CN101598802B - 可用于陆地及水下的光纤激光检波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，包括：主体筒，其内部安装有至少两个膜片及至少一个质量块，质量块安装于两个膜片之间；衬筒，安装于主体筒的内表面，用于支撑膜片；延长筒，连接于主体筒，用于为光纤激光器保留足够的空间，并压紧膜片；在延长筒一侧壁开出的静压孔，用于将检波器内部与外部联通，以平衡静压；端盖，安装于延长筒的端部，用于保护传感器内部、引出激光器，并固定光纤激光器的一端；以及光纤激光器，一端固定于端盖，另一端穿过延长筒、膜片及质量块固定于质量块的一端，用于检测地震波信号。利用本发明，可以减小检波器的体积，减小横向灵敏度，消除静水压的影响。

Description

可用于陆地及水下的光纤激光检波器

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种可用于陆地及水下的光纤激光检波器。

背景技术

光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。

光纤检波器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，探测地表、地下、以及液体中的地震波信号的仪器。它与传统的压电类传感器相比，有以下主要优势：频带宽、声压灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。

鉴于光纤检波器的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。

Teng Li，许兆文，刘波，董孝义等人分别报道了不同种类的光纤加速度传感器(检波器的一种)。但是，上面报道的这些光纤加速度传感器全部是基于悬臂梁的技术方案。也就是将光纤光栅粘接在悬臂梁的表面，在悬臂梁的自由端安装质量块，当有地震波信号时，悬臂梁振动，从而在其上下表面产生应变，使光纤光栅的输出波长发生变化，从而解调出地震波信号。在这些技术方案中存在一些共同问题。首先，体积较大，由于悬臂梁要安装在传感器的内部，并留有一定的空间安装质量块等，传感器的体积不能做得很小，一般尺寸都要大于50mm×30mm×40mm。第二，横向灵敏度较大，悬臂梁和质量块在受到横向激励时不可避免的产生扭曲。董孝义等人(实用新型专利ZL200420028862.7)提出了将质量块穿过导轨的技术方案，该方案可在一定程度上减小横向加速度灵敏度，但是导轨同时限制了质量块的移动范围。从而限制了传感器的动态范围(定义为最大检测信号与最小检测信号之比)。因此没有根本上解决横向灵敏度的问题。第三，上述各种技术方案均没有考虑在水下工作的情况，尤其是在深水中当水压比较大的时候，传感器外壳受压变形将使其不能正常工作。

因此，如何减小传感器的体积，减小横向灵敏度的影响，并使传感器可以工作在陆地和水下是该类光纤检波器目前尚未解决的技术问题，而此类技术问题将很大程度上限制传感器的应用范围。例如，在井下石油勘探作业中，井口直径不大于110mm，因此传感器的体积必须细小，以保证可以顺利安装于井下。又如，在石油勘探作业中应用时，为了获得清晰的地层剖面成像，要求检波器的横向灵敏度越低越好，这样才可以分辨不同方向的地震波信号。再如，当进行井下和海底石油勘探作业时，要求传感器能够耐静水压，在某些情况下，静水压可达80MPa以上。如上这些应用领域，都对地震检波器提出了苛刻的性能要求，这也是本发明提出的技术背景。

因此，本发明提出一种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，用于在军事领域和石油勘探等民用领域的地震波勘探，重点解决传感器的体积、横向灵敏度、水下静压平衡等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，以解决传感器的体积、横向灵敏度、水下静压平衡等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，该光纤激光检波器包括：

