光纖應(yīng)變儀的研制與應(yīng)用前景

張文濤黃穩(wěn)柱李 麗

1）中國(guó)北京100083 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

2）中國(guó)北京100081 中國(guó)地震局地球物理研究所

光纖應(yīng)變儀是利用特種光纖光柵器件或者光纖干涉技術(shù)進(jìn)行高精度應(yīng)變傳感的儀器。常見特種光纖光柵有相移光柵和光纖光柵諧振腔，線寬均較窄，可達(dá)到0.01 pm量級(jí)甚至更窄，結(jié)合高精度解調(diào)方法，可顯著提高系統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量精度。

傳統(tǒng)的光纖光柵準(zhǔn)靜態(tài)解調(diào)，主要技術(shù)方案有光譜分析法、窄帶濾波器法、匹配光柵法等，可滿足大多數(shù)工程應(yīng)用需求。但高精度地應(yīng)變傳感需求更高，國(guó)際上諸多研究團(tuán)隊(duì)提出不同的解調(diào)方案，用以提高光纖光柵傳感系統(tǒng)的應(yīng)變分辨率。本研究采用窄線寬光纖激光掃描的解調(diào)方案，結(jié)合小波閾值降噪方法進(jìn)行信號(hào)處理。在該方案中，采用一個(gè)傳感光纖光柵諧振腔來(lái)感測(cè)地應(yīng)變信號(hào)，一個(gè)參考光纖光柵諧振腔來(lái)補(bǔ)償溫度影響，對(duì)2 路信號(hào)均采用小波降噪算法，經(jīng)測(cè)試，信噪比可提升12 dB 以上。

研制的第一代光纖應(yīng)變儀為短基線光纖應(yīng)變儀，應(yīng)變儀長(zhǎng)度為1 m，光纖諧振腔可根據(jù)需要定制，通過(guò)螺栓安裝在基巖之上，外面加保護(hù)套。光纖應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集器（解調(diào)儀）含光源、光電探測(cè)器、信號(hào)處理器、傳輸與顯示等模塊，集成于19 吋機(jī)箱中，通過(guò)網(wǎng)線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并接入GPS 信號(hào)。

在云南昭通巧家地震臺(tái)安裝短基線光纖應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)變觀測(cè)。經(jīng)4 年測(cè)試，應(yīng)變儀性能穩(wěn)定，與在同一臺(tái)站安裝的電學(xué)應(yīng)變儀的記錄對(duì)比發(fā)現(xiàn)，光纖應(yīng)變儀可記錄到清晰的固體潮和地震波信號(hào)。根據(jù)地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DB/T 31.2—2008 進(jìn)行測(cè)試，該應(yīng)變儀分辨率優(yōu)于10-10，同時(shí)具有較高的采樣率和穩(wěn)定性。結(jié)合光纖傳感器環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn)，如對(duì)電磁干擾不敏感、防雷擊、本質(zhì)安全等，光纖應(yīng)變儀作為一種發(fā)展中的新興的新型儀器，在觀測(cè)方法上，有望與現(xiàn)有儀器形成互補(bǔ)，具有較好的應(yīng)用前景。