一種光纖光柵地聲傳感探頭及傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種光纖光柵地聲傳感探頭及傳感系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 泥石流地聲是指泥石流在流動(dòng)過(guò)程中，夾雜的顆粒物會(huì)與沿途山體發(fā)生碰撞，產(chǎn) 生具有特定頻率的振動(dòng)，這種振動(dòng)沿溝岸巖石傳播便產(chǎn)生泥石流地聲。通過(guò)監(jiān)測(cè)泥石流地 聲可以對(duì)泥石流的發(fā)生進(jìn)行早期預(yù)警，最大限度地爭(zhēng)取防災(zāi)減災(zāi)時(shí)間，有效降低災(zāi)害損失 的程度。然而，相比較地震波的監(jiān)測(cè)，泥石流產(chǎn)生的地聲強(qiáng)度低，且在淺層地表的傳播過(guò)程 中衰落快，最大傳播距離約100米，顯著頻率在IOOHz左右。傳統(tǒng)的電子振動(dòng)傳感器已經(jīng)在 泥石流地聲監(jiān)測(cè)中獲得應(yīng)用，但在布設(shè)和維護(hù)方面存在較大困難。光纖傳感技術(shù)具有高靈 敏度、易于多點(diǎn)復(fù)用、抗電磁干擾、無(wú)源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等特性，在復(fù)雜環(huán)境的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中倍受青 睞。為了可靠監(jiān)測(cè)泥石流地聲信號(hào)，要求光纖傳感器具有很高的靈敏度（可探測(cè)加速度小 于〇. Ig)，固有頻率高于250HZ左右。此外，由于大多數(shù)泥石流的源發(fā)地具有不確定性，為了 準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和研究泥石流的爆發(fā)及演進(jìn)規(guī)律，需要在可能爆發(fā)的區(qū)域大量布設(shè)傳感器，這對(duì) 傳感器的復(fù)用數(shù)量、靈敏度、監(jiān)測(cè)距離和實(shí)時(shí)性都提出了很高的要求?，F(xiàn)有的"點(diǎn)式"光纖 光柵傳感器是將光纖光柵固定在機(jī)械結(jié)構(gòu)上（如懸臂梁），通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳 感，其靈敏度可基本滿足泥石流地聲監(jiān)測(cè)的要求，但很難進(jìn)行大規(guī)模復(fù)用，不易在廣域范圍 內(nèi)進(jìn)行布設(shè)；分布式光纖傳感技術(shù)（如光纖布里淵傳感器（BOTDA)、光纖拉曼傳感器（DTS)) 能較好地滿足大范圍監(jiān)測(cè)的要求，但檢測(cè)的傳感信號(hào)弱，需要通過(guò)大容量的數(shù)據(jù)處理提取 信號(hào)，實(shí)時(shí)性不佳。
[0003] 為了提升光纖振動(dòng)傳感器的靈敏度和復(fù)用能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥石流地聲的大范圍、高 可靠性監(jiān)測(cè)，一些研究人員引入光纖水聽計(jì)的傳感方案（見"劉育梁，何俊等.光纖地震 波探測(cè)的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展.2009, 11:21~28. "），采用DFB光纖激光 技術(shù)將振動(dòng)變化轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)的變化，再通過(guò)非平衡邁克爾遜干涉儀解調(diào)并放大這種波長(zhǎng)變 化，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的地聲傳感，但該方案需要在有源光纖上刻寫高反射率光柵，制備工藝復(fù) 雜，可復(fù)用傳感器的數(shù)量有限，且系統(tǒng)構(gòu)建成本高，鮮有在民用領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。其它 光纖傳感技術(shù)，諸如光纖光柵法布里-珀羅（FFP)干涉儀等，很難在光域內(nèi)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行 放大，靈敏度改善十分有限，且系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)。因此，開發(fā)高靈敏度、強(qiáng)復(fù)用能力的 新型地聲傳感器具有重要應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光纖光柵地聲傳感探頭及系統(tǒng)，該裝置結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、靈敏度高、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0006] -種光纖光柵地聲傳感探頭，包括光纖、彈簧、質(zhì)量塊、筒體，筒體內(nèi)設(shè)有彈簧、質(zhì) 量塊，彈簧一端與質(zhì)量塊連接，彈簧另一端與筒體連接；光纖一端與質(zhì)量塊膠結(jié)，光纖另一 端與筒體膠結(jié)。
