微地震中光纤光栅加速度传感器研究

作     者：陈依柳 

作者单位：防灾科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：洪利;滕云田

授予年度：2021年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：微地震 光纤光栅 加速度传感器 柔性铰链 弹性板 

摘      要：随着人们对地质地矿领域的深入研究,微地震监测技术已经成为鉴定评估岩石宏观损伤、破裂程度的重要手段,其结果不但成为了核废料处理、大坝等危险性结构预防的关键依据,同时也是研究冲击地压、矿井突水等矿山动力灾害预测预报技术的重要支撑。加速度传感器作为微地震监测技术中的关键器件,其性能决定了是否能对频率覆盖大、能量弱、持续时间短的微地震信号进行有效监测。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）加速度传感器具有抗磁抗爆、灵敏度高和易于长期监测等优点,在中高频微地震加速度信号的测量中具有独特优势。然而,国内外学者对低频FBG加速度传感器研究较多,对中高频加速度传感器的研究较低频领域仍有不足,同时现有中高频FBG加速度传感器中存在测量频带窄、灵敏度较低、抗干扰能力差等问题严重影响了监测结果的质量。为提高中高频FBG加速度传感器的性能指标,本文进行了铰链式FBG加速度传感器的研究,内容主要包括以下几个方面:（1）阐述了微地震监测技术应用场景和特点,对国内外光纤传感技术和FBG不同类型加速度传感器进行综述,研究了FBG传感原理和FBG应变、温度传感模型,对FBG加速度传感器的振动特性进行分析并总结了现有FBG加速度传感器的封装方法。（2）研究并设计了基于L型支架结构和基于对称式铰链结构的FBG加速度传感器,通过转矩平衡和动力学方程推导传感器性能指标公式,使用MATLAB得到传感器结构参数对谐振频率与灵敏度的影响曲线以选定传感器尺寸参数,最后采用ANSYS有限元仿真对理论模型进行验证。（3）构建了FBG加速度传感器振动实验系统,对研制两种传感器进行实验性能特性测试。结果表明,基于L型支架结构的铰链式加速度传感器在50-1000 Hz响应线性度较好,灵敏度为18 pm/g,横向扰动为8.87%。基于对称结构的铰链式加速度传感器在50-900 Hz响应线性度较好,灵敏度为18.92 pm/g,横向扰动为9.05%。（4）针对研制铰链式传感器抗横向干扰能力不足的问题,提出了一种基于双弹性板的铰链式加速度传感器。推导传感器力学模型并对其进行模态仿真分析,研制传感器并在振动实验系统中进行性能实验测试。结果表明,基于弹性板的铰链式加速度传感器在50-700 Hz响应线性度较好,其灵敏度为19.7 pm/g,横向扰动为5.15%。