一种三分量光纤式重力测量系统

本发明属于地球勘探重力测量，更具体地，涉及一种三分量光纤式重力测量系统。

背景技术：

1、测量局部重力微小变化对于探明隐藏的碳氢化合物储量、地质灾害预测、农业生产和导航与空间定位领域具有重要的作用。

2、目前对于重力的测量从原理上可以绝对重力测量和相对重力测量两类。绝对重力测量可以获得重力加速度的绝对值，目前应用较为广泛的例如micro-glacoste公司的fg5。然而绝对重力测量装备一般昂贵且庞大，无法灵活移动和大规模部署。由于这个原因，在实际测量中常会优先采用相对重力测量获得重力加速度的变化量，目前应用较为广泛的例如加拿大scintrex公司的cg6。

3、相对重力测量的形式多样，但原理上通常是基于检验质量块、弹簧振子、固定框架来检测重力加速度的变化量。在测量时，重力作用下的检验质量块使弹簧振子发生形变，当弹性力与重力平衡时，弹簧振子会使检验质量块处在平衡位置，当局部重力发生微小变化，检测系统会重新达到新的平衡状态，弹簧振子会使检验质量块到达新的平衡位置，通过对于平衡位置的变化量来对重力加速度的变化量进行标定与测量。

4、一般重力测量系统常用单敏感轴方向测定，单敏感轴装置在测定时，需要调整敏感轴方向使其与重力加速度的方向重合的问题。以及检验质量块位移测定的灵敏度低，且容易受到外界环境温度和电磁干扰影响，并且造价高体积大，难以集成化大量复制部署等问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种三分量光纤式重力测量系统，解决现有的重力测量系统对于检验质量块位移测定的灵敏度低，且容易受到外界环境温度和电磁干扰影响，并且造价高体积大，难以集成化大量复制部署等问题。

2、本发明是这样实现的，

3、一种三分量光纤式重力测量系统，包括三个mems重力敏感结构平面，相邻两个mems重力敏感结构平面法向量之间的夹角为120°，三个mems重力敏感结构平面与一个顶部为平面的底座之间以60°夹角设置；每个mems重力敏感结构平面包括：矩形的支撑架，以及位于支撑架内的检验质量块，所述检验质量块与支撑架位于同一平面内，检验质量块的下侧边中心通过折叠梁与支撑架连接，检验质量块的上侧边中心向上延伸一个连接杆，与所述连接杆垂直设置一个悬臂梁，所述悬臂梁的另一端与支撑架固定，在所述悬臂梁的上下对称位置两个表面分别贴附有第一光纤光栅fbg和第二光纤光栅fbg，所述第一光纤光栅fbg和所述第二光纤光栅fbg均通过3db耦合器连接光谱仪和宽带光源。

4、进一步地， 所述第一光纤光栅fbg和所述第二光纤光栅fbg的中心波长不相同。

5、进一步地，第一光纤光栅fbg和第二光纤光栅fbg的中心波长分别为1550nm和1570nm。

6、进一步地，所述折叠梁包括上梁与下梁，上梁与下梁结构相同，均为长条形，长条形两端均为弧形，上梁与下梁的中间位置通过两个半圆弧连接。

7、进一步地，第一光纤光栅fbg和第二光纤光栅fbg的两段布拉格光栅长度为4mm，光栅周期λ为540μm。

8、进一步地，所述悬臂梁采用长方体结构。

9、进一步地，通过光谱仪测量每个mems重力敏感结构平面中第一光纤光栅fbg和第二光纤光栅fbg形成的两个布拉格中心波长的变化量；改变悬臂梁与连接杆连接端的端部载荷，建立端部载荷与变化量之间的关系，根据端部载荷与重力加速度之间的关系，得到重力加速度与变化量之间的对应关系，完成标定。

10、进一步地，采用三分量光纤式重力测量系统进行测量时，测量三个mems重力敏感结构平面测量的重力加速度的值，并通过旋转矩阵计算得到最终的重力加速度值，所述旋转矩阵为：

11、，

12、，

13、，

14、其中，为重力加速度在轴上的分量，为重力加速度在轴上的分量，是重力加速度在轴上的分量，为60°，为30°，、 、分别是三个mems重力敏感结构平面测量的重力加速度。

15、本发明与现有技术相比，有益效果在于：

16、第一，本发明采用的整体结构设计尺寸小故可装配在小尺寸封装中，提高了传感器的便携性的同时，整体的设计制作成本低，可复制多个实体并大规模部署传感器以达到对于测量范围内的重力加速度区域性测量；

