地震的监测和预警对于减少震后的财产损伤和人员伤亡具有重要意义，对地震检波器在性能和环境适应性方面提出了越来越高的要求。地震计作为地震监测系统的最前端，其性能直接关系到整个地震台网的可靠性，有着非常重要的作用。相较于传统电类振动传感器，光纤振动传感器具有体小质轻、抗电磁干扰性强、耐高温高压等优势，能够在井下、海洋等恶劣复杂环境中持续监测低频振动，使得光纤振动传感器近年来受到越来越多的关注。
针对目前光纤布拉格光栅（FBG，Fiber Bragg Grating）振动传感器仍难以有效监测三分向低频振动信号的问题，中国地震局地球物理研究所邱忠超博士等提出了一种基于十字簧片的三分向地震监测低频FBG振动传感器。三分向低频FBG振动传感器由三个互相垂直的单分量传感器组成，单分向振动传感器主要由外壳、十字簧片、悬臂梁、限幅装置、质量块、弹簧组成，如图1所示。
(a) 单分向传感器 | (b) 三分量传感器 |
图1 传感器整体结构图 | |
FBG振动传感器采用十字簧片和悬臂梁复合结构作为弹性敏感元件。复合结构和单悬臂梁结构相比，单悬臂式FBG振动传感器通过悬臂梁的弯曲纵向拉伸FBG。根据弹性体连续性原理，变形减小了FBG的轴向变形，从而在相同条件下降低了传感器的灵敏度。然而，在基于十字簧片的振动传感器中，这种限制得到了缓解，因为十字簧片的弯曲平衡质量惯性产生的扭矩与光纤的扭矩。因此，在这些条件下，FBG产生更大的形变从而提高传感器灵敏度。弹簧和限幅装置的设计能够有效限制悬臂梁过度的上下位移，防止FBG和簧片被拉断，避免十字簧片结构过于敏感。采用玻璃焊料进行粘贴的方式，能够有效抑制高温高压带来的蠕变影响，进一步提高了传感器在复杂环境的适应性。
搭建低频振动测试系统验证传感器的性能，如图2所示。传感器的幅频响应曲线结果，如图3所示。平坦范围为0.1~20 Hz，最小可监测频率为0.01 Hz，灵敏度为606 pm/g，横向灵敏度比为2.3%，平坦范围内动态分辨率大于0.356 mg/√Hz，动态范围为75.9 dB。并且有较好灵敏度角度相关表征，如图4所示。测试结果表明，传感器具有较高的灵敏度、抗横向干扰特性、一致性和方向性响应。研究成果有望用于复杂环境领域的低频振动监测中。
（a）低频振动测试系统与垂直振动台 （b）水平振动台
图2低频振动测试系统
图3幅频响应曲线
图4传感器指向性测试
研究成果2024年6月发表于学术期刊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.），受河北省地震灾害仪器与监测技术重点实验室开放基金资助项目（编号：FZ224103）资助。
【作者简介】
邱忠超（1986-），男，山东济宁市人，博士后，研究方向为光纤地震观测技术与仪器。E-mail：qiuzc1987@163.com
