光纤应变仪的研制与应用前景

张文涛黄稳柱李 丽

1）中国北京100083 中国科学院半导体研究所

2）中国北京100081 中国地震局地球物理研究所

光纤应变仪是利用特种光纤光栅器件或者光纤干涉技术进行高精度应变传感的仪器。常见特种光纤光栅有相移光栅和光纤光栅谐振腔，线宽均较窄，可达到0.01 pm量级甚至更窄，结合高精度解调方法，可显著提高系统的应变测量精度。

传统的光纤光栅准静态解调，主要技术方案有光谱分析法、窄带滤波器法、匹配光栅法等，可满足大多数工程应用需求。但高精度地应变传感需求更高，国际上诸多研究团队提出不同的解调方案，用以提高光纤光栅传感系统的应变分辨率。本研究采用窄线宽光纤激光扫描的解调方案，结合小波阈值降噪方法进行信号处理。在该方案中，采用一个传感光纤光栅谐振腔来感测地应变信号，一个参考光纤光栅谐振腔来补偿温度影响，对2 路信号均采用小波降噪算法，经测试，信噪比可提升12 dB 以上。

研制的第一代光纤应变仪为短基线光纤应变仪，应变仪长度为1 m，光纤谐振腔可根据需要定制，通过螺栓安装在基岩之上，外面加保护套。光纤应变仪数据采集器（解调仪）含光源、光电探测器、信号处理器、传输与显示等模块，集成于19 吋机箱中，通过网线或无线网络进行数据传输，并接入GPS 信号。

在云南昭通巧家地震台安装短基线光纤应变仪进行应变观测。经4 年测试，应变仪性能稳定，与在同一台站安装的电学应变仪的记录对比发现，光纤应变仪可记录到清晰的固体潮和地震波信号。根据地震行业标准DB/T 31.2—2008 进行测试，该应变仪分辨率优于10-10，同时具有较高的采样率和稳定性。结合光纤传感器环境适应性好的特点，如对电磁干扰不敏感、防雷击、本质安全等，光纤应变仪作为一种发展中的新兴的新型仪器，在观测方法上，有望与现有仪器形成互补，具有较好的应用前景。