干涉型全光纤加速度地震检波器

　　引 言

　　高灵敏度的加速度地震检波器是地震探测过程中检测地震波强度、方向和频率等物理量的传感器，在整个地震探测过程中的作用十分关键。近几年来，日益发展的地震检测技术对地震检波器在功能和精度上都提出了越来越高的要求，其中，能同时精确检测空间三个方向加速度的三分量地震检波器就是一个重要的发展方向。为此，我研究室提出研制一种基于全光纤迈克尔逊干涉仪的三分量加速度地震检波器。作为三分量地震检波器的预研，我们首先研制了单分量全光纤加速度地震检波器，并制成了实验样机。光纤传感技术是 70 年代中期发展起来的一门新技术。与传统的传感器相比，光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、动态范围大和抗电磁干扰能力强等优点，正在成为传感技术发展的一个重要的方向。

　　1 实验装置与工作原理

　　如图1 所示，全光纤地震检波器由简谐振子系统、全光纤迈克尔逊干涉光路以及信号检测和补偿系统三部分构成。其中，简谐振子系统由缠绕敏感光纤的硫化硅橡胶顺变柱体、惯性质量块和铝制外壳构成，缠绕在顺变柱体上的单模光纤感受震动信号，并将之转化为相干光相位变化的敏感元件。全光纤迈克尔逊干涉光路的核心是一个 3dB光纤耦合器，耦合器一端的两根尾纤分别接在 LD 光源和 PIN 探测器上，另一端的两根尾纤端面镀上高反射膜后成为两个干涉臂。假设我们使用的3dB光纤耦合器是理想的，即光源 LD 发出的光强I0可以被平均的分配到两根敏感光纤中，两束光在敏感光纤中传播并经高反射面反射后，回到 3dB光纤耦合器。这时如果两束光的光程差没有超过光源的相干长度，两束光就会在3dB光纤耦合器处产生干涉，干涉后的光强的一半会被 PIN管接收变成电流强度，根据光的干涉理论，我们可以知道，PIN 所接收的光强 I 为

式中δ 为两束光的相位差。δ =β ×ΔZ，β 和ΔZ 分别是光纤芯层的传播常数和两束光在两根敏感光纤中的光差;式中的另外一个常数 K0是由于光纤损耗和高反射膜的反射率决定的常数，K0在理论上是一个接近1且小于1 的常数。因为在计算中并不需要知道实际的光功率的大小，所以我们简单的把0看成1，这样(1)式就可以化简为

　　在工作时，当敏感元件的外壳受到轴向振动时，外壳与质量块之间发生轴向相对运动，对连接在质量块上下的两个顺变柱体产生拉伸和挤压，使之发生弹性形变。缠绕在顺变柱体上的敏感光纤受到预紧力和张力的综合作用时分别缩短和拉长，传播于其中的两束相干光的光程差ΔZ 随之发生改变，在PIN 中形成可探测的光强变化信号 I。在获得信号 I(t)后，通过处理电路补偿误差、放大、滤波和解调等手段处理后，即可获得我们所需要的电压信号[1]