[0007] 所述光纖上刻寫有第一啁嗽光柵、第二啁嗽光柵，所述第一啁嗽光柵、第二啁嗽光 柵位于光纖膠結(jié)點(diǎn)附近，應(yīng)變傳感工作區(qū)外。
[0008] 所述第一啁嗽光柵、第二啁嗽光柵具有相同的反射光譜特性，且反射率低于1%。
[0009] 質(zhì)量塊頂部到筒體內(nèi)部頂面之間的距離為L(zhǎng)，改變所述質(zhì)量塊與所述筒體之間的 距離L，可以改變傳感探頭的靈敏度。
[0010] 一種光纖光柵地聲傳感系統(tǒng)，包括激光光源、電光調(diào)制器、光環(huán)行器、傳輸光纖、以 及一種地聲傳感探頭，所述光環(huán)行器的第一端口連接激光光源；光環(huán)行器的第二端口連接 傳輸光纖；所述傳輸光纖上串接多個(gè)所述地聲傳感探頭；光環(huán)行器的第三端口連接所述光 電探測(cè)器；光電探測(cè)器與帶A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡連接；所述延時(shí)模塊的第一端口連接電 光調(diào)制器；延時(shí)模塊的第二端口連接所述數(shù)據(jù)采集卡的外觸發(fā)端口；所述計(jì)算機(jī)與延時(shí)模 塊的控制端口連接；計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口連接。
[0011] 所述激光光源的工作波長(zhǎng)位于所述地聲傳感探頭內(nèi)的啁嗽光柵的反射譜范圍內(nèi)。
[0012] 一種光纖光柵地聲傳感系統(tǒng)的傳感方法，光源的連續(xù)光經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器調(diào)制后， 形成光脈沖，光脈沖進(jìn)入光環(huán)行器，再進(jìn)入所述地聲傳感探頭，在各個(gè)探頭位置形成反射的 干涉脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光環(huán)行器進(jìn)入光電探測(cè)器，將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。延 時(shí)模塊觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，將含有相位變化信息的數(shù)字信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī) 調(diào)用相位解調(diào)算法，識(shí)別數(shù)字信號(hào)的相位變化，解調(diào)出振動(dòng)參量。
[0013] 所述地聲傳感探頭通過(guò)光纖進(jìn)行串接，所述延時(shí)模塊產(chǎn)生兩路時(shí)延可控的脈沖， 驅(qū)動(dòng)所述電光調(diào)制器和所述數(shù)據(jù)采集卡，基于單光纖上不同位置上地聲傳感探頭反射相干 脈沖光信號(hào)的時(shí)延不同進(jìn)行分別采集和處理，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)時(shí)分復(fù)用。
[0014] 一種光纖光柵地聲傳感系統(tǒng)的傳感方法，應(yīng)用于泥石流監(jiān)測(cè)。
[0015] 光纖光柵地聲傳感系統(tǒng)的工作及復(fù)用原理如下：
[0016] 激光光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器注入到單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅?，假定啁嗽光?(2)和啁嗽光柵（6)反射系數(shù)為R。，激光的光強(qiáng)為I。，則啁嗽光柵（2)反射光為I。*!?。，透射 光為10(1-10。透射光入射到啁嗽光柵（6)上時(shí)，反射信號(hào)的強(qiáng)度為1。*(1_1〇噸。，反射信 號(hào)通過(guò)啁嗽光柵（2)后的強(qiáng)度為：1。*(1-1〇2*1?。。則啁嗽光柵（2)和啁嗽光柵（6)兩束返 回光的強(qiáng)度之比為(I-Rd)2.
