引用本文:
林家锴,衣文索,陈刚,等. 基于双端MZ结构的干涉型光纤地震检波器设计[J]. 光通信技术,2021,45(8):39-41.
林家锴1,衣文索1*,陈 刚1,巩楠楠1,高新雨1
(长春理工大学 光电工程学院,长春 130022)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了解决传统地震仪抗电磁干扰能力弱、频率响应范围窄以及机电反馈结构体积大、成本高等问题,设计了一种双端马赫-曾德尔(MZ)结构的干涉型光纤地震检波器。利用液体硅胶将黄铜质量块与硅胶弹性体浇注形成一体推挽式结构,采用ANSYS软件对结构体进行参数化建模与集总参数有限元分析,确定结构体的固有频率和共振发生时的最大合成振幅,并由示波器采集不同频段的信号进行灵敏度测试实验。实验结果表明:该检波器在共振发生时的固有频率为106.77 Hz,与实验所测数值的相对误差为1.65%,验证了干涉型光纤地震检波器的优越潜能。
关键词:地震检波器;干涉型光纤;推挽式结构;有限元分析
中图分类号:TN247 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)08-0039-03
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.08.008
0 引言
传统电磁式地震检波器通常利用力平衡反馈式结构,在无电磁干扰的情况下可以有效地检测到地震波信号的幅度变化。我国国家数字地震台网采用了2种型号的地震仪:JCZ-1超宽频带地震计与CTS-1甚宽频带地震计。两者均具有很高的性能,但其用到的机电反馈结构体积大、成本高;采用电子元件作为敏感单元导致传统的地震仪易受电磁干扰噪声与环境噪声的影响,实际应用时存在系统信噪比低、响应慢、动态特性不理想以及需要长期连续供电等问题[1-3]。文献[4-5]提出的基于无源敏感单元的干涉型光纤地震检波器结合光纤干涉技术与信号解调技术,将地震波信号加速度幅度变化转化为光相位的变化进行解调,仅依靠干涉仪与推挽式结构的一体化封装使检波器的应用结构体积小、固有频率低,在低频地震波信号监测领域展现出良好的应用前景。文献[6]在此基础上采用适当的干涉型解调技术将信号加速度幅值变化转换为干涉光强的变化,再由信号调制电路转换为电压幅值的变化,并以此作为直接探测信号分析被测振动。但是,如何使所设计的结构体与光纤具有更好的耦合程度,从而提高其对低频信号的灵敏度响应,也是文献[4-6]这类电学检波器急需解决的问题。
针对电学检波器存在的机械结构体积大、抗环境噪声能力弱和传统光学检波器对低频信号响应不灵敏等问题,本文设计一种基于双端MZ结构的干涉型光纤地震检波器。
4 结束语
本文结合光纤MZ干涉仪传感原理、光/电转换技术以及对检波器结构体进行三维建模与有限元分析,设计并搭建了一套双端MZ地震波信号检波系统。有限元分析结果显示结构体在理论上的固有频率为106.77 Hz,与实验所测数值的相对误差为1.65%。将检波器与高精度加速度计一同放置在振动台进行测试,所测信号在0~140 Hz频率范围内具有769.85~14551.33 rad/g的灵敏度响应范围。理论与实验结果表明本文所设计的检波器不仅具有稳定的信号响应,而且在不同频区均具有较高的探测灵敏度,验证了干涉型光纤检波器在地震监测领域的性能优势。