適當(dāng)?shù)卦黾禹樧冎w的h,則可使得檢波器對(duì)加速度的靈敏度上升1個(gè)數(shù)量級(jí),達(dá)到104rad/g。參考文獻(xiàn):1CHEN Cai-he,DING Gui-lan,ZHANG De-long,et al.Michelson fiber optic accelerometerJ.Review of sci-entific Instruments,1998,69(9):3123-3126.2D L Gardner,S L Garrett.Fiber-optic Seismic SensorA.Proc.SPIEC.1987,838:271.3R D Pechstedt,D A Jackson.Performance analysis of afiber o