一种推挽式结构芯轴式地震仪的设计与制作

吕念 王倚天 尚润泽 苏晓琴

摘要：光纤传感器由于性能优良，近年来一直被作为研究的热点。因此，我们利用课堂上所学习的知识以及查阅到的课外知识，设计了一种具有推挽式结构的芯轴式地震仪，并完成了基本装置的制作，对其灵敏度进行了分析。

关键词：光纤传感器;地震仪;灵敏度分析

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）50-0078-02

光纤传感器是一种依赖于光纤的新型传感器，产生于20世纪70年代。随着现代光纤应用的逐渐普及和光纤通信技术的进步，对其研究也得到了长足发展。相较于众多传统地震传感器，光纤传感器具有许多优点，如较高的灵敏度、宽频带范围、良好的抗干扰能力等，这些特性使其在地震信号的采集工作中具有较大优势。按传感原理，光纤检波器的种类可以分为：光纤光栅型、干涉型、强度调制型、激光型与分布型等。最终我们选择了与课堂知识最为紧密的干涉型光纤传感器，这种传感器的原理与我们在大学物理当中所学到的迈克尔逊干涉仪的原理类似，易于我们理解和进行创新改进。

一、原理与结构

由于我们所学习的大多是书本上的理论知识，关于实际当中的地震传感器的了解甚少，因此我们查阅了大量关于干涉地震仪的文献并最终选择了具有推挽式结构的光纤式地震仪。通过查阅到的文献我们了解到，推挽式结构的优点在于如果外界环境对相位产生了影响，由于质量块两侧出现误差的相位变化在干涉过程中相抵消，从而可以有效避免外界环境变化对整个传感器稳定性的影响。另外，为了在实际应用中获得较高的灵敏度，要求材料具有较小的杨氏模量，所以采用顺变柱体作为力顺体，将轴向的振动转变为其轴向和径向的形变，从而使得缠绕在柱体上的光纤长度发生改变，进一步在干涉过程中产生相位差，最终我们初步设计出的地震传感器如下图所示。

从下图中我们可以看到，传感器由两个顺变柱体和一个质量块组成，每一个柱体上均紧密地缠绕着光纤，模型中的质量由顺变柱体和金属质量块共同的等效质量提供。这种双臂式的结构相较于单臂结构拥有了双倍的灵敏度，由激光发射器发出的光通过耦合器分成两束相位相等的激光分别射入绕于质量块两端顺变柱体上的光纤中，光纤的末端连有法拉第旋镜，目的是为了消除偏振不稳定的影响，以保证入射光与反射光之间不存在相位的变化。

缠绕着光纤的顺变柱体分别作为迈克耳逊干涉仪的两臂，形成互补推挽输出。由于环境因素引起的相位变化可以在两臂内相抵消，可以有效避免环境中的不稳定因素对系统的影响。同时，迈克耳逊干涉仪结构使传感器的灵敏度水平得到了提高，传感器中相位的变化信号相较于单臂结构能够双倍输出。由于两侧顺变柱体具有相同的属性，光纤长度的变化只会随着传感器纵向发生的振动而改变，横向上的振动只能使顺变柱体发生微小的形变，因此顺变柱体有很高的横向抑制性。

总的来说，传感器的原理是将轴向的振动转变为其轴向和径向的形变，从而使得缠绕在柱体上的光纤长度发生改变，进一步在干涉过程中产生相位差。

二、灵敏度特性分析

在完成地震仪的设计之后，实际上我们遇到的最大的困难出现在仪器的力学结构的分析和灵敏度分析当中。首先是被分析对象的复杂性：与力顺体缠绕在一起的光纤导致了对其进行力学分析的困难。另外，仅使用大学物理当中的知识不足以完成我们所需要的准确分析，还需要借助弹性力学、材料力学等我们未接触过的力学知识。

为了解决第一个困难，我们将与力顺体缠绕在一起的光纤连同力顺体一起，作为一个等效的整体，并利用等效位移法求出了他们的力学特性参数。求解得到绕有光纤的弹性柱体的等效杨氏模量E′、弹性系数K′和泊松比μ′分别为：

对前文当中建立的等效模型，只要把力顺体的切向形变分析计算出来，则光纤的形变就可求出，为此我们先把力顺体分离出来作为研究对象，分析它在轴向受到力F=ma作用时的形变。

当传感器工作在远低于基模本征频率时，它的振动特性处于弹性控制状态，因此可以近似用弹性静力学的方法来研究它的特性。根据弹性静力学的知识，按应力求解时，应力分量应同时满足平衡方程、相容条件及边界条件。圆柱力顺体的振动方程为：

三、小结

在实际应用中，一般要求传感器具有较高的灵敏度和较宽的工作频带，根据式（11）分析得到。在芯轴式光纤加速度传感器中，这两者互相制约，提高灵敏度将降低谐振频率，因而限制了工作频带。同理，拓宽工作频带需要以牺牲灵敏度为代价。另外，对于芯轴式推挽结构，其几何尺寸、重物块质量是系统性能的关键技术参数，它决定了系统的体积和重量。在实际系統中，需根据实际的应用要求进行各种参数的优化设计。

在仪器设计过程中，我们遇到了许多困难，例如传感器的结构选择、力学性质的分析等，最后均是通过查阅了大量的文献经过比较做出的选择，因此此次的仪器设计过程告诉我们，在进行实际的科学研究时，首先需要查阅大量的资料，对于该研究领域有一定的了解，包括最常见的研究方法以及他们的优缺点、国内外的研究现状等。

此外，在实际的分析过程当中，需要全面考虑，不能够想当然，例如将力顺体和光纤圈作为一个整体考虑时，光纤的刚度是不可忽略的，否则将造成较大的误差。由于光纤的杨氏模量远比有机玻璃一类的材料高，因此即使光线圈很薄，也会对力顺体的变形产生明显的作用。从中我们学到，进行科学研究需要有严谨和实事求是的精神，如此才能离真相更进一步。

参考文献：

[1]高文智，陈建冬，葛兆斌，孙韦，付群健，郎金鹏，常天英，崔洪亮.光纤干涉式振动传感器中顺变柱体刚度系数的计算方法[J].中国激光，2017，44（03）.

[2]黄亚.应变式光纤珐珀压力传感器的研究[D].电子科技大学，2015.