本發(fā)明屬于地球勘探重力測量，更具體地，涉及一種三分量光纖式重力測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、測量局部重力微小變化對于探明隱藏的碳?xì)浠衔飪α?、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和導(dǎo)航與空間定位領(lǐng)域具有重要的作用。

2、目前對于重力的測量從原理上可以絕對重力測量和相對重力測量兩類。絕對重力測量可以獲得重力加速度的絕對值，目前應(yīng)用較為廣泛的例如micro-glacoste公司的fg5。然而絕對重力測量裝備一般昂貴且龐大，無法靈活移動和大規(guī)模部署。由于這個原因，在實(shí)際測量中常會優(yōu)先采用相對重力測量獲得重力加速度的變化量，目前應(yīng)用較為廣泛的例如加拿大scintrex公司的cg6。

3、相對重力測量的形式多樣，但原理上通常是基于檢驗(yàn)質(zhì)量塊、彈簧振子、固定框架來檢測重力加速度的變化量。在測量時，重力作用下的檢驗(yàn)質(zhì)量塊使彈簧振子發(fā)生形變，當(dāng)彈性力與重力平衡時，彈簧振子會使檢驗(yàn)質(zhì)量塊處在平衡位置，當(dāng)局部重力發(fā)生微小變化，檢測系統(tǒng)會重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)，彈簧振子會使檢驗(yàn)質(zhì)量塊到達(dá)新的平衡位置，通過對于平衡位置的變化量來對重力加速度的變化量進(jìn)行標(biāo)定與測量。

4、一般重力測量系統(tǒng)常用單敏感軸方向測定，單敏感軸裝置在測定時，需要調(diào)整敏感軸方向使其與重力加速度的方向重合的問題。以及檢驗(yàn)質(zhì)量塊位移測定的靈敏度低，且容易受到外界環(huán)境溫度和電磁干擾影響，并且造價高體積大，難以集成化大量復(fù)制部署等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，解決現(xiàn)有的重力測量系統(tǒng)對于檢驗(yàn)質(zhì)量塊位移測定的靈敏度低，且容易受到外界環(huán)境溫度和電磁干擾影響，并且造價高體積大，難以集成化大量復(fù)制部署等問題。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，

3、一種三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，包括三個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面，相鄰兩個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面法向量之間的夾角為120°，三個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面與一個頂部為平面的底座之間以60°夾角設(shè)置；每個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面包括：矩形的支撐架，以及位于支撐架內(nèi)的檢驗(yàn)質(zhì)量塊，所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊與支撐架位于同一平面內(nèi)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的下側(cè)邊中心通過折疊梁與支撐架連接，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的上側(cè)邊中心向上延伸一個連接桿，與所述連接桿垂直設(shè)置一個懸臂梁，所述懸臂梁的另一端與支撐架固定，在所述懸臂梁的上下對稱位置兩個表面分別貼附有第一光纖光柵fbg和第二光纖光柵fbg，所述第一光纖光柵fbg和所述第二光纖光柵fbg均通過3db耦合器連接光譜儀和寬帶光源。

4、進(jìn)一步地，?所述第一光纖光柵fbg和所述第二光纖光柵fbg的中心波長不相同。

5、進(jìn)一步地，第一光纖光柵fbg和第二光纖光柵fbg的中心波長分別為1550nm和1570nm。

6、進(jìn)一步地，所述折疊梁包括上梁與下梁，上梁與下梁結(jié)構(gòu)相同，均為長條形，長條形兩端均為弧形，上梁與下梁的中間位置通過兩個半圓弧連接。

7、進(jìn)一步地，第一光纖光柵fbg和第二光纖光柵fbg的兩段布拉格光柵長度為4mm，光柵周期λ為540μm。

8、進(jìn)一步地，所述懸臂梁采用長方體結(jié)構(gòu)。

9、進(jìn)一步地，通過光譜儀測量每個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面中第一光纖光柵fbg和第二光纖光柵fbg形成的兩個布拉格中心波長的變化量；改變懸臂梁與連接桿連接端的端部載荷，建立端部載荷與變化量之間的關(guān)系，根據(jù)端部載荷與重力加速度之間的關(guān)系，得到重力加速度與變化量之間的對應(yīng)關(guān)系，完成標(biāo)定。

10、進(jìn)一步地，采用三分量光纖式重力測量系統(tǒng)進(jìn)行測量時，測量三個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面測量的重力加速度的值，并通過旋轉(zhuǎn)矩陣計算得到最終的重力加速度值，所述旋轉(zhuǎn)矩陣為：

11、，

12、，

13、，

14、其中，為重力加速度在軸上的分量，為重力加速度在軸上的分量，是重力加速度在軸上的分量，為60°，為30°，、?、分別是三個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面測量的重力加速度。

