本發(fā)明涉及地震監(jiān)測，特別是涉及地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、地震監(jiān)測對于揭示地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震預(yù)警至關(guān)重要，特別是在120秒(0.0083hz)到20hz的低頻范圍。通過低頻地震波的分析，科學(xué)家可以深入了解地球內(nèi)部的構(gòu)造特征，并有效識別地震發(fā)生的早期信號。這些信息對于提高地震預(yù)報的準確性、制定應(yīng)急響應(yīng)策略以及減輕地震災(zāi)害的影響具有重要意義。

2、目前用于超低頻振動監(jiān)測的主要為電學(xué)加速度傳感器，但傳統(tǒng)的電學(xué)加速度傳感器易受電磁干擾、易受腐蝕、成本較高且存在實際工程中布線困難等問題，難以在復(fù)雜環(huán)境下提供穩(wěn)定監(jiān)測，這給我們研究地球結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的能力帶來瓶頸，阻礙我們在偏遠復(fù)雜環(huán)境地區(qū)獲取豐富的地球物理和地震學(xué)信息?？朔@一挑戰(zhàn)不僅有利于基礎(chǔ)研究工作，而且能夠及時監(jiān)測地震，為附近地區(qū)提供足夠的警報。

3、光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫高壓、耐腐蝕性等特點，受到廣泛的關(guān)注。目前主流的光纖傳感器為分布式聲學(xué)傳感器(das)、干涉式傳感器和光纖布拉格光柵(fbg)等。das能夠進行廣域連續(xù)監(jiān)測，具有較高空間分辨率，適合實時捕捉地震波場變化，但信號復(fù)雜難以有效處理。干涉式傳感器以極高的精度測量適合極微弱振動信號監(jiān)測，由于成本較高，限制大規(guī)模部署。相較之下，fbg傳感器在地震監(jiān)測中展現(xiàn)出特別的優(yōu)勢，如易于組網(wǎng)、部署成本低、易于維護等特點，逐漸成為研究的熱點。

4、近年來，研究人員設(shè)計了不同類型的fbg加速度傳感器。g.gagliardi等人采用精度最高h13c14n標準氣腔、光學(xué)頻梳等絕對波長校準裝置，結(jié)合激光鎖頻訊問技術(shù)，可以實現(xiàn)高分辨率低頻fbg諧振腔波長測量系統(tǒng)。但是在這些系統(tǒng)中，多分量傳感器的多路復(fù)用是很困難的。此外，光學(xué)頻率梳價格昂貴，h13c14n標準氣體電池受環(huán)境溫度的影響，不適合多分量低頻加速度傳感器設(shè)計。wang?zilin等人提出一種基于fbg的單分量中空三角光束輔助的檢波器，工作頻帶為0.6～50.0hz，與振動信號頻率呈良好的線性關(guān)系，檢波器的機械結(jié)構(gòu)具有良好的橫向抗靈敏度，x、y軸方向的橫向靈敏度為2.8％和4.6％，但靈敏度較低僅為120.1pm/g。tengyuntian等人提出一種用于用于低頻振動測量的雙直翼fbg加速度計，工作頻帶為5～22hz，靈敏度為171.7pm/g，但橫向靈敏度較大為9.5％，傳感器在測量指定方向信號時會受到橫向信號的干擾，從而引入誤差降低信噪比，使得實際測量低頻信號更難以從噪聲中分離出來。zhang?faxiang等人設(shè)計了一種基于雙膜片h型鉸鏈的寬帶高靈敏度fbg加速度傳感器，突破了靈敏度與諧振頻率之間的限制。工作頻帶為1～1000hz，靈敏度為32db?re.pm/g，橫向靈敏度小于-26db，加速度分辨率為15μg/khz。結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜不便于加工和組裝。盡管上述研究成果一定程度上推動低頻振動測量領(lǐng)域的發(fā)展。然而，目前的fbg加速度傳感器存在靈敏度低、橫向抗干擾性能不佳的問題，限制fbg加速度傳感器低頻信號的拾取。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器及其設(shè)計方法；

2、一方面，提供了地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器，包括：

3、圓柱桶，所述圓柱桶上表面設(shè)置有上蓋，所述圓柱桶下表面設(shè)置有下蓋；

4、所述下蓋通過第一支撐柱與支撐架連接；所述圓柱桶內(nèi)設(shè)置有三個單分量加速度傳感器；

5、所述支撐架由下到上分為第一層托盤、第二層托盤和第三層托盤，三個托盤的邊緣均與第二支撐柱連接；

6、所述第一層托盤上設(shè)置有第一單分量加速度傳感器，所述第二層托盤上設(shè)置有第二單分量加速度傳感器，所述第三層托盤上設(shè)置有第三單分量加速度傳感器；

7、第一單分量加速度傳感器是豎直安裝在第一層托盤上，第二單分量加速度傳感器是水平安裝在第二層托盤上，第三單分量加速度傳感器是水平安裝在第三次托盤上；

8、第二單分量加速度傳感器長度方向上的中心線與第三單分量加速度傳感器長度方向的中心線相互垂直，第二單分量加速度傳感器長度方向上的中心線與第一單分量加速度傳感器長度方向上的中心線相互垂直，第一單分量加速度傳感器長度方向上的中心線與第三單分量加速度傳感器長度方向上的中心線相互垂直。

