地震的監(jiān)測和預(yù)警對于減少震后的財產(chǎn)損傷和人員傷亡具有重要意義，對地震檢波器在性能和環(huán)境適應(yīng)性方面提出了越來越高的要求。地震計作為地震監(jiān)測系統(tǒng)的最前端，其性能直接關(guān)系到整個地震臺網(wǎng)的可靠性，有著非常重要的作用。相較于傳統(tǒng)電類振動傳感器，光纖振動傳感器具有體小質(zhì)輕、抗電磁干擾性強、耐高溫高壓等優(yōu)勢，能夠在井下、海洋等惡劣復(fù)雜環(huán)境中持續(xù)監(jiān)測低頻振動，使得光纖振動傳感器近年來受到越來越多的關(guān)注。

針對目前光纖布拉格光柵（FBG，Fiber Bragg Grating）振動傳感器仍難以有效監(jiān)測三分向低頻振動信號的問題，中國地震局地球物理研究所邱忠超博士等提出了一種基于十字簧片的三分向地震監(jiān)測低頻FBG振動傳感器。三分向低頻FBG振動傳感器由三個互相垂直的單分量傳感器組成，單分向振動傳感器主要由外殼、十字簧片、懸臂梁、限幅裝置、質(zhì)量塊、彈簧組成，如圖1所示。

FBG振動傳感器采用十字簧片和懸臂梁復(fù)合結(jié)構(gòu)作為彈性敏感元件。復(fù)合結(jié)構(gòu)和單懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，單懸臂式FBG振動傳感器通過懸臂梁的彎曲縱向拉伸FBG。根據(jù)彈性體連續(xù)性原理，變形減小了FBG的軸向變形，從而在相同條件下降低了傳感器的靈敏度。然而，在基于十字簧片的振動傳感器中，這種限制得到了緩解，因為十字簧片的彎曲平衡質(zhì)量慣性產(chǎn)生的扭矩與光纖的扭矩。因此，在這些條件下，FBG產(chǎn)生更大的形變從而提高傳感器靈敏度。彈簧和限幅裝置的設(shè)計能夠有效限制懸臂梁過度的上下位移，防止FBG和簧片被拉斷，避免十字簧片結(jié)構(gòu)過于敏感。采用玻璃焊料進(jìn)行粘貼的方式，能夠有效抑制高溫高壓帶來的蠕變影響，進(jìn)一步提高了傳感器在復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

搭建低頻振動測試系統(tǒng)驗證傳感器的性能，如圖2所示。傳感器的幅頻響應(yīng)曲線結(jié)果，如圖3所示。平坦范圍為0.1~20 Hz，最小可監(jiān)測頻率為0.01 Hz，靈敏度為606 pm/g，橫向靈敏度比為2.3%，平坦范圍內(nèi)動態(tài)分辨率大于0.356 mg/√Hz，動態(tài)范圍為75.9 dB。并且有較好靈敏度角度相關(guān)表征，如圖4所示。測試結(jié)果表明，傳感器具有較高的靈敏度、抗橫向干擾特性、一致性和方向性響應(yīng)。研究成果有望用于復(fù)雜環(huán)境領(lǐng)域的低頻振動監(jiān)測中。

（a）低頻振動測試系統(tǒng)與垂直振動臺          （b）水平振動臺

圖2 低頻振動測試系統(tǒng)

圖3 幅頻響應(yīng)曲線

圖4 傳感器指向性測試

研究成果2024年6月發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement（Z. Qiu and Y. Zhang, "Three-Dimensional Low-Frequency Earthquake Monitoring Vibration Sensor Based on FBG," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 73, pp. 1-9, 2024, Art no. 9510709, doi: 10.1109/TIM.2024.3406839.），受河北省地震災(zāi)害儀器與監(jiān)測技術(shù)重點實驗室開放基金資助項目（編號：FZ224103）資助。

【作者簡介】

邱忠超（1986-），男，山東濟(jì)寧市人，博士后，研究方向為光纖地震觀測技術(shù)與儀器。E-mail：qiuzc1987@163.com