一种高灵敏度光纤地听器

技术领域

本发明提出了一种高灵敏度光纤地听器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

随着光导纤维和光纤通信技术的不断成熟，光纤地听器的应用得到了快速发展。基于光纤传感技术的周界安防系统在安防领域逐渐被人们重视。与传统的红外对射、电子围栏等传感手段相比，光纤地听器具有其独特的优势，其可以监控一个近圆形区间，如图1所示近圆形区域为地听器监控区间，并且相位型光纤传感系统还具有隐蔽性高，抗电子干扰能力强，灵敏度高等优点。本发明描述的光纤地听器传感轴为竖直方向，针对周界安防的应用场景，该高灵敏度光纤地听器的质量块由高密度钨镍铁合金(19g/cm

光纤地听器传感阵列或传感网络一般需要在野外环境下进行敷设布放，其布放的位置施工环境恶劣，工程实施中的人员成本较高，但是部署过程中要求土层与地听器地桩连接紧密，现有安装光纤地听器的方法为人员手动压入，因为需要保证地听器的埋设深度，但手动压入费时费力，如果土层下方有碎石压入就会更加困难，且很难保证地听器与土壤的稳定耦合，直接影响地听器阵列的探测性能。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种高灵敏度光纤地听器，高灵敏度光纤地听器为周界安防装使用的光纤振动传感器，光纤地听器在极大地提高其灵敏度的同时降低其体积，其特点在于采用了高密度的钨镍铁合金代替通用的铜或钢。并且采用了更为合理的布局，在工艺上提高了部件间接触的平整和光隙，获得了较小的体积，具有较高的灵敏度和较宽的通频带。

本发明采用的技术方案为：一种高灵敏度光纤地听器，包括：质量块、耦合器、第一弹性体、第二弹性体、第一传感光纤、第二传感光纤、第一法拉第旋光镜、第二法拉第旋光镜、第一端盖、第二端盖、尖端机米螺丝、外壳、外壳底盖，地桩。

第一弹性体、第二弹性体、质量块、第一端盖、第二端盖形成光纤地听器核心增敏结构，用于光纤地听器增敏。

光纤耦合器、第一传感光纤、第二传感光纤、第一法拉第旋光镜、第二法拉第旋光镜组成光纤迈克尔逊干涉仪，用于生成携带振动信息的干涉光信号。

第一弹性体和第二弹性体分别位于质量块的上下两个面，第一传感光纤一端连接耦合器的一个输出端口，中间缠绕在第一弹性体上，另一端连接第一法拉第旋光镜，第二传感光纤一端连接耦合器的一个输出端口，中间缠绕在第二弹性体上，另一端连接第二法拉第旋光镜；第一端盖和第二端盖分别位于第一弹性体和第二弹性体远离质量块的一侧；第二端盖与外壳顶部直接接触，使用胶水连接，尖端机米螺丝与第一端盖配合，用于对弹性体和质量块定位与紧固，质量块中心开设的小孔用于安放光纤耦合器。

外壳和外壳底盖用于将整个装置密闭，保护内部结构；地桩与外壳底盖连接，用于将地面振动信息耦合至光纤地听器。

进一步地，所述质量块采用高密度钨镍铁合金制成，密度为19g/cm

进一步地，所有光纤地听器的缝隙均涂装水密胶以防止野外布放过程中地听器内部渗水。

进一步地，所述高灵敏度光纤地听器还具有锤击工装，所述锤击工装底部中空用以容纳地听器，锤击工装底部有开槽用以安放出纤口，底部开口的内圆大于地桩的顶部外圆。使用锤子锤击锤击工装顶部即可保证地听器底部地桩与土壤稳定耦合，同时在安装过程中不会对地听器造成损伤。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.该高灵敏度光纤地听器的质量块由高密度钨镍铁合金制成，相对于常规光纤地听器采用的铜质量块可以在同等体积将灵敏度提升一倍以上。

2.该光纤地听器可以在同等体积下，相对普通地听器具有更远的探测距离。

3.地听器锤击工装可保证地听器在野外环境下方便实施部署，保证地听器与土壤的稳定耦合，提升地听器阵列的探测性能。

附图说明

图1光纤地听器监控部署图；

图2是采用本发明的光纤振动信号采集系统示意图；

图3光纤振动信号采集系统光学原理图；

图4高灵敏度光纤地听器结构示意图：(a)俯视图，(b)侧视图；

图5高灵敏度光纤地听器立体图；

图6高灵敏度光纤地听器采集到的信号；

图7地听器与锤击工装配合的结构示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

(1)工作原理：

高灵敏度光纤地听器的光学原理图如图3所示，两路光信号在耦合器中发生干涉。干涉信号经光电探测转化为电信号，再通过信号解调处理转化为振动信号。光纤地听器加速度灵敏度定义为由轴向方向作加速度运动引起的光纤地听器干涉仪两臂相位差△与该方向上的加速度a之比，数学表达式为：

加速度灵敏度定义：

加速度灵敏度的度级：

光纤地听器采用的是光相位调制原理，即其灵敏度主要由光纤在声压作用下产生的形变所决定。输出干涉光信号相位变化△为：

空心顺变弹性筒的加速度灵敏度及谐振频率理论计算公式如下：

a、b、H分别为弹性筒内半径、外半径和轴向高度，E、μ为弹性筒杨氏模量和泊松比。m为质量块质量,m

高灵敏度光纤地听器俯视图与侧视图参见图4，质量块与弹性体安装在刚性外壳的Z平面上，直接通过刚性支撑件和尖端机米螺丝进行定位与紧固，构成测量质点振动加速度的传感装置。该质量块使用钨镍铁合金，其密度较大，通过上述工作原理可以看出灵敏度与质量为线性关系，同样体积下使用钨镍铁合金的光纤地听器相对于使用常规铜质量块的光纤地听器可以在同等体积将灵敏度提升一倍以上，如图6所示。

高灵敏度光纤地听器锤击工装如图7所示，底部中空用以容纳地听器，锤击工装件底部有开槽用以安放出纤口，底部开口的内圆大于地桩的顶部外圆，使用锤子锤击顶部即可保证地听器底部地桩与土壤稳定耦合，同时在安装过程中不会对地听器造成损伤。