基于光纤光栅的精密地震形变传感器研制

This project is based on FBG (Fiber Bragg Grating) and devotes to devising a high accuracy deformation sensors which are able to reach the specification of earthquake precursor observation. FBG can reflect physical variation by measuring the shift of Bragg wavelength. Compared with electronic sensors, FBG sensors have many advantages such as, more stable, longer servicing life, electric insulation，immunity of electromagnetism and etc.. However, constricted by the low sensitivity of FBG, the accuracy of FBG sensor can't satisfy the specification of earthquake precursor observation. How to enhance the sensitivity of FBG is the main task of this project. This project contains three aspects:1. Producing a high accuracy deformation sensor whose sensitivity is enhanced by a mechanical device and carrying on a series of experiments to test the sensor; 2. Improving the software of fiber bragg grating demodulator and adding temperature compensation function to the software and improving the stability of high accuracy sensor; 3. Based on the result of preliminary research, studying the feasibility of system of earthquake precursor integrated observation base on FBG. The preliminary research of the project has been developed progressively and some useful results have been get, a further research is expected to make high accuracy deformation sensor applicable.

该项目以光纤光栅传感器作为敏感元件，研究能够满足地震前兆观测规范要求的高精度形变测量传感器。光纤光栅是基于波长变化反映被测量变化，并且具有电学类传感器无法比拟的优点，如长期稳定好，使用寿命长，电绝缘，抗电磁干扰等，这些优点正是地震前兆观测技术系统所追求的目标。但由于光纤光栅传感器受其本身灵敏度限制，又无法直接满足地震前兆观测的技术规范要求，如何研制出既保持光纤光栅的优点又能够满足地震形变观测技术指标要求的测量系统是本项目的主要目标。项目主要研究内容：（1）通过机械结构增敏来提高光纤光栅传感器的灵敏度系数，进行精密地震形变传感器的研究与实验；（2）改进完善光纤光栅解调仪的处理软件和温度补偿功能，进一步提高系统稳定性；（3）结合前一个项目研究成果探索研究基于光纤光栅传感器的地震前兆综合观测系统的可行性。该项目已进行了前期研究并取得可喜进展，进一步深入研究，有望取得实用性。

地应力的变化会导致地表形变、断层断裂、地震和相关地质灾害。目前，通过对钻孔内应力应变状态的观测是我们认识地球内部物理变化过程和了解地质灾害机制的重要途径之一。通过高精度的钻孔应变仪获取地层内部地应变的观测数据，不仅有助于了解地应力场的变化和太阳及月球的固体潮的信息，而且对地震观测与预报、地球弹性与地球自由振动等地球物理研究中发挥着重要的作用。. 当前用于地应力监测的观测仪器大多使用电学量传感器，这些仪器虽然精度高，技术成熟，但是传感器本身存在有抗电磁干扰能力弱，容易遭受雷击损害，工作寿命短等比较难克服的缺点。相对传统电子传感器的弊端，近些年新兴起来的FBG（光纤光栅传感器）体现出了巨大的优势。光纤光栅具有电绝缘性好，抗电磁干扰能力强，工作寿命长，结构轻便，容易分布式测量等优点，这些优点能很好的弥补传统电学传感器的不足。. 设计了一种基于光纤布拉格光栅的钻孔应变传感器。结合光纤光栅的传感原理，通过有限元分析，构建出曲边三角形的传感应变结构，并根据其传感特点进行相应的封装。使用参考光栅法解决了光栅对温度和应变同时敏感的问题。建立了一个微应变测试平台以便模拟传感器在钻孔中的环境。通过该平台测试了传感器的可行性，实验结果表明，其灵敏度为9.2209pm/με，且具有较大的增敏空间。并在深度为70米的钻孔中进行实验观测测试，数据记录良好，可清楚地记录到固体潮变化。在记录应变的同时，还可记录同层的温度变化，为解决电学量钻孔应变传感器的技术瓶颈问题提供了保障，可在地震行业进行推广应用。