一种海底振动信号测量装置和测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种海底振动信号测量装置和测量方法，采用低频FBG三维加速度传感器测量海底振动信号，利用光纤光栅陀螺仪矫正低频FBG三维加速度传感器的测量方向，实现了在复杂场合准确采集振动信号并通过远距离传输振动信号的功能。本发明专利技术的低频FBG三维加速度传感器采用双绞链结构，避免了出现啁啾现象，提高了横向抗干扰能力，使整个传感器精准地测量低频振动信号，灵敏度高、线性度好、精度高，具有较强的抗干扰能力。本发明专利技术通过离线方式获取海底振动信号，在海底长时间工作；通过配重使装置保持良好的落地姿态，结构简单、易于制造、系统成本低。系统成本低。系统成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种海底振动信号测量装置和测量方法


[0001]本专利技术属于光纤光栅传感监测
，具体涉及一种海底振动信号测量装置和测量方法。

技术介绍

[0002]传统的加速度传感器从原理上一般为电磁类，包括压电、磁电、电容式等电类传感器。但由于电类传感器存在传输距离近、易受电磁干扰、不易于分布式测量等缺点，使得它们在应用上受到限制，无法适应多种复杂的场合。光纤传感作为新型传感技术中的一种光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、动态范围宽、体积小、重量轻、耐腐蚀、易于网络化和分布式检测等诸多优点。
[0003]传统的悬臂梁式结构的FBG加速度传感器，光栅全粘贴在悬臂梁上容易使光栅产生啁啾，对加速度的测量会存在一定的横向干扰。目前市场上常见的FBG三维加速度传感器多为一体式结构或在一个平面内的两个垂直方向设计成一体式，制造成本高。抛投式的监测仪器不能够精确求解出矢量加速度。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种海底振动信号测量装置和测量方法，用于实现在复杂场合准确采集振动信号并通过远距离传输振动信号的功能。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种海底振动信号测量装置，包括低频FBG三维加速度传感器、光纤光栅陀螺仪和解调仪；低频FBG三维加速度传感器包括X向加速度传感单元、Y向加速度传感单元和Z向加速度传感单元；设X、Y、Z为三个相互垂直的方向，则在低频环境下，Z向加速度传感单元用于测量Z轴方向的振动信号，Y向加速度传感单元用于测量Y轴方向的振动信号，X向加速度传感单元用于测量X轴方向的振动信号；X向加速度传感单元、Y向加速度传感单元和Z向加速度传感单元分别包括相同结构的金属传感芯体和不同波长的FBG光纤布拉格光栅；金属传感芯体为柔性双绞链式结构，包括依次连接的基座、双绞链结构和芯体质量块，基座上设有螺纹孔；FBG光纤布拉格光栅按金属传感芯体的长度方向固定在金属传感芯体上；光纤光栅陀螺仪敏感的三轴方向分别与低频FBG三维加速度传感器敏感的三轴方向平行，光纤光栅陀螺仪用于实时测量整个装置的姿态角，并根据姿态角用算法将低频FBG三维加速度传感器确定的第一坐标系矫正到大地坐标系；低频FBG三维加速度传感器和光纤光栅陀螺仪分别通过各自的尾纤连接解调仪的不同输入通道的跳线，解调仪用于分别解调低频FBG三维加速度传感器的信号和光纤光栅陀螺仪的光信号并储存测量数据。