主体筒10，其内部安装有至少两个膜片60及至少一个质量块50，质量块50安装于两个膜片60之间；

衬筒80，安装于主体筒10的内表面，用于支撑膜片60；

延长筒20，连接于主体筒10，用于为光纤激光器40保留足够的空间，并压紧膜片60；

在延长筒20一侧壁开出的静压孔21，用于将检波器内部与外部联通，以平衡静压；

端盖30，安装于延长筒20的端部，用于保护传感器内部、引出激光器40，并固定光纤激光器40的一端；以及

光纤激光器40，一端固定于端盖30，另一端穿过延长筒20、膜片60及质量块50固定于质量块50的一端，用于检测地震波信号。

上述方案中，所述主体筒10为一内部有阶梯的圆柱筒形结构，包含第一凸台11、第二凸台12，以及用于引出光纤激光器40的尾纤的孔13。

上述方案中，所述衬筒80的外径等于膜片60的外径，以保证膜片60的压紧效果，但略小于主体筒10第一凸台11与第二凸台12之间部分的内径，以便于顺利安装。

上述方案中，所述膜片60为中心对称形状，其中央包含一孔61，用于安装质量块50，孔61的周围呈中心对称形开有至少两个用于联通检波器内部各部分的孔63，孔63之间形成肋62；膜片60作为限位元件，用于控制检波器频响特性和灵敏度，并限制质量块50的横向位移，以减小检波器的横向灵敏度。

上述方案中，所述膜片60的安装方式为：其中一个膜片的孔63与另一个膜片的肋62相对；

所述膜片60的个数与其孔63的个数的关系为：孔63的个数可以被膜片60的个数整除。

上述方案中，所述质量块50为一中间较粗，两端较细的阶梯形圆柱结构，其两端较细部分用于安装膜片60；质量块50作为惯性元件，用于增加地震波信号引起的光纤激光器40的轴向应变，并固定光纤激光器40的另一端；

上述方案中，所述质量块50的两端进一步安装有螺母52，以固定膜片60和质量块50。

上述方案中，所述质量块50由多个形状相同的、中间较粗两端较细的圆柱形质量块串接而成，并且在每一个较细的部位均安装有一膜片60，质量块50的个数等于膜片60的个数减一。

上述方案中，当所述质量块50由多个形状相同的、中间较粗两端较细的圆柱形质量块串接而成时，其串接、并固定膜片60的方法为：通过螺母52同时将相邻的两个质量块旋紧在一起，并将膜片60压紧在其中一个质量块上。

上述方案中，所述膜片60与延长筒20之间进一步安装卡环15使膜片60压紧在衬筒80上，以改善压紧的效果。

上述方案中，所述膜片60与主体筒10之间进一步安装垫圈16，以改善压紧的效果。

上述方案中，所述衬筒80的个数等于膜片60的个数减一。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，可以通过利用圆柱形筒并安装多个膜片及质量块的方式减小检波器的体积。

2、本发明提供的这种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，可以通过安装多个膜片并对称放置不同的膜片，以减小横向灵敏度。

3、本发明提供的这种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，通过静压平衡孔及膜片上的孔使检波器的内部完全联通，以消除静水压的影响。

附图说明

图1为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的结构图(剖视图)；

图2为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器安装两个质量块和三个膜片时的示意图；

图3为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的质量块50由多个质量块构成时的连接方式图；

图4为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器中安装卡环15和垫圈16时的示意图；

图5为常见的圆形膜片的示意图；

图6为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的膜片60有两个孔和两个肋时的示意图(小孔)；

图7为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的膜片60有两个孔和两个肋时的示意图(大孔)；

图8为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的膜片60有三个孔和三个肋时的示意图(小孔)；

图9为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的膜片60有三个孔和三个肋时的示意图(大孔)；

图10为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的膜片60有四个孔和四个肋时的示意图；

图11为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的膜片60有五个孔和五个肋时的示意图；

图12为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的膜片60有六个孔和六个肋时的示意图；

图13为本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的质量块50加长并容纳光纤激光器40时的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

请参照图1，图6～12，该可用于陆地及水下的光纤激光检波器包括：主体筒10，用于安装膜片60及质量块50；延长筒20，用于为光纤激光器40保留足够的空间，并压紧膜片60；端盖30，用于保护传感器内部、引出激光器40，并固定光纤激光器40的一端；光纤激光器40，用于检测地震波信号；两个膜片60，作为限位元件，用于控制检波器频响特性和灵敏度，并限制质量块50的横向位移，以减小检波器的横向灵敏度；安装于膜片60之间的质量块50，作为惯性元件，用于增加地震波信号引起的光纤激光器40的轴向应变，并固定光纤激光器40的另一端；膜片60上的孔63，用于联通检波器内部各部分；安装于主体筒10内的衬筒80，用于支撑膜片60；静压孔21，用于将检波器内部与外部联通，以平衡静压。

