张文涛,黄稳柱,罗英波,李 丽,刘文义,李 芳(.中国科学院半导体研究所,光电系统实验室,北京 0008;.中国地震局地球物理研究所,北京 0008;.中国地震局第二监测中心,西安 70054)



高精度光纤光栅地震计*

张文涛1*,黄稳柱1,罗英波1,李 丽2,刘文义3,李 芳1
(1.中国科学院半导体研究所,光电系统实验室,北京 100083;2.中国地震局地球物理研究所,北京 100081;3.中国地震局第二监测中心,西安 710054)

光纤地震观测仪器具有传感器无源、抗电磁干扰性强、深井观测耐高温高压、抗雷击等优点,可为地震观测提供一种新的技术手段。光纤地震计的敏感元件采用相移光栅代替传统的光纤光栅,相比于传统的光纤光栅,其光谱线宽要窄4个数量级,可以获得了更高的反射光谱信噪比和更高的波长解调精度。对于相移光栅式光纤地震计,其反射光谱波长与所测的地震波具有良好的线性关系,只需要解调出相移光栅的波长漂移信号就可以推算得到地震波信息。采用该技术,可以实现精度在ng级、测量频带DC～50 Hz的震动信号测量。2015年4月-6月,在云南省昭通防震减灾局的协助和配合下,于昭通市巧家地震观测站进行了光纤地震计试验。可清晰记录临近发生的地震信号。

光纤光栅;地震计;地震观测

地震的监测和预警对于减少震后的财产损失和人员伤亡具有重要意义,对地震检波器在性能和环境适应性方面提出了越来越高的要求[1-3]。地震计作为地震监测系统的最前端,其性能直接关系到整个地震台网的可靠性,有着重要的作用。

地震仪已经从事件响应、模拟记录发展到目前广泛应用的数字记录地震仪。采用数字化技术的电学地震仪的频带不断变宽、动态范围也在不断增大,并向网络化、小型化、低功耗等方向发展[4]。传统的地震检波器/地震计在应用中暴露出一些有待改进之处,新型的地震计不断出现[5]。

光纤传感是利用光纤进行传感和传输的技术,在野外恶劣环境中使用具有许多独特的优势。近年来,光纤检波器/光纤地震计作为地震波探测的一种技术手段得到了越来越多的重视和研究。近10多年来,已经有多种类型的光纤传感器用于地震波探测的报道,并且取得了一定的研究成果和实际应用[6]。其中,光纤光栅(FBG)传感器利用FBG对温度和应变的敏感特性而引起其反射波长的变化来对物理量进行测量的[7-8],其一大优势就是被测量用波长这种绝对量编码,不易受外部因素干扰,因而稳定性和可靠性极好。同时,由于单路光纤上可以制作多个光纤光栅传感器,特别适合组建传感网络。在目前已有报道的光纤光栅地震计中,主要是用于地震波频段较高的人工地震波探测[6,9]。对于天然地震观测,光纤地震计面临的主要问题是设计高灵敏度的探头和提高解调系统的精度[10]。

本文借鉴传统的摆式地震计原理,利用有限元辅助设计,研制出了基于光纤光栅的高精度地震计,具有精度高、可组网、耐潮湿、抗电磁干扰的优点,可用于环境恶劣的野外地震台站观测。

1 光纤光栅地震计原理

光纤光栅地震计是利用光栅的波长调制原理,即利用外界的微扰振动来改变光栅的周期。光纤光栅输出的中心波长的变化与光栅周期的关系,如下式[11]。

ΔλB=2neffΔΛ

式中:ΔλB为光纤布拉格光栅波长的改变量;ΔΛ为光纤布拉格光栅的周期;neff为光纤光栅栅区的有效折射率。

通过体光栅、边带滤波器、扫描光谱、相位产生载波等多种解调算法检测出波长的变化从而测量光纤光栅传感器的输出量[12]。

本文设计的短周期(20 s-20 Hz)光纤光栅地震计结构如图1所示。

图1 光纤光栅地震计结构示意图

质量块固定于两个弹性膜片之间,作为惯性元件,相当于传统地震计的摆。光栅光栅的一端固定在质量块上,一端固定于传感器壳体。在地震波的作用下,质量块相对于壳体产生位移,带动光纤光栅产生应变,使光纤光栅的输出波长发生变化。对于一个二阶弹簧-质量块-阻尼系统的动态加速度灵敏度可表示为:

(1)

弹性膜片设计为等强度梁,其弹性系数公式:

(2)

式中:E为梁的杨氏模量、b为固定端梁宽,l为梁长,h为梁厚度。

光纤光栅的弹性系数:

(3)

式中:Ef光纤的杨氏模量、A光纤的截面积,L光纤光栅的固定距离。

由式(3)得光纤光栅地震计的加速度-位移灵敏度:

(4)

光纤光栅中心波长漂移量满足

(5)

式中:λB为光纤光栅的初始中心波长,pe为弹光系数。

则结合式(5)得光纤光栅地震计灵敏度公式:

(6)

光纤光栅地震计谐振频率:

(7)

当f=1Hz时,根据式(7)计算得到理论灵敏度为:Ma=330pm/gn。

计算得到理论光纤光栅地震计的谐振频率f0=22.1Hz。

2 光纤光栅地震计仿真分析

为了更好地设计地震计的参数,优化地震计的性能,我们采用有限元软件Abaqus进行地震计的模拟装配和仿真分析。提取出光纤光栅地震计的弹性元件、惯性元件和敏感元件光纤光栅如图2所示。

