一種光纖光柵泥石流地聲傳感系統(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泥石流地聲傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]泥石流、地震等災(zāi)害具有暴發(fā)突然、來(lái)勢(shì)兇猛、迅速之特點(diǎn)，并兼有崩塌、滑坡和洪水破壞的雙重作用，其危害程度比單一的地質(zhì)災(zāi)害更為廣泛和嚴(yán)重。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)泥石流地聲可以在泥石流發(fā)生的早期及時(shí)報(bào)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。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者專家提出發(fā)展泥石流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，作為泥石流防治的先期措施，期望能在泥石流發(fā)生前對(duì)泥石流危及地區(qū)的居民提出報(bào)警，以保障其生命財(cái)產(chǎn)的安全。目前泥石流報(bào)警系統(tǒng)多為電子報(bào)警器，如中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所推出第三代泥石流地聲波電子報(bào)警器DFW-1 III，其與世界知名品牌M0DEL4190 (丹麥B&KG公司)、MK222 (德國(guó)產(chǎn))具有相同的性質(zhì)和精度。但這些電子地聲監(jiān)測(cè)裝置在野外需要提供能源，或輔以太陽(yáng)能裝置供電，使傳感系統(tǒng)變得復(fù)雜，且信號(hào)遠(yuǎn)程回傳衰減嚴(yán)重，易受干擾，遠(yuǎn)程監(jiān)控困難。
[0003]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，逐漸在振動(dòng)傳感器領(lǐng)域獲得倍受青睞。將光纖振動(dòng)傳感器應(yīng)用于地聲監(jiān)測(cè)，充分發(fā)揮其耐惡劣環(huán)境、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，成為地災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的新方向。現(xiàn)有研究表明:泥石流地聲的顯著頻率低于250Hz，最小振動(dòng)的加速度幅度在0.2m/s2左右，屬于低頻微弱振動(dòng)信號(hào)的范疇，接近傳統(tǒng)單光柵懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器的靈敏度極限。為了對(duì)泥石流地聲進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，需要對(duì)光纖光柵傳感器的靈敏度進(jìn)行提升，一些高性價(jià)比的技術(shù)方案相繼被提出，其中，基于邊坡法的強(qiáng)度解調(diào)方案兼有高靈敏度和易于多點(diǎn)復(fù)用的特點(diǎn)，成為研究的熱點(diǎn)。
[0004]武漢理工大學(xué)的朱方東等(“朱方東.波分復(fù)用光纖光柵振動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)解調(diào)系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2012.”)提出采用DFB-LD作為光源，入射到傳感光柵的光譜邊坡上，通過(guò)傳感光柵將加速度引起的波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)化為反射光信號(hào)強(qiáng)度的變化，這種方法可使傳感系統(tǒng)的靈敏度獲得數(shù)量級(jí)的提升，但這種方法受激光器光源波長(zhǎng)穩(wěn)定性和傳感光柵溫漂的影響，實(shí)用性不強(qiáng)。
[0005]山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉統(tǒng)玉研究團(tuán)隊(duì)對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)光柵反射信號(hào)中的直流分量來(lái)分析溫度的影響，進(jìn)而調(diào)節(jié)激光器的波長(zhǎng)予以消除，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳(“Binxin Hu, Tongyu Liu, et al.Distributedfiber optic micro-seismic monitoring system for coal mines[C].Proc.0f SPIE,Vol.8924, 89242F, 2013”)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光纖光柵泥石流地聲傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈敏度高、抗溫度影響、布置簡(jiǎn)單、可多點(diǎn)復(fù)用、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
