三维光纤光栅微震加速度传感器研究.docx

三维光纤光栅微震加速度传感器研究艾纯明，孙振明，吴姗，张静远，杨云鹏（北京科技大学 土木与环境工程学院，北京；本溪大台沟矿业有限公司，辽宁 本溪市；国家图书馆，北京）摘 要：由矿震引发的灾害严重制约着矿产资源合理开发与利用。 为实现对矿山动力灾害活动规律的预警，将光纤光栅 加速度传感器引入微震监测。 基于传统的单维测量手段，设 计了一种三维加速度传感器，并通过理论计算得出该系统固 有频率为 ，工作频率为 和，灵敏度系数为 。 室内试验结果表明该传 感器达到了同时测量加速度三分量的目的。 采用 变换 将中心波长变化曲线转化成了频率强度曲线，可以同时测定 振动的加速度大小和方向。关键词：光纤光栅；加速度传感器；矿山微震：， 矿震为采矿诱发地震的简称，亦称之为矿山地震，属矿山动力学灾害，采矿业称之为“冲击地压”，是 我国矿山灾害中最主要的部分。引起矿山开采诱发 地震的主要是在一定构造环境下，由于应力集中引起 岩石破裂和应变能释放。 微破裂是冲击地压、突水、 煤与瓦斯突出等矿山动力灾害共性特征。 利用微 震监测系统，在发生微震活动的矿内布设传感器，可 探测微破裂所发射出的地震波，确定发生地震波的位 置，还可以给出地震活动性的强弱和频率。通过 微震监测判断潜在的矿山动力灾害活动规律，实现预 警、预报的目的。光纤光栅是 世纪 年代发展起来的一种新 型全光纤无源器件，可制成温度、应变、应力、加速度、 压强等传感器。光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、 结构简单、测量精度高等优点，航空航天业、船舶航运 业、电力工业、石油化学工业，以及核工业中均有成功 的应用实例，而且光纤光栅加速度传感器在矿山 微震监测中已经得到应用。 本文在传统的单维 加速度传感器的基础上，进行了三维传感器进行研 制，并对其性能进行了测试。中图分类号：文献标识码：文章编号：（）doi:10.13827/ki.kyyk.2014.06.019 ， ， ， ，（， ，； ，；，） ： ， ， ， ，光纤光栅加速度传感器设计光纤光栅加速度传感器的力学模型在发生外界振动时，光纤光栅加速度传感器发生 同步同频的振动。振动信号引起光纤光栅的布拉格 周期和折射率发生变化，从而使光栅中心波长的移 动。此时反射光带有振动信号的信息和光栅本身的 收稿日期：基金项目： 十二五 国家科技支撑计划课题（）；新世纪优秀人才支持计划资助项目（）作者简介：艾纯明（），男，吉林梅河口人，博士研究生，主要从事采矿工艺研究，：。艾纯明，等： 三维光纤光栅微震加速度传感器研究信息，除去在静止状态下的信息，可得到单纯外界振动信号的信息，达到检测外部振动的目的。其力学模 型见图。光纤 光栅 与 弹 簧 分别 被 简 化为弹性系数为 和 的弹簧。本模型是双向受力，且事先光纤 是预紧的，由牛顿第二定律 得：（）。 每 个 两端分别接在质 量块和外 部 壳体，分别给每个 一个预紧力，使六个光纤光栅具 有一定的间隔反射中心波长。当感应到振动时，质量块感知加速度使六个光纤 光栅产生应变，由此得到加速度在三个坐标轴上的 分量，从而确定振动的大小和方向。（） 式（）中： 光纤的杨氏弹性模量； 光纤的横截面积； 光纤的有效长度； 弹簧的弹性系 数； 质量块质量； 光纤的变形量，其中 。将 代入式（）中，可得： （） 图三维加速度传感器传感头原理对式（）两边做傅里叶变换可得：（） （） （），则敏感元件的频率响应和 设 自然频率为： （） （）（） （）（ ）图三维加速度传感器传感头加工光纤光栅加速度传感器的灵敏度分析光纤光栅加速度传感器的灵敏度是指检波器传 感头在静态输出变化对输入变化的比值，用 表示， （） 槡通过绘制 （） 图像并分析之可以得出检波器传感头的两个理想工作范围， 和 输出量的变化 ，由 式 （）可 得 即 输入量的变化 ，从而：。（） 由光纤光栅的应变应力特性公式有： （）图传感器力学模型 而 ，因此：光纤光栅加速度传感器设计方案为了能方便的检测矿震，有效的判断矿区压力变 化情况，判断矿区岩层破裂产生的位置、范围、强度等 信息，设计了单质量块的三维传感器方案。图和图分别为传感头原理图和加工（剖面）图。三维加速度传感器传感头中心为质量块，图中 为 反 射 中 心 波 长 不 同 的光纤布拉格光栅 （） 且：（） 式（）（）中： 光纤光栅具有最大反射率和最小透射率时所对应的入射光波长； 模式的有效矿 业 研 究 与 开 发，（）折射率； 光致折射率扰动的空间周期。