将水平向加速度计的理论模型导入Abaqus有限元分析软件中,分别定义膜片、质量块、光纤及光纤固定件材料,并赋予各自的截面属性。之后对模型定义相应的分析步,分析步为两步,第1步对光纤施加一定的拉力,这是在光纤地震计封装过程中不可避免的,第2步在施加拉力的作用下计算其位移频响曲线,以及相应的位移场变量输出。

对质量块施加加速度荷载,对膜片及光纤一端施加边界荷载固定,效果图如图3所示。

图2 光纤光栅地震计弹性元件和惯性元件示意图

图3 施加荷载效果图

对膜片进行撒种及网格划分,得到地震计在加速度响应下轴向灵敏度分析结果。相应频点所对应位移云图如图4所示。

图4 光纤光栅地震计0.005 Hz响应位移云图

通过有限元软件模拟计算可得光纤光栅地震计加速度轴向灵敏度。加速度轴向灵敏度Ma可由下式计算得到:

选择适当的设计参数,其中L=236mm,ΔL=0.067 9mm,λB=1550nm,Pe=0.22。

计算可得光纤光栅地震计灵敏度

Ma=347.8pm/gn

把0.005Hz～50Hz频率所对应的位移数据,从Abaqus软件中导出,可得到频响曲线如图5所示。

图5 矩形双膜片在加速度作用下的仿真结果

仿真分析得到的光纤光栅地震计灵敏度与理论计算的进行对比,如表1所示。

表1 灵敏度数据对比(@1 Hz)

从表1可以看出,所设计的光纤光栅地震计具有很高的波长灵敏度。仿真分析的结果与理论计算比较一致。在低频段(小于5 Hz)可以作为位移型的地震计使用。

3 地震观测实验

为了验证光纤光栅地震计的实用性,在云南省昭通市进行了地震观测实验。将光纤光栅地震计放于观测台站的墩台之上(图6)。通过高精度的光纤光栅信号解调设备(分辨率0.001 pm,采样率100 Hz)检测光纤光栅地震计的输出信号。

图6 放置于墩台上的三分量光纤光栅地震计

在2个月的连续观测时间内,记录到了昭通地区发生的多起地震事件,并且与中国地震台网公布的数据吻合。其中之一的地震事件记录如图7所示。

图7 2016年2月29日15:39巧家1.8级地震记录

由图7可见,光纤光栅地震计的北南、东西、垂直3个分量记录的地震信号清晰可见,P波、S波初至明显。P波到时、P-S时差均与附近台站的电学地震设备记录信号一致。在观测实验中同时发现,光纤光栅地震计的本底噪声较低,能够清晰记录里氏2级以下的弱震信号。

4 结论

本文设计了高精度光纤光栅地震计,给出了理论分析及有限元仿真分析结果。通过对比可以看出理论计算结果与有限元模拟计算结果较为接近,该地震计可作为短周期位移型地震计使用。在0.005 Hz～10 Hz的设计频带范围内,具有较高的灵敏度,满足低频地震波信号的探测需求。在地震台的观测实验表明,改地震计能够清晰地捕捉到附近发生的小规模地震事件,有望成为与现有技术互补的新型地震观测手段。

致谢

感谢云南省地震局、天津市地震局、昭通市防震减灾局对地震观测实验的大力支持。

感谢中国地震局地球物理研究所郑重、杨大克、袁松湧老师在仪器研制和安装过程中的有益讨论。

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张文涛(1980-),男,博士,中国科学院半导体研究所研究员,中国科学院青年创新促进会会员,“卢嘉锡青年人才奖”获得者,主要研究方向为光纤传感器、光纤光栅、光纤激光器,以及光纤传感器在土木工程、 油气勘探、地球物理领域的应用,zhangwt@semi.ac.cn。

High Resolution Fiber Optic Seismometer*

ZHANG Wentao1*,HUANG Wenzhu1,LUO Yingbo1,LIU Wenyi2,LI Li3,LI Fang1
(1.Optoelectronic System Laboratory,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China;2.Second Monitoring Center,China Earthquake Administration,Xi’an 710054,China;3.Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)

Fiber optic sensor based earthquake monitoring instruments have some advantages such as passive monitoring,immunity to EMI,reliability in high temperature and pressure environment,immunity to lightening,which can provide a new approach to earthquake observation. We propose a high resolution fiber optic seismometer based on phase-shift fiber Bragg grating(π-FBG). Compared with conventional FBG,the π-FBG has a narrower linewidth by four orders of magnitude,which result in lower noise level and higher resolution. The reflective wavelength of the π-FBG is linear to the magnitude of earthquake wave and we can demodulate the earthquake information by demodulating the wavelength shift of π-FBG. A resolution of ng within bandwidth of DC-50 Hz is achieved. In April 2015,the fiber optic seismometer is installed in Zhaotong city,Yunnan Province. The earthquake events were well recorded.

fiber Bragg grating;seismometer;earthquake monitoring

项目来源:国家“863”计划项目(2014AA093406);中国科学院青年创新促进会项目(2016106)

2016-09-19 修改日期:2016-10-13

P315.8

A

1004-1699(2017)04-0491-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.001