一種光纖光柵泥石流地聲傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源、第一光環(huán)行器、第一傳輸光纖、光功率分配器、第二光環(huán)行器、第二傳輸光纖，寬帶光源與第一光環(huán)行器的第一端口連接，第一光環(huán)行器的第二端口與第一傳輸光纖連接，第一光環(huán)行器的第三端口連接光功率分配器的輸入端口 ；光功率分配器的第一輸出端口與第二光環(huán)行器的第一端口連接，第二光環(huán)行器的第二端口與第二傳輸光纖連接，第二光環(huán)行器的第三端口與光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置連接，光功率分配器的第二輸出端口與光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置連接。所述第一傳輸光纖、第二傳輸光纖分別與傳感探頭連接。所述傳感探頭懸空封裝一個(gè)波長(zhǎng)取樣光柵、一個(gè)傳感光柵。
[0008]所述傳感探頭的個(gè)數(shù)還可以采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，多個(gè)傳感探頭通過(guò)第一傳輸光纖、第二傳輸光纖串接。
[0009]所述光功率分配器的第一輸出端口、第二輸出端口的功率比為2:1。
[0010]所述波長(zhǎng)取樣光柵的峰值波長(zhǎng)位于傳感光柵靜態(tài)反射譜的半功率點(diǎn)。
[0011]所述傳感光柵與懸臂梁式的機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，懸臂梁式的機(jī)械結(jié)構(gòu)感測(cè)外界加速度的變化，從而引起光柵的拉伸應(yīng)變變化。
[0012]所述波長(zhǎng)取樣光柵用于從寬帶光源中選擇反射特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，并感測(cè)探頭內(nèi)部環(huán)境溫度的變化而變化。
[0013]所述波長(zhǎng)取樣光柵、傳感光柵具有相同的溫度敏感系數(shù)。
[0014]所述光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置對(duì)兩輸入端口的參考光(來(lái)自光功率分配器)和信號(hào)光(來(lái)自傳感光柵)分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并放大，再對(duì)兩路電信號(hào)進(jìn)行差分。由于傳感光柵靜態(tài)時(shí)反射的信號(hào)光與參考光強(qiáng)度相當(dāng)，差分后輸出電信號(hào)強(qiáng)度為零。而當(dāng)傳感光柵受加速度作用，反射光信號(hào)強(qiáng)度隨加速度大小變化時(shí)，差分后輸出電信號(hào)強(qiáng)度將直接反應(yīng)加速度的大小及頻率特征。此外，光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置還可以很好抑制光源及傳輸光纖引起的功率波動(dòng)。例如，當(dāng)光源長(zhǎng)期工作，輸出功率下降后，參考信號(hào)和傳感信號(hào)都會(huì)出現(xiàn)等比例下降，通過(guò)差分方法能很好地消除因光源的影響。
[0015]對(duì)于多個(gè)不同波長(zhǎng)的傳感探頭通過(guò)WDM后的信號(hào)，需要在光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置中增加對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的WDM解復(fù)用器(或者帶通濾波器)，然后單傳感器解調(diào)的方法分別進(jìn)行各通道波長(zhǎng)傳感器的解調(diào)。
[0016]—種光纖光柵泥石流地聲傳感方法，寬帶光源發(fā)出的連續(xù)光功率信號(hào)，進(jìn)入第一光環(huán)行器，通過(guò)第一光環(huán)行器的第二端口進(jìn)入波長(zhǎng)取樣光柵陣列，波長(zhǎng)取樣光柵對(duì)寬帶光源信號(hào)進(jìn)行反射，形成各種特定波長(zhǎng)的反射譜，再經(jīng)過(guò)光功率分配器分成兩路:一路作為參考信號(hào)直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，另一路經(jīng)第二光環(huán)行器進(jìn)入傳感光柵陣列。
[0017]當(dāng)傳感探頭處于靜態(tài)時(shí)，匹配波長(zhǎng)的入射光信號(hào)被傳感光柵反射，由于入射光處于傳感光柵光譜的半功率點(diǎn)，反射光強(qiáng)信號(hào)約為入射光強(qiáng)信號(hào)功率的一半；
當(dāng)傳感探頭受加速度影響后，傳感光柵的光譜發(fā)生偏移，邊坡反射點(diǎn)的位置發(fā)生變化，反射的光功率隨之波動(dòng)，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再與參考信號(hào)進(jìn)行差分，即可獲得與加速度變化相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定電信號(hào)，再采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，提取加速度相關(guān)的頻率和幅度信號(hào)。