系统的灵敏度 表示单位加速度上光纤光栅波 长的变化，将式（）和式（）联立可得：光纤光栅加速度传感器性能测试实验仪器检波器的测试检验使用的仪器为高速 传感 器解调仪，测量频率最高可达。该解调仪自带 光源，波长精度为，波长分辨率为。 （） 由式（）可知，检波器传感头的灵敏度系数与振子的质量成正比，振子的质量越大，系统灵敏度越高。试验结果本次检波器的性能测试采用室内试验模拟矿山 振动，检验其实际响应频率范围。 通过施加不同频 率的振动得出多组试验结果，取其中一组典型数据 进行分析，见图，其中检波器的每个方向的两根光 纤光栅各取一根。由图 可以看出，三个方向光栅的中心波长几 乎在同一时 刻 发 生 变 化，实 现 了 同 时 起 振、同 时 衰 减。 因为振动波加速度在每个方向上的分量各异， 所以三个方向的波长变化幅度不同。光纤光栅加速度传感器的参数确定根据光纤光栅加速度传感器的计方案，进行原 件制作，系统各参数如下： ； ； ； ； ； 。将上述参数 代 入 式 （）和 式（）中， 取 典 型 的 方向光纤光栅参数，得到系统固有 频率和灵 敏 度 系 数 分 别 为 ， ，相 应 的 工 作 频 率 为 和 。根据国内矿山微震监测结果可知，矿山微 震的频率主要集中在 之间，因此本次制 作的检波器传感头满足要求。数据处理由于 原 始 数 据 中 受 噪 声 影 响，因 此 用 软 件 的 方 法 对 数 据 进 行 变 换。 是离散傅立叶变换的快速算法，可以将信号变 换到频域。 对信号进行降噪处理后，绘制出三个方 向的频率强度曲线，见图。图中心波长随时间变化曲线图试验数据频率强度由图 的中的波形可以看出，、 三个方向上的振幅均在附近达到最大，说明振动的频艾纯明，等： 三维光纤光栅微震加速度传感器研究率约为 。 同时可知，该振动信号在 方向分量最大，在 方 向 变 化 幅 度 最 小，与 图 中 波 长 的 变化幅度一致。 根据各坐标轴振幅的大小，可通过 几何计算得出振动的大小和方向。董陇军，李夕兵，唐礼忠影响微震震源定位精度的主要因素分析科技导报，（）：刘晓辉，吴爱祥，王春来，等云南会泽铅锌矿微震监测系统 应用研究金属矿山，（）：于秀娟，余有龙，张敏，等光纤光栅传感器在航空航天复合材料结构健康监测中的应用激光杂志，（）：郭永兴，张东生，周祖德，等光纤布拉格光栅加速度传感器 研究进展激光与光电子学进展，（）：结论（）设计了 一 种 三 维 光 纤 光 栅 加 速 度 传 感 器，其固有 频 率 为 ，工 作 频 率 为 和 ，灵 敏 度 系 数 为 ， 在技术方面满足矿山微弱地震波检测要求。（）所设计的加速度传感器实现了三个方向同 时起振、衰减，达 到 了同时测量加速度三分量的目 的。 采用 变换进行数据处理，将中心波长变化 曲线转化成了频率强度曲线。参考文献：刘波，牛文成，杨亦飞，等新型光纤光栅加速度传感器的 设计与实现仪器仪表学报，（）：杨 光，黄俊斌，顾宏 灿，等光 纤 光 栅加速度传感器 研究进展舰船电子工程，（）：苏小杰，高艳 磊光 纤 传 感技术在黄金矿山中的应用研究 矿业研究与开发，（）： 徐国权，熊代余光纤光栅传感技术在工程中的应用中国光学，（）： 陆菜平，窦林名，吴兴荣，等岩体微震监测的频谱分析与信 号识别岩土工程学报，（）： 曹安业，窦林名，秦玉红，等高应力区微震监测信号特征分 析采矿与安全工程学报，（）：邹翔宇，徐翊峰，关博文，等基于无线传感器网络的矿震震 源定位煤矿安全，（）：和雪松，李世愚，潘 科，等矿山地震与瓦斯突出的相关性及其在震源物理研 究 中 的 意 义地 震 学 报，（）：櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂（上接第 页）理的不足。（）采空区和露天边坡之间存在着很大的相互 影响，采空区的存在极大的改变了空区周围和边坡 应力场分布，采空区的存在使得岩体的水平位移明 显增大，使得岩体的竖向位移增大，而岩体的回弹量 减少。（）采空区 的 存 在 还改变了塑性区的分布，对 于有地下采空区的露天开挖，塑性区随开挖的进行 逐渐减少，但坡面和塌陷区出现大量的拉伸塑性区， 不利于边坡稳定。参考文献：图无地下采空区第四步塑性区廖秋林，曾钱帮基于 平台复杂地质体 模型的自动 生 成 岩石力学与工程学报，（）：长沙矿山研究院湖南柿竹园岩石力学及稳定性报告 长沙：长沙矿山研究院，罗周全，吴亚斌，刘 晓 明，等基 于 的 复 杂 地 质 体 模型生成技术岩土