17、第二，本发明采用三轴结构同时对三个方向的加速度进行测量，针对重力加速度测量对传感器方向敏感的问题，本发明可以有效的避免在测量前需要调整校准传感器敏感轴方向的问题，提高了测量精确度和稳定性；

18、第三，本发明利用双光纤光栅的布拉格波长中心波长不同，反射光谱会呈现双峰结构，并随着悬臂梁的形变发生相对偏移，通过测量相对偏移量来对检验质量块的位移量进行定标，实现对重力加速度的测量。此结构对于应变的敏感度高，可以捕捉重力微小变化带来的为小应变，可提高传感器的灵敏度，同时对称设计的两根光纤光栅的差分测量方式可有效消除温度敏感项，几乎排除了温度对于测量的影响，且光纤光栅价格低，具有良好的实用价值和应用前景。

技术特征：

1.一种三分量光纤式重力测量系统，其特征在于，包括三个mems重力敏感结构平面，相邻两个mems重力敏感结构平面法向量之间的夹角为120°，三个mems重力敏感结构平面与一个顶部为平面的底座之间以60°夹角设置；每个mems重力敏感结构平面包括：矩形的支撑架，以及位于支撑架内的检验质量块，所述检验质量块与支撑架位于同一平面内，检验质量块的下侧边中心通过折叠梁与支撑架连接，检验质量块的上侧边中心向上延伸一个连接杆，与所述连接杆垂直设置一个悬臂梁，所述悬臂梁的另一端与支撑架固定，在所述悬臂梁的上下对称位置两个表面分别贴附有第一光纤光栅fbg和第二光纤光栅fbg，所述第一光纤光栅fbg和所述第二光纤光栅fbg均通过3db耦合器连接光谱仪和宽带光源。

2.根据权利要求1所述的三分量光纤式重力测量系统，其特征在于， 所述第一光纤光栅fbg和所述第二光纤光栅fbg的中心波长不相同。

3.根据权利要求2所述的三分量光纤式重力测量系统，其特征在于，第一光纤光栅fbg和第二光纤光栅fbg的中心波长分别为1550nm和1570nm。

4.根据权利要求1所述的三分量光纤式重力测量系统，其特征在于，所述折叠梁包括上梁与下梁，上梁与下梁结构相同，均为长条形，长条形两端均为弧形，上梁与下梁的中间位置通过两个半圆弧连接。

5.根据权利要求1所述的三分量光纤式重力测量系统，其特征在于，第一光纤光栅fbg和第二光纤光栅fbg的两段布拉格光栅长度为4mm，光栅周期λ为540μm。

6.根据权利要求1所述的三分量光纤式重力测量系统，其特征在于，所述悬臂梁采用长方体结构。

7.根据权利要求6所述的三分量光纤式重力测量系统，其特征在于，通过光谱仪测量每个mems重力敏感结构平面中第一光纤光栅fbg和第二光纤光栅fbg形成的两个布拉格中心波长的变化量；改变悬臂梁与连接杆连接端的端部载荷，建立端部载荷与变化量之间的关系，根据端部载荷与重力加速度之间的关系，得到重力加速度与变化量之间的对应关系，完成标定。

8.根据权利要求7所述的三分量光纤式重力测量系统，其特征在于，采用三分量光纤式重力测量系统进行测量时，测量三个mems重力敏感结构平面测量的重力加速度的值，并通过旋转矩阵计算得到最终的重力加速度值，所述旋转矩阵为：

技术总结本发明属于地球勘探重力测量技术领域，涉及一种三分量光纤式重力测量系统，包括三个MEMS重力敏感结构平面与一个顶部为平面的底座之间以60°夹角设置，相邻两个MEMS重力敏感结构平面法向量之间的夹角为120°；每个MEMS重力敏感结构平面包括：矩形的支撑架，以及位于支撑架内的检验质量块，检验质量块与支撑架位于同一平面内，检验质量块的下侧边中心通过折叠梁与支撑架连接，悬臂梁的另一端与支撑架固定，在悬臂梁的上下对称位置两个表面分别贴附有第一光纤光栅FBG和第二光纤光栅FBG，均通过3dB耦合器连接光谱仪和宽带光源。本发明可以有效的避免在测量前需要调整校准传感器敏感轴方向的问题，提高了测量精确度和稳定性。技术研发人员：林婷婷,徐琳,王一达,程金烁受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9