9、另一方面，提供了地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器的設(shè)計方法，包括：將地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器，簡稱為加速度傳感器；

10、構(gòu)建加速度傳感器的等效模型，并推導(dǎo)出諧振頻率和靈敏度的公式，從諧振頻率和靈敏度的公式中找出影響傳感器諧振頻率和靈敏度的若干個關(guān)鍵參數(shù)；所述若干個關(guān)鍵參數(shù)，包括：質(zhì)量塊的質(zhì)量、每個柔性梁長度距離、每個柔性梁的寬度和每個柔性梁的厚度；

11、基于關(guān)鍵參數(shù)，建立待優(yōu)化模型；所述待優(yōu)化模型，包括：目標函數(shù)和約束條件，采用遺傳算法進行優(yōu)化，得到每個關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值；

12、基于每個關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值，對加速度傳感器進行仿真分析，得到傳感器的一階模態(tài)頻率與二階模態(tài)頻率的差值，如果所述差值大于設(shè)定閾值，則表示傳感器能夠抵抗橫向干擾；

13、對加速度傳感器進行性能測試實驗；其中，性能測試實驗參數(shù)包括：幅頻響應(yīng)、低頻輸出響應(yīng)、靈敏度、橫向靈敏度、靈敏度角度和動態(tài)范圍；如果素有實驗參數(shù)的取值均符合設(shè)定要求，則表示加速度傳感器的測試實驗通過。

14、上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點或有益效果：

15、在研制多種低頻fbg加速度基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種面向地震監(jiān)測的高靈敏度超低頻fbg加速度傳感器。傳感器采用多柔性梁結(jié)構(gòu)能夠有效實現(xiàn)低頻信號的拾取并且整體結(jié)構(gòu)簡單且采用一體化的設(shè)計加工減少組裝帶來的影響，有效提升傳感器的一致性、穩(wěn)定性。采用玻璃粉封裝提高傳感器在惡劣環(huán)境下的耐久性、可靠性和穩(wěn)定性。利用差分進化遺傳算法(de)實現(xiàn)多約束條件下結(jié)構(gòu)尺寸的靈敏度全局優(yōu)化，顯著提高傳感器的靈敏度。首次在fbg傳感器上探討基于三通道相關(guān)法的自噪聲測試，并將本發(fā)明的fbg加速度傳感器和主流的商用電學(xué)地震加速度傳感器的g1b83進行對比觀測，驗證傳感器實際低頻性能。

技術(shù)特征：

1.地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器，其特征是，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器，其特征是，第一單分量加速度傳感器、第二單分量加速度傳感器和第三單分量加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一致的，所述第一單分量加速度傳感器，包括：

3.如權(quán)利要求2所述的地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器，其特征是，第三區(qū)域設(shè)有第五蝕刻線、第六蝕刻線、第七蝕刻線和第八蝕刻線；

4.如權(quán)利要求2所述的地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器，其特征是，金屬塊的第二區(qū)域設(shè)置有依次連接的第一弧形凹槽、第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第二弧形凹槽；

5.地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器的設(shè)計方法，其特征是，包括：將地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器，簡稱為加速度傳感器；

6.如權(quán)利要求5所述的地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器的設(shè)計方法，其特征是，構(gòu)建加速度傳感器的等效模型，并推導(dǎo)出諧振頻率和靈敏度的公式，包括：

7.如權(quán)利要求5所述的地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器的設(shè)計方法，其特征是，基于關(guān)鍵參數(shù)，建立待優(yōu)化模型；所述待優(yōu)化模型，包括：目標函數(shù)和約束條件，包括：

8.如權(quán)利要求5所述的地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器的設(shè)計方法，其特征是，對加速度傳感器進行靈敏度和橫向靈敏度性能測試實驗，具體包括：

9.如權(quán)利要求5所述的地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器的設(shè)計方法，其特征是，對加速度傳感器進行靈敏度角度性能測試實驗，具體包括：

10.如權(quán)利要求5所述的地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器的設(shè)計方法，其特征是，對加速度傳感器進行動態(tài)范圍性能測試實驗，具體包括：動態(tài)范圍反映傳感器接收強信號和弱信號的能力，傳感器的動態(tài)范圍與加速度動態(tài)范圍取決于最大加速度值與最小加速度值的比值，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了地震監(jiān)測超低頻加速度傳感器及其設(shè)計方法，傳感器包括：圓柱桶，圓柱桶上表面設(shè)置有上蓋，圓柱桶下表面設(shè)置有下蓋；下蓋通過第一支撐柱與支撐架連接；所述圓柱桶內(nèi)設(shè)置有三個單分量加速度傳感器；所述支撐架由下到上分為第一層托盤、第二層托盤和第三層托盤，三個托盤的邊緣均與第二支撐柱連接；所述第一層托盤上設(shè)置有第一單分量加速度傳感器，所述第二層托盤上設(shè)置有第二單分量加速度傳感器，所述第三層托盤上設(shè)置有第三單分量加速度傳感器；第一單分量加速度傳感器是豎直安裝在第一層托盤上，第二單分量加速度傳感器是水平安裝在第二層托盤上，第三單分量加速度傳感器是水平安裝在第三次托盤上。本發(fā)明的傳感器穩(wěn)定性強。

技術(shù)研發(fā)人員：李昂
受保護的技術(shù)使用者：北京通為科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9