质量块50的中央开有轴向孔51。光纤激光器40可以穿过端盖30及质量块50，其两端分别固定在端盖30上和质量块50上。固定的方式可以为粘接或焊接。

本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的工作原理为，在主体筒10的端部有孔19，用于安装尾椎或螺纹，使检波器可以安装于土壤中或被测物体上。当有地震波信号时，质量块50在膜片60的约束下沿主体筒的轴向振动，从而带动光纤激光器40产生轴向应变，引起其输出波长发生变化。通过解调设备检测波长变化从而解调出地震波信号。

请参照图6～图12，膜片60为中心对称形状，其中央包含一孔61，用于安装质量块50，孔61的周围呈中心对称形开有至少两个孔63，孔63之间形成肋62。

膜片60至少为两个，且其安装方式为其中之一的膜片的孔与另一膜片的肋相对。膜片的个数与其孔63的个数的关系为，孔63的个数可以被膜片60的个数整除。

本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的降低横向灵敏度的方法为，通过两膜片相对错开安装，即其中之一的膜片的孔与另一膜片的肋相对的方式，降低横向灵敏度。如图7所示的膜片60，其在x方向的抗弯刚度明显大于y方向，因此，上下两个膜片60相对错开安装，可同时降低沿x方向和y方向的横向灵敏度。

同时，本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器亦可以通过改变膜片60的孔63的大小以改变膜片60的有效面积，从而调整检波器的轴向灵敏度，如图6和图7所示。

质量块50为一中间较粗，两端较细的阶梯形圆柱结构，其两端较细部分用于安装膜片60。质量块50的两端可进一步安装有螺母52，以固定膜片60和质量块50。

主体筒为一内部有阶梯的圆柱筒形结构，包含第一凸台11，第二凸台12，以及用于引出光纤激光器40的尾纤的孔13。

衬筒的外径等于膜片60的外径，以保证膜片60的压紧效果，但略小于主体筒10第一凸台11与第二凸台12之间部分的内径，以变顺利安装。

通过上面的描述可以看出，本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器通过圆柱形主体筒10包含内部的各元件，有效的降低了传感器的体积，使传感器的外径可以小于10mm。

在主体筒10上包含有静压孔21，用于将检波器内部与外部联通，孔21结合膜片60上的孔63，使传感器内部各处联通，以平衡静压，从而使检波器可以工作在水下。

实施例二

请参照图2，图6～12，该可用于陆地及水下的光纤激光检波器包括：主体筒10，用于安装膜片60及质量块50；延长筒20，用于为光纤激光器40保留足够的空间，并压紧膜片60；端盖30，用于保护传感器内部、引出激光器40，并固定光纤激光器40的一端；光纤激光器40，用于检测地震波信号；两个膜片60，作为限位元件，用于控制检波器频响特性和灵敏度，并限制质量块50的横向位移，以减小检波器的横向灵敏度；安装于膜片60之间的质量块50，作为惯性元件，用于增加地震波信号引起的光纤激光器40的轴向应变，并固定光纤激光器40的另一端；膜片60上的孔63，用于联通检波器内部各部分；安装于主体筒10内的衬筒80，用于支撑膜片60；静压孔21，用于将检波器内部与外部联通，以平衡静压。

质量块50的中央开有轴向孔51。光纤激光器40可以穿过端盖30及质量块50，其两端分别固定在端盖30上和质量块50上。固定的方式可以为粘接或焊接。

本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的工作原理与实施例一相同。在主体筒10的端部有孔19，用于安装尾椎或螺纹，使检波器可以安装于土壤中或被测物体上。当有地震波信号时，质量块50在膜片60的约束下沿主体筒的轴向振动，从而带动光纤激光器40产生轴向应变，引起其输出波长发生变化。通过解调设备检测波长变化从而解调出地震波信号。

请参照图6～图12，膜片60为中心对称形状，其中央包含一孔61，用于安装质量块50，孔61的周围呈中心对称形开有至少两个孔63，孔63之间形成肋62。

膜片60在本实施例中为三个，且其安装方式为其中之一的膜片的孔与另一膜片的肋相对。膜片的个数与其孔63的个数的关系为，孔63的个数可以被膜片60的个数整除，因此在本实施例中可以安装如图8或图9所示的膜片60。

