[发明专利]一种光纤光栅地声传感探头及传感系统

说明书

本发明提供了一种光纤光栅地声传感探头，包括光纤，啁啾弱光栅，弹簧，质量块，啁啾弱光栅，筒体，弹簧一端与质量块连接，另一端与所述的筒体连接；光纤一端与质量块胶结，另一端与筒体胶结。两个啁啾光栅具有相同反射谱、反射率低于1％的低反射率光栅，并布置在应变传感工作区外，以避免光栅本身受应力影响。本发明还公开了一种基于所述地声传感探头的传感系统，该系统可实现多探头的大规模复用。所发明的传感探头结构简单、灵敏度高，基于该探头构建的时分复用传感系统，可根据具体的应用场景灵活配置传感器的数量和灵敏度，实现大规模、广域的传感监测，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种光纤光栅地声传感探头及传感系统。

背景技术

泥石流地声是指泥石流在流动过程中，夹杂的颗粒物会与沿途山体发生碰撞，产生具有特定频率的振动，这种振动沿沟岸岩石传播便产生泥石流地声。通过监测泥石流地声可以对泥石流的发生进行早期预警，最大限度地争取防灾减灾时间，有效降低灾害损失的程度。然而，相比较地震波的监测，泥石流产生的地声强度低，且在浅层地表的传播过程中衰落快，最大传播距离约100米，显著频率在100Hz左右。传统的电子振动传感器已经在泥石流地声监测中获得应用，但在布设和维护方面存在较大困难。光纤传感技术具有高灵敏度、易于多点复用、抗电磁干扰、无源远程监测等特性，在复杂环境的振动监测中倍受青睐。为了可靠监测泥石流地声信号，要求光纤传感器具有很高的灵敏度(可探测加速度小于0.1g)，固有频率高于250Hz左右。此外，由于大多数泥石流的源发地具有不确定性，为了准确预报和研究泥石流的爆发及演进规律，需要在可能爆发的区域大量布设传感器，这对传感器的复用数量、灵敏度、监测距离和实时性都提出了很高的要求。现有的“点式”光纤光栅传感器是将光纤光栅固定在机械结构上(如悬臂梁)，通过机械结构传导实现振动传感，其灵敏度可基本满足泥石流地声监测的要求，但很难进行大规模复用，不易在广域范围内进行布设；分布式光纤传感技术(如光纤布里渊传感器(BOTDA)、光纤拉曼传感器(DTS))能较好地满足大范围监测的要求，但检测的传感信号弱，需要通过大容量的数据处理提取信号，实时性不佳。

为了提升光纤振动传感器的灵敏度和复用能力，实现对泥石流地声的大范围、高可靠性监测，一些研究人员引入光纤水听计的传感方案(见“刘育梁,何俊等.光纤地震波探测的研究进展[J].激光与光电子学进展.2009,11:21～28.”)，采用DFB光纤激光技术将振动变化转换成波长的变化，再通过非平衡迈克尔逊干涉仪解调并放大这种波长变化，实现高灵敏度的地声传感，但该方案需要在有源光纤上刻写高反射率光栅，制备工艺复杂，可复用传感器的数量有限，且系统构建成本高，鲜有在民用领域应用的相关报道。其它光纤传感技术，诸如光纤光栅法布里-珀罗(FFP)干涉仪等，很难在光域内对传感信号进行放大，灵敏度改善十分有限，且系统复杂，实用性不强。因此，开发高灵敏度、强复用能力的新型地声传感器具有重要应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤光栅地声传感探头及系统，该装置结构简单、制作方便、灵敏度高、配置灵活等优点。

本发明采取的技术方案为：

一种光纤光栅地声传感探头，包括光纤、弹簧、质量块、筒体，筒体内设有弹簧、质量块，弹簧一端与质量块连接，弹簧另一端与筒体连接；光纤一端与质量块胶结，光纤另一端与筒体胶结。

所述光纤上刻写有第一啁啾光栅、第二啁啾光栅，所述第一啁啾光栅、第二啁啾光栅位于光纤胶结点附近，应变传感工作区外。

所述第一啁啾光栅、第二啁啾光栅具有相同的反射光谱特性，且反射率低于1％。

质量块顶部到筒体内部顶面之间的距离为L，改变所述质量块与所述筒体之间的距离L，可以改变传感探头的灵敏度。