15、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：

16、第一，本發(fā)明采用的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸小故可裝配在小尺寸封裝中，提高了傳感器的便攜性的同時，整體的設(shè)計制作成本低，可復(fù)制多個實(shí)體并大規(guī)模部署傳感器以達(dá)到對于測量范圍內(nèi)的重力加速度區(qū)域性測量；

17、第二，本發(fā)明采用三軸結(jié)構(gòu)同時對三個方向的加速度進(jìn)行測量，針對重力加速度測量對傳感器方向敏感的問題，本發(fā)明可以有效的避免在測量前需要調(diào)整校準(zhǔn)傳感器敏感軸方向的問題，提高了測量精確度和穩(wěn)定性；

18、第三，本發(fā)明利用雙光纖光柵的布拉格波長中心波長不同，反射光譜會呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，并隨著懸臂梁的形變發(fā)生相對偏移，通過測量相對偏移量來對檢驗(yàn)質(zhì)量塊的位移量進(jìn)行定標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對重力加速度的測量。此結(jié)構(gòu)對于應(yīng)變的敏感度高，可以捕捉重力微小變化帶來的為小應(yīng)變，可提高傳感器的靈敏度，同時對稱設(shè)計的兩根光纖光柵的差分測量方式可有效消除溫度敏感項(xiàng)，幾乎排除了溫度對于測量的影響，且光纖光柵價格低，具有良好的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，其特征在于，包括三個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面，相鄰兩個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面法向量之間的夾角為120°，三個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面與一個頂部為平面的底座之間以60°夾角設(shè)置；每個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面包括：矩形的支撐架，以及位于支撐架內(nèi)的檢驗(yàn)質(zhì)量塊，所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊與支撐架位于同一平面內(nèi)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的下側(cè)邊中心通過折疊梁與支撐架連接，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的上側(cè)邊中心向上延伸一個連接桿，與所述連接桿垂直設(shè)置一個懸臂梁，所述懸臂梁的另一端與支撐架固定，在所述懸臂梁的上下對稱位置兩個表面分別貼附有第一光纖光柵fbg和第二光纖光柵fbg，所述第一光纖光柵fbg和所述第二光纖光柵fbg均通過3db耦合器連接光譜儀和寬帶光源。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，其特征在于，?所述第一光纖光柵fbg和所述第二光纖光柵fbg的中心波長不相同。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，其特征在于，第一光纖光柵fbg和第二光纖光柵fbg的中心波長分別為1550nm和1570nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述折疊梁包括上梁與下梁，上梁與下梁結(jié)構(gòu)相同，均為長條形，長條形兩端均為弧形，上梁與下梁的中間位置通過兩個半圓弧連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，其特征在于，第一光纖光柵fbg和第二光纖光柵fbg的兩段布拉格光柵長度為4mm，光柵周期λ為540μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述懸臂梁采用長方體結(jié)構(gòu)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，其特征在于，通過光譜儀測量每個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面中第一光纖光柵fbg和第二光纖光柵fbg形成的兩個布拉格中心波長的變化量；改變懸臂梁與連接桿連接端的端部載荷，建立端部載荷與變化量之間的關(guān)系，根據(jù)端部載荷與重力加速度之間的關(guān)系，得到重力加速度與變化量之間的對應(yīng)關(guān)系，完成標(biāo)定。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，其特征在于，采用三分量光纖式重力測量系統(tǒng)進(jìn)行測量時，測量三個mems重力敏感結(jié)構(gòu)平面測量的重力加速度的值，并通過旋轉(zhuǎn)矩陣計算得到最終的重力加速度值，所述旋轉(zhuǎn)矩陣為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于地球勘探重力測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三分量光纖式重力測量系統(tǒng)，包括三個MEMS重力敏感結(jié)構(gòu)平面與一個頂部為平面的底座之間以60°夾角設(shè)置，相鄰兩個MEMS重力敏感結(jié)構(gòu)平面法向量之間的夾角為120°；每個MEMS重力敏感結(jié)構(gòu)平面包括：矩形的支撐架，以及位于支撐架內(nèi)的檢驗(yàn)質(zhì)量塊，檢驗(yàn)質(zhì)量塊與支撐架位于同一平面內(nèi)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的下側(cè)邊中心通過折疊梁與支撐架連接，懸臂梁的另一端與支撐架固定，在懸臂梁的上下對稱位置兩個表面分別貼附有第一光纖光柵FBG和第二光纖光柵FBG，均通過3dB耦合器連接光譜儀和寬帶光源。本發(fā)明可以有效的避免在測量前需要調(diào)整校準(zhǔn)傳感器敏感軸方向的問題，提高了測量精確度和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：林婷婷,徐琳,王一達(dá),程金爍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9