[0018]—種懸臂梁傳感探頭，包括不銹鋼殼體、波長(zhǎng)取樣光柵、傳感光柵、彈簧片、質(zhì)量塊。彈簧片一端與質(zhì)量塊配合安裝后采用激光焊接，另一端與殼體內(nèi)配合安裝后采用激光焊接。傳感光柵一端膠結(jié)在不銹鋼殼體的引入處，另一端膠結(jié)在質(zhì)量塊的過(guò)渡圓弧處。波長(zhǎng)取樣光柵一端膠結(jié)不銹鋼殼體的引入處，另一端可以膠結(jié)在不銹鋼殼體的內(nèi)壁上。探頭工作時(shí)，泥石流等地聲振動(dòng)通過(guò)不銹鋼殼體傳遞到質(zhì)量塊上，質(zhì)量塊受加速度變化的影響在垂直方向產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致傳感光柵的應(yīng)力變化，使光柵反射譜的邊坡位置發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的反射率發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)的變化，可以提取振動(dòng)的相關(guān)信息；波長(zhǎng)取樣光柵空懸在不銹鋼殼體中，用于感測(cè)不銹鋼殼體內(nèi)環(huán)境溫度的變化，平衡因?yàn)闇囟扔绊憣?dǎo)致傳感光柵8邊坡變化引起的誤差，提升探頭的穩(wěn)定性和適用范圍。
[0019]本發(fā)明一種光纖光柵泥石流地聲傳感系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)在于:
1)、采用具有相同溫漂系數(shù)的波長(zhǎng)取樣光柵和傳感光柵同腔封裝，通過(guò)光學(xué)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ郎囟葘?duì)傳感探頭的影響，保證傳感系統(tǒng)具有高靈敏度的同時(shí)，能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；
2)、采用波長(zhǎng)取樣光柵從寬帶光源中分離信號(hào)，降低對(duì)光源的要求，簡(jiǎn)化系統(tǒng)成本；
3)、傳感探頭可以工作在不同的波長(zhǎng)，易于多波長(zhǎng)復(fù)用，構(gòu)成多探頭串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0020]4)、針對(duì)泥石流地聲的特性和復(fù)雜實(shí)用環(huán)境，對(duì)光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)泥石流地聲的無(wú)源、多點(diǎn)、高靈敏度監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明一種光纖光柵泥石流地聲傳感系統(tǒng)的原理圖；
圖中:1一寬帶光源，2—第一光環(huán)行器，3—第一傳輸光纖3，4一傳感探頭，5—光功率分配器，6一第二光環(huán)行器，7一第二傳輸光纖，8一波長(zhǎng)取樣光柵，9一傳感光柵，10一光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置。
[0022]圖2為本發(fā)明的懸臂梁傳感探頭的一種具體結(jié)構(gòu)圖:
圖中:8—波長(zhǎng)取樣光柵，9一傳感光柵，11一不銹鋼殼體，12一彈簧片，13一質(zhì)量塊。
[0023]圖3光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置的一種實(shí)現(xiàn)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
如圖1所示，一種光纖光柵泥石流地聲傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源1、第一光環(huán)行器2、第一傳輸光纖3、光功率分配器5、第二光環(huán)行器6、第二傳輸光纖7，寬帶光源I與第一光環(huán)行器2的第一端口連接，第一光環(huán)行器2的第二端口與第一傳輸光纖3連接，第一光環(huán)行器2的第三端口連接光功率分配器5的輸入端口。光功率分配器5的第一輸出端口與第二光環(huán)行器6的第一端口連接，第二光環(huán)行器6的第二端口與第二傳輸光纖7連接，第二光環(huán)行器6的第三端口與光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置10連接，光功率分配器5的第二輸出端口與光強(qiáng)度差分解調(diào)裝置10連接。所述第一傳輸光纖3、第二傳輸光纖7分別與傳感探頭4連接。
[0025]所述傳感探頭4懸空封裝一個(gè)波長(zhǎng)取樣光柵9、一個(gè)傳感光柵8。
[0026]所述傳感探頭4的個(gè)數(shù)還可以采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，多個(gè)傳感探頭4通過(guò)第一傳輸光纖3、第二傳輸光纖7串接。
[0027]所述光功率分配器5的第一輸出端口、第二輸出端口的功率比為2:1。第一輸出端口的光功率經(jīng)過(guò)傳感光柵8的半功率點(diǎn)反射后，可以獲得與第二輸出端口的參考信號(hào)光相同的強(qiáng)度，從而方便進(jìn)行差分處理。
[0028]所述波長(zhǎng)取樣光柵9的峰值波長(zhǎng)位于傳感光柵8靜態(tài)反射譜的半功率點(diǎn)。光柵半功率點(diǎn)的光譜具有較好的線性，且可以使傳感系統(tǒng)具備最大的動(dòng)