非本征光纤F-P压力传感器研究

摘要

我国位于世界两大地震带-环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地壳构造应力复杂。地壳应力状态的变化是引起地震、地表形变、断裂断层的根本原因，地壳应力监测具有重要的意义和价值。传统的地应力监测仪器在实际工作中容易受到外界因素干扰影响监测精度，同时存在容易受到电磁干扰、雷击的问题。针对地应力监测传感器易受雷击影响及精度低的问题，基于光纤传感技术与F-P干涉仪，研究了一种用于地应力监测的非本征光纤F-P压力传感器。该压力传感器采用绝缘抗电磁干扰的镀银膜片和单模光纤构成F-P干涉面形成传感器的空气腔，镀银膜片可以提高光反射率，进而提高监测精度，传感器的腔壁采用绝缘抗电磁干扰的陶瓷圆环，绝缘抗电磁干扰材料可以使传感器不易受雷击影响，降低因雷击对传感器损坏的风险。运用ANSYS仿真软件对传感器镀银膜片进行了静力分析与设计，得到了镀银膜片理想的半径和厚度值，进一步，制作出传感器实物。为了验证非本征光纤F-P压力传感器在实际应力测量中的精度与防雷性能，搭建了地应力监测实验平台和模拟雷击实验平台。首先，进行了压力、温度标定实验及传感器应力加载模拟实验，实验结果表明非本征光纤F-P压力传感器在0-10MPa内F-P腔的腔长变化灵敏度为1677nm/MPa，应力测量分辨率为60Pa，与常见光纤光栅测量地应力方法相比，监测精度提高约3倍；然后，采用雷击浪涌发生器模拟感应雷进行了抗雷击实验，实验结果表明，设计的压力传感器在0V-5KV测试电压下不受雷击的影响，工作稳定，具有较好的防雷性能。