一種推挽式結(jié)構(gòu)芯軸式地震儀的設(shè)計與制作

呂念 王倚天 尚潤澤 蘇曉琴

摘要：光纖傳感器由于性能優(yōu)良，近年來一直被作為研究的熱點(diǎn)。因此，我們利用課堂上所學(xué)習(xí)的知識以及查閱到的課外知識，設(shè)計了一種具有推挽式結(jié)構(gòu)的芯軸式地震儀，并完成了基本裝置的制作，對其靈敏度進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;地震儀;靈敏度分析

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）50-0078-02

光纖傳感器是一種依賴于光纖的新型傳感器，產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代。隨著現(xiàn)代光纖應(yīng)用的逐漸普及和光纖通信技術(shù)的進(jìn)步，對其研究也得到了長足發(fā)展。相較于眾多傳統(tǒng)地震傳感器，光纖傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，如較高的靈敏度、寬頻帶范圍、良好的抗干擾能力等，這些特性使其在地震信號的采集工作中具有較大優(yōu)勢。按傳感原理，光纖檢波器的種類可以分為：光纖光柵型、干涉型、強(qiáng)度調(diào)制型、激光型與分布型等。最終我們選擇了與課堂知識最為緊密的干涉型光纖傳感器，這種傳感器的原理與我們在大學(xué)物理當(dāng)中所學(xué)到的邁克爾遜干涉儀的原理類似，易于我們理解和進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

一、原理與結(jié)構(gòu)

由于我們所學(xué)習(xí)的大多是書本上的理論知識，關(guān)于實(shí)際當(dāng)中的地震傳感器的了解甚少，因此我們查閱了大量關(guān)于干涉地震儀的文獻(xiàn)并最終選擇了具有推挽式結(jié)構(gòu)的光纖式地震儀。通過查閱到的文獻(xiàn)我們了解到，推挽式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于如果外界環(huán)境對相位產(chǎn)生了影響，由于質(zhì)量塊兩側(cè)出現(xiàn)誤差的相位變化在干涉過程中相抵消，從而可以有效避免外界環(huán)境變化對整個傳感器穩(wěn)定性的影響。另外，為了在實(shí)際應(yīng)用中獲得較高的靈敏度，要求材料具有較小的楊氏模量，所以采用順變柱體作為力順體，將軸向的振動轉(zhuǎn)變?yōu)槠漭S向和徑向的形變，從而使得纏繞在柱體上的光纖長度發(fā)生改變，進(jìn)一步在干涉過程中產(chǎn)生相位差，最終我們初步設(shè)計出的地震傳感器如下圖所示。

從下圖中我們可以看到，傳感器由兩個順變柱體和一個質(zhì)量塊組成，每一個柱體上均緊密地纏繞著光纖，模型中的質(zhì)量由順變柱體和金屬質(zhì)量塊共同的等效質(zhì)量提供。這種雙臂式的結(jié)構(gòu)相較于單臂結(jié)構(gòu)擁有了雙倍的靈敏度，由激光發(fā)射器發(fā)出的光通過耦合器分成兩束相位相等的激光分別射入繞于質(zhì)量塊兩端順變柱體上的光纖中，光纖的末端連有法拉第旋鏡，目的是為了消除偏振不穩(wěn)定的影響，以保證入射光與反射光之間不存在相位的變化。

纏繞著光纖的順變柱體分別作為邁克耳遜干涉儀的兩臂，形成互補(bǔ)推挽輸出。由于環(huán)境因素引起的相位變化可以在兩臂內(nèi)相抵消，可以有效避免環(huán)境中的不穩(wěn)定因素對系統(tǒng)的影響。同時，邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)使傳感器的靈敏度水平得到了提高，傳感器中相位的變化信號相較于單臂結(jié)構(gòu)能夠雙倍輸出。由于兩側(cè)順變柱體具有相同的屬性，光纖長度的變化只會隨著傳感器縱向發(fā)生的振動而改變，橫向上的振動只能使順變柱體發(fā)生微小的形變，因此順變柱體有很高的橫向抑制性。