本发明提供的可用于陆地及水下的光纤激光检波器的降低横向灵敏度的方法为，通过两膜片相对错开安装，即其中之一的膜片的孔与另一膜片的肋相对的方式，降低横向灵敏度。

质量块50为一中间较粗，两端较细的阶梯形圆柱结构，其两端较细部分用于安装膜片60。质量块50的两端可进一步安装有螺母52，以固定膜片60和质量块50。

质量块50可由多个形状相同的、中间较粗两端较细的圆柱形质量块串接而成，并且在每一个较细的部位均安装有一膜片60，质量块50的个数等于膜片60的个数减一。在本实施例中，质量块50由两个质量块构成，故安装有三个膜片60.

请参照图3，当质量块50当由多个形状相同的、中间较粗两端较细的圆柱形质量块串接而成时，其串接、并固定膜片60的方法为，通过螺母52同时将相邻的两个质量块旋紧在一起，并将膜片60压紧在其中一个质量块上。

主体筒10与实施例一相同，为一内部有阶梯的圆柱筒形结构，包含第一凸台11，第二凸台12，以及用于引出光纤激光器40的尾纤的孔13。

衬筒80的外径等于膜片60的外径，以保证膜片60的压紧效果，但略小于主体筒10第一凸台11与第二凸台12之间部分的内径，以变顺利安装。

衬筒80的个数等于膜片60的个数减一。在本实施例中，包含两个衬筒80，分别安装在三个膜片60的中间。

本实施例平衡静水压及减小检波器体积方面的方法和原理同实施例一。

实施例三

请参照图4，图6～12，该可用于陆地及水下的光纤激光检波器包括：主体筒10，用于安装膜片60及质量块50；延长筒20，用于为光纤激光器40保留足够的空间，并压紧膜片60；端盖30，用于保护传感器内部、引出激光器40，并固定光纤激光器40的一端；光纤激光器40，用于检测地震波信号；两个膜片60，作为限位元件，用于控制检波器频响特性和灵敏度，并限制质量块50的横向位移，以减小检波器的横向灵敏度；安装于膜片60之间的质量块50，作为惯性元件，用于增加地震波信号引起的光纤激光器40的轴向应变，并固定光纤激光器40的另一端；膜片60上的孔63，用于联通检波器内部各部分；安装于主体筒10内的衬筒80，用于支撑膜片60；静压孔21，用于将检波器内部与外部联通，以平衡静压。

本实施例中，检波器的工作原理、减小横向灵敏度的工作原理、平衡静水压的原理与实施例一同。所不同的是，为了使传感器的一致性提高，需要改进膜片60与主体筒10及衬筒80之间的压紧效果。本发明提供的检波器一般为金属机加工而成。因此当机加工表面光洁度不是很高时，膜片60的夹紧效果将难于控制，因此造成检波器的一致性降低。

鉴于此，在膜片60与延长筒20之间可进一步安装卡环15使膜片60压紧在衬筒80上，以改善压紧的效果。同时，膜片60与主体筒10之间可进一步安装垫圈16，以改善压紧的效果。

实施例四

请参照图13，图6～12，该可用于陆地及水下的光纤激光检波器包括：主体筒10，用于安装膜片60及质量块50；延长筒20，用于为光纤激光器40保留足够的空间，并压紧膜片60；端盖30，用于保护传感器内部、引出激光器40，并固定光纤激光器40的一端；光纤激光器40，用于检测地震波信号；两个膜片60，作为限位元件，用于控制检波器频响特性和灵敏度，并限制质量块50的横向位移，以减小检波器的横向灵敏度；安装于膜片60之间的质量块50，作为惯性元件，用于增加地震波信号引起的光纤激光器40的轴向应变，并固定光纤激光器40的另一端；膜片60上的孔63，用于联通检波器内部各部分；安装于主体筒10内的衬筒80，用于支撑膜片60；静压孔21，用于将检波器内部与外部联通，以平衡静压。

本实施例中，检波器的工作原理、减小横向灵敏度的工作原理、平衡静水压的原理与实施例一同。所不同的是，为了使传感器的灵敏度提高，需要增加质量块50的质量，在不增加检波器外径的情况下，即可增加质量块50的长度以增加质量块50的质量。