[0006]按上述方案，金属传感芯体包括相同结构的Z向金属传感芯体、Y向金属传感芯体和X向金属传感芯体；FBG光纤布拉格光栅包括不同波长的FBG1第一光纤布拉格光栅、FBG2第二光纤布拉格光栅、FBG3第三光纤布拉格光栅；X向加速度传感单元包括X向金属传感芯体和固定在X向金属传感芯体上的FBG3第三光纤布拉格光栅；Y向加速度传感单元包括Y向
金属传感芯体和固定在Y向金属传感芯体上的FBG2第二光纤布拉格光栅；Z向加速度传感单元包括Z向金属传感芯体和固定在Z向金属传感芯体上的FBG1第一光纤布拉格光栅；FBG光纤布拉格光栅在固定的过程中使栅区悬空不与金属传感芯体接触，并给光纤足够的预拉伸；Z向金属传感芯体与X向金属传感芯体位于同一平面且相互垂直；Y向金属传感芯体与Z向金属传感芯体、X向金属传感芯体所在平面垂直；Z向金属传感芯体、Y向金属传感芯体和X向金属传感芯体两两相互垂直，构成空间三维坐标系，设为第一坐标系；FBG1第一光纤布拉格光栅、FBG2第二光纤布拉格光栅、FBG3第三光纤布拉格光栅的尾纤依次连接，FBG3第三光纤布拉格光栅的尾纤连接解调仪。
[0007]进一步的，X向金属传感芯体和Z向传感金属芯体留有螺纹孔的一端为45度斜角。
[0008]按上述方案，低频FBG三维加速度传感器还包括底座，底座设有与金属传感芯体匹配的内螺纹，用于可拆卸式固定金属传感芯体。
[0009]按上述方案，还包括锂电池；锂电池为锂电池组；锂电池的电源输出端连接解调仪的电源输入端，用于为解调仪供电，使解调仪至少连续工作一个月。
[0010]进一步的，还包括承压保护壳、隔板和质量块；承压保护壳的内部用隔板分为由上而下的三层；第一层与第二层之间的隔板上设置有分别用于固定低频FBG三维加速度传感器、光纤光栅陀螺仪和解调仪的安装螺纹孔，第一层用于从左到右依次固定低频FBG三维加速度传感器、光纤光栅陀螺仪和解调仪；第二层用于固定锂电池；第三层用于固定质量块；质量块为高密度质量块，用于根据锂电池的重量对海底振动信号测量装置进行配重，使海底振动信号测量装置的重心处在中心线上并降低重心。
[0011]进一步的，承压保护外壳采用聚乙烯材料，承受不少于500米海深的压强；承压保护外壳的表面通过涂敷防水材料进行防水密封处理。
[0012]按上述方案，标准件装配过程中采用螺纹胶粘接固定；光纤熔接处采用热缩管保护；固定光纤光栅的胶水采用环氧树脂胶。
[0013]一种基于海底振动信号测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0014]S1：采取多节点海底布网，在每个节点将海底振动信号测量装置抛下海放置在深海的海底进行离线测量工作，获取一片区域海底振动信号；
[0015]S2：低频FBG三维加速度传感器的质量块根据海底振动信号的作用发生共振采集三个两两相互垂直的矢量方向上的振动信号，通过测量波长漂移量确定加速度，将三个方向的加速度矢量求和得出空间立体坐标系下的实际加速度；
[0016]S3：光纤光栅陀螺仪根据海底振动信号测量装置的姿态实时测量姿态角；利用计算机将低频FBG三维加速度传感器坐标系转化到光纤光栅陀螺仪确定的坐标系，从而确定矢量求和的加速度方向；
[0017]S4：定时打捞海底振动信号测量装置取出海底，导出储存的数据、更换锂电池；
[0018]S5：对数据进行分析计算，反演海底振动信号测量装置所在节点的环境情况。
[0019]进一步的，所述的步骤S3中，坐标矫正的具体步骤为：
[0020]设为由坐标系a转变到坐标系b的坐标变换矩阵，将三维坐标系X0Y0Z0绕Z0轴逆时针旋转ψ得到坐标系X1Y1Z1，则坐标变换矩阵为：
[0021]cosψ sinψ 0
[0022][0023]0 0 1；
[0024]将三维坐标系X1Y1Z1绕X1轴逆时针旋转θ得到坐标系X2Y2Z2，则坐标变换矩阵为：