總的來說，傳感器的原理是將軸向的振動轉(zhuǎn)變?yōu)槠漭S向和徑向的形變，從而使得纏繞在柱體上的光纖長度發(fā)生改變，進(jìn)一步在干涉過程中產(chǎn)生相位差。

二、靈敏度特性分析

在完成地震儀的設(shè)計之后，實(shí)際上我們遇到的最大的困難出現(xiàn)在儀器的力學(xué)結(jié)構(gòu)的分析和靈敏度分析當(dāng)中。首先是被分析對象的復(fù)雜性：與力順體纏繞在一起的光纖導(dǎo)致了對其進(jìn)行力學(xué)分析的困難。另外，僅使用大學(xué)物理當(dāng)中的知識不足以完成我們所需要的準(zhǔn)確分析，還需要借助彈性力學(xué)、材料力學(xué)等我們未接觸過的力學(xué)知識。

為了解決第一個困難，我們將與力順體纏繞在一起的光纖連同力順體一起，作為一個等效的整體，并利用等效位移法求出了他們的力學(xué)特性參數(shù)。求解得到繞有光纖的彈性柱體的等效楊氏模量E′、彈性系數(shù)K′和泊松比μ′分別為：

對前文當(dāng)中建立的等效模型，只要把力順體的切向形變分析計算出來，則光纖的形變就可求出，為此我們先把力順體分離出來作為研究對象，分析它在軸向受到力F=ma作用時的形變。

當(dāng)傳感器工作在遠(yuǎn)低于基模本征頻率時，它的振動特性處于彈性控制狀態(tài)，因此可以近似用彈性靜力學(xué)的方法來研究它的特性。根據(jù)彈性靜力學(xué)的知識，按應(yīng)力求解時，應(yīng)力分量應(yīng)同時滿足平衡方程、相容條件及邊界條件。圓柱力順體的振動方程為：

三、小結(jié)

在實(shí)際應(yīng)用中，一般要求傳感器具有較高的靈敏度和較寬的工作頻帶，根據(jù)式（11）分析得到。在芯軸式光纖加速度傳感器中，這兩者互相制約，提高靈敏度將降低諧振頻率，因而限制了工作頻帶。同理，拓寬工作頻帶需要以犧牲靈敏度為代價。另外，對于芯軸式推挽結(jié)構(gòu)，其幾何尺寸、重物塊質(zhì)量是系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，它決定了系統(tǒng)的體積和重量。在實(shí)際系統(tǒng)中，需根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用要求進(jìn)行各種參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

在儀器設(shè)計過程中，我們遇到了許多困難，例如傳感器的結(jié)構(gòu)選擇、力學(xué)性質(zhì)的分析等，最后均是通過查閱了大量的文獻(xiàn)經(jīng)過比較做出的選擇，因此此次的儀器設(shè)計過程告訴我們，在進(jìn)行實(shí)際的科學(xué)研究時，首先需要查閱大量的資料，對于該研究領(lǐng)域有一定的了解，包括最常見的研究方法以及他們的優(yōu)缺點(diǎn)、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等。

此外，在實(shí)際的分析過程當(dāng)中，需要全面考慮，不能夠想當(dāng)然，例如將力順體和光纖圈作為一個整體考慮時，光纖的剛度是不可忽略的，否則將造成較大的誤差。由于光纖的楊氏模量遠(yuǎn)比有機(jī)玻璃一類的材料高，因此即使光線圈很薄，也會對力順體的變形產(chǎn)生明顯的作用。從中我們學(xué)到，進(jìn)行科學(xué)研究需要有嚴(yán)謹(jǐn)和實(shí)事求是的精神，如此才能離真相更進(jìn)一步。

參考文獻(xiàn)：

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