[0017] 對(duì)于反射率低于1%的弱光柵，兩個(gè)光柵之間的多次反射對(duì)干涉條紋的影響非常 有限，可以近似為等功率兩束光。兩束光是同一激光光源的反射光，具有相同的傳播方向和 穩(wěn)定的相位差，因此會(huì)產(chǎn)生雙光束干涉，符合邁克爾遜干涉的條件，因此有：
[0018] ID~2R0*I0*{l+cos[4 π neffL/λ+ φΓ]} (I)
[0019] 式中，Id為雙光束干涉的光強(qiáng)，L為兩光柵之間的距離，（^為兩光柵之間的相位 差。當(dāng)兩個(gè)光柵之間的光纖受到外界擾動(dòng)時(shí)，干涉信號(hào)的相位差變化Λ Φ :
[0021] 由公式（2)可知，當(dāng)光源的波長(zhǎng)確定后，兩束干涉光的干涉相位變化系數(shù)與光柵 間距L直接相關(guān)。光柵距離越長(zhǎng)，相位變化的靈敏度越高。研究表明，普通光柵的相位變化 為：
[0023] 式中，d為光柵的長(zhǎng)度。大多數(shù)光柵的長(zhǎng)度在幾個(gè)毫米，而邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鲀?個(gè)光柵之間的距離理論上由激光光源的相干長(zhǎng)度確定。比較式（2)和（3)可知，在同樣的 應(yīng)變參數(shù)下，單光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度比單光柵高L/d倍。例如，假定光柵的長(zhǎng) 度為6_，邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯谋坶L(zhǎng)L為180_，則系統(tǒng)的靈敏度可提高30倍！
[0024] 在實(shí)際的地聲傳感探頭制作時(shí)，為了保證光柵本身不受應(yīng)力的影響，從而引起相 位變化誤差，將光柵分別封裝在光纖的應(yīng)力工作區(qū)以外。此外，根據(jù)不同泥石流地聲的要 求，可以改進(jìn)傳感探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，靈活調(diào)節(jié)光柵之間應(yīng)力區(qū)間長(zhǎng)度L來(lái)改變探頭的 靈敏度。
[0025] 對(duì)于多探頭復(fù)用，可以采用弱光柵時(shí)分復(fù)用技術(shù)，即選用同波長(zhǎng)的啁嗽弱光柵制 作探頭，對(duì)多個(gè)探頭進(jìn)行依次串接。在振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，延時(shí)模塊產(chǎn)生兩路時(shí)延可編程調(diào)節(jié)的脈 沖，分別驅(qū)動(dòng)所述電光調(diào)制器和所述數(shù)據(jù)采集卡，由于不同位置上的地聲傳感探頭反射回 來(lái)的相干脈沖光信號(hào)時(shí)延不同，通過(guò)調(diào)節(jié)延時(shí)模塊的時(shí)延值，使采集卡在目標(biāo)探頭反射信 號(hào)到達(dá)時(shí)被觸發(fā)，采集卡采集當(dāng)前信號(hào)并處理，而其他位置探頭反射的信號(hào)將被隔離?；?該方法，通過(guò)預(yù)置不同的時(shí)延值，可依次檢測(cè)各探頭的振動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多探頭的時(shí)分復(fù)用。 而預(yù)置時(shí)延值的提取，可以在系統(tǒng)上電時(shí)，通過(guò)對(duì)整個(gè)光纖線路的掃描，結(jié)合光柵反射信號(hào) 的強(qiáng)度定位獲取并保存，無(wú)需人工配置。系統(tǒng)的復(fù)用能力與選用光柵的反射率直接相關(guān)，例 如，選用反射率1 %的光柵制作探頭，其復(fù)用數(shù)量即可與傳統(tǒng)高反射率光柵的波分復(fù)用方案 (WDM)相當(dāng)。當(dāng)光柵反射率下降到0.01%，單工作窗口可復(fù)用500個(gè)傳感探頭。因此，該發(fā) 明的傳感系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)高靈敏傳感，又可以根據(jù)具體監(jiān)測(cè)對(duì)象或應(yīng)用場(chǎng)景的要求，調(diào)整 光柵的反射率、時(shí)延等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感探頭的大規(guī)模復(fù)用，具有極佳的適應(yīng)性。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0027] 1、干涉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高。采用典型的活塞式振動(dòng)傳感結(jié)構(gòu)，在一根光纖中實(shí)現(xiàn) 雙光柵干涉，無(wú)需對(duì)光柵進(jìn)行特殊封轉(zhuǎn)處理，物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；利用弱啁嗽光柵反射光的邁克 爾遜干涉，靈敏度比單光柵高L/d倍。
[0028] 2、弱光柵制