[0025]1 0 0
[0026]0ꢀ‑
sinθ cosθ；
[0027]将三维坐标系X2Y2Z2绕Y2轴逆时针旋转γ得到坐标系X3Y3Z3，则坐标变换矩阵为：
[0028]cosγ 0
ꢀ‑
sinγ
[0029][0030]sinγ 0 cosγ；
[0031]则三次旋转的坐标转换矩阵为：
[0032][0033]本专利技术的有益效果为：
[0034]1.本专利技术的一种海底振动信号测量装置和测量方法，采用低频FBG三维加速度传感器测量海底振动信号，利用光纤光栅陀螺仪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海底振动信号测量装置，其特征在于：包括低频FBG三维加速度传感器、光纤光栅陀螺仪和解调仪；低频FBG三维加速度传感器包括X向加速度传感单元、Y向加速度传感单元和Z向加速度传感单元；设X、Y、Z为三个相互垂直的方向，则在低频环境下，Z向加速度传感单元用于测量Z轴方向的振动信号，Y向加速度传感单元用于测量Y轴方向的振动信号，X向加速度传感单元用于测量X轴方向的振动信号；X向加速度传感单元、Y向加速度传感单元和Z向加速度传感单元分别包括相同结构的金属传感芯体和不同波长的FBG光纤布拉格光栅；金属传感芯体为柔性双绞链式结构，包括依次连接的基座、双绞链结构和芯体质量块，基座上设有螺纹孔；FBG光纤布拉格光栅按金属传感芯体的长度方向固定在金属传感芯体上；光纤光栅陀螺仪敏感的三轴方向分别与低频FBG三维加速度传感器敏感的三轴方向平行，光纤光栅陀螺仪用于实时测量整个装置的姿态角，并根据姿态角用算法将低频FBG三维加速度传感器确定的第一坐标系矫正到大地坐标系；低频FBG三维加速度传感器和光纤光栅陀螺仪分别通过各自的尾纤连接解调仪的不同输入通道的跳线，解调仪用于分别解调低频FBG三维加速度传感器的信号和光纤光栅陀螺仪的光信号并储存测量数据。2.根据权利要求1所述的一种海底振动信号测量装置，其特征在于：金属传感芯体包括相同结构的Z向金属传感芯体、Y向金属传感芯体和X向金属传感芯体；FBG光纤布拉格光栅包括不同波长的FBG1第一光纤布拉格光栅、FBG2第二光纤布拉格光栅、FBG3第三光纤布拉格光栅；X向加速度传感单元包括X向金属传感芯体和固定在X向金属传感芯体上的FBG3第三光纤布拉格光栅；Y向加速度传感单元包括Y向金属传感芯体和固定在Y向金属传感芯体上的FBG2第二光纤布拉格光栅；Z向加速度传感单元包括Z向金属传感芯体和固定在Z向金属传感芯体上的FBG1第一光纤布拉格光栅；FBG光纤布拉格光栅在固定的过程中使栅区悬空不与金属传感芯体接触，并给光纤足够的预拉伸；Z向金属传感芯体与X向金属传感芯体位于同一平面且相互垂直；Y向金属传感芯体与Z向金属传感芯体、X向金属传感芯体所在平面垂直；Z向金属传感芯体、Y向金属传感芯体和X向金属传感芯体两两相互垂直，构成空间三维坐标系，设为第一坐标系；FBG1第一光纤布拉格光栅、FBG2第二光纤布拉格光栅、FBG3第三光纤布拉格光栅的尾纤依次连接，FBG3第三光纤布拉格光栅的尾纤连接解调仪。3.根据权利要求2所述的一种海底振动信号测量装置，其特征在于：X向金属传感芯体和Z向传感金属芯体留有螺纹孔的一端为45度斜角。4.根据权利要求1所述的一种海底振动信号测量装置，其特征在于：低频FBG三维加速度传感器还包括底座，底...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁磊，邓夕道，杜尚明，宋力勰，童晓玲，
申请(专利权)人：武汉理工大学三亚科教创新园，
类型：发明
国别省市：