鉴于此，可以将光纤激光器40的主体部分容纳在质量块50的孔51内。孔51的长度与光纤激光器40的长度基本相当。光纤激光器40的一端固定在端盖30的孔31处，另一端可以固定在质量块50的孔51的下端部55处。这样，质量块50同时可以起到保护光纤激光器40的作用。

此外，本发明所提供的技术方案并不受限于上述四个实施例，比如，膜片60的个数可以更多而不只三个，质量块50和衬筒80的个数亦可随之增加亦不只于2个。如图6～12所示，膜片60的孔63的个数亦可根据情况增加。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，该光纤激光检波器包括：

主体筒(10)，其内部安装有至少两个膜片(60)及至少一个质量块(50)，当有两个膜片(60)且有一个质量块(50)时，质量块(50)安装于两个膜片(60)之间；当质量块(50)的个数超过一个时，质量块(50)由多个形状相同的、中间较粗两端较细的圆柱形质量块串接而成，并且在每一个较细的部位均安装有一膜片(60)，质量块(50)的个数等于膜片(60)的个数减一；

衬筒(80)，安装于主体筒(10)的内表面，用于支撑膜片(60)；

延长筒(20)，连接于主体筒(10)，用于为光纤激光器(40)保留足够的空间，并压紧膜片(60)；

在延长筒(20)一侧壁开出的静压孔(21)，用于将检波器内部与外部联通，以平衡静压；

端盖(30)，安装于延长筒(20)的端部，用于保护传感器内部、引出激光器(40)，并固定光纤激光器(40)的一端；以及

光纤激光器(40)，一端固定于端盖(30)，另一端穿过延长筒(20)、膜片(60)及质量块(50)固定于质量块(50)的一端，用于检测地震波信号。

2.根据权利要求1所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述主体筒(10)为一内部有阶梯的圆柱筒形结构，包含第一凸台(11)、第二凸台(12)，以及用于引出光纤激光器(40)的尾纤的孔(13)。

3.根据权利要求2所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述衬筒(80)的外径等于膜片(60)的外径，以保证膜片(60)的压紧效果，但略小于主体筒(10)第一凸台(11)与第二凸台(12)之间部分的内径，以便于顺利安装。

4.根据权利要求1所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述膜片(60)为中心对称形状，其中央包含一孔(61)，用于安装质量块(50)，孔(61)的周围呈中心对称形开有至少两个用于联通检波器内部各部分的孔(63)，孔(63)之间形成肋(62)；膜片(60)作为限位元件，用于控制检波器频响特性和灵敏度，并限制质量块(50)的横向位移，以减小检波器的横向灵敏度。

5.根据权利要求4所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述膜片(60)的安装方式为：其中一个膜片的孔(63)与另一个膜片的肋(62)相对；

所述膜片(60)的个数与每一个膜片(60)上的孔(63)的个数的关系为：每一个膜片(60)上的孔(63)的个数可以被膜片(60)的个数整除。

6.根据权利要求1所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述质量块(50)为一中间较粗，两端较细的阶梯形圆柱结构，其两端较细部分用于安装膜片(60)；质量块(50)作为惯性元件，用于增加地震波信号引起的光纤激光器(40)的轴向应变，并固定光纤激光器(40)的另一端；

7.根据权利要求6所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述质量块(50)的两端进一步安装有螺母(52)，以固定膜片(60)和质量块(50)。

8.根据权利要求1所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述串接、并固定膜片(60)的方法为：通过螺母(52)同时将相邻的两个质量块旋紧在一起，并将膜片(60)压紧在其中一个质量块上。

9.根据权利要求1所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述膜片(60)与延长筒(20)之间进一步安装卡环(15)使膜片(60)压紧在衬筒(80)上，以改善压紧的效果。

10.根据权利要求1所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述膜片(60)与主体筒(10)之间进一步安装垫圈(16)，以改善压紧的效果。

11.根据权利要求1所述的可用于陆地及水下的光纤激光检波器，其特征在于，所述衬筒(80)的个数等于膜片(60)的个数减一。

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