CN101907722A - 用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器，在空心杆上部侧壁上加工有开槽a、下端设上垫片和外沿间隔均布加工有3～8个刻槽的下垫片，开槽a下方空心杆上设上制动块和位于上制动块下的下制动块，上制动块与下制动块之间的空心杆上设沿空心杆移动的质量块，质量块的上表面与上制动块底面间的距离为4mm、下表面与下制动块上表面间的距离为8mm，质量块的下方空心杆上设置由3～8片弹性臂的上端与圆片连为一体、自由端设置在下垫片上构成的弹性梁，在任意一片弹性臂的外侧面上设振动传感光纤光栅，振动传感光纤光栅的输入端和输出端从开槽a穿入空心杆从空心杆上端穿出。

Description

用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器

技术领域

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，具体涉及一种用于对10Hz以下低频地震波信号进行探测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器。

技术背景

地震勘探是通过用人工震源激励的方法给地壳施加振动，然后再对地震检波器监测到的信号进行分析，从而确定地质构造情况，进行油气藏等地下资源的精细描述。地震检波器广泛地应用于石油、金属矿藏、煤炭、工程地质等的精细勘探领域中。光纤布拉格光栅作为一种新型的无源传感元件，具有可靠性好、尺寸小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，深受人们的关注，由于可实现分布式检测的突出优点，特别适合用于制作地震波检波器。而在地震波检波器的设计中，其核心部分就是振动传感器的结构设计，振动传感器设计的合理与否直接决定了地震波检波器性能的好坏。

目前，国内外虽已有各种不同类型的用于对地震波进行监测的振动加速度传感器，但其频率测量范围大多集中在10HZ以上，而用于10HZ以下的低频地震勘探的振动传感器很少有报道。这样低频地震中所包含的丰富的地质信息就有可能丢失，从而影响到地震信息采集的精度。因此，10HZ以下的低频地震波监测是目前地震勘探的薄弱点，制约了地震波的高精度采集，针对这一现状，急需研制出一种用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器。

发明内容：

本发明的目的在于解决目前地震波监测中振动加速度传感器的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、能用于10HZ以下的低频地震勘探的用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在空心杆的上部侧壁上加工有开槽a下端设置有上垫片和位于上垫片下的外沿间隔均布加工有3～8个刻槽的下垫片，开槽a的下方空心杆上设置上制动块和位于上制动块下的下制动块，在上制动块与下制动块之间的空心杆上设置有沿空心杆移动的质量块，质量块的上表面与上制动块底面间的距离为4mm、下表面与下制动块上表面间的距离为8mm，质量块的下方空心杆上设置由3～8片弹性臂的上端与圆片连为一体、自由端设置在下垫片上构成的弹性梁，在任意一片弹性臂的外侧面上设置有振动传感光纤光栅，振动传感光纤光栅的输入端和输出端由开槽a穿入空心杆从空心杆上端穿出。

本发明的振动传感光纤光栅的波长为1520～1570nm。

本发明的弹性臂的厚度为0.05～0.17mm。

本发明的弹性臂为对称结构，其两侧边的外端之间的距离d为1～5mm，两侧边的中点之间的距离e为2～12mm，臂长f为20～100mm。

本发明的弹性臂自由端的形状为T形，下垫片同一圆周上加工有3～8个与弹性臂数字相同、形状为T形的刻槽，弹性臂的自由端插入到下垫片的刻槽内。

本发明利用应变传感原理，将裸光栅封装在弹性臂外侧上接收振动信号，通过对振动传感光纤光栅的中心波长漂移量的测量，得出检测点附近加速度的大小，与常规悬臂梁结构相比较，具有体积小、灵敏度高、器形细长、易于井下安装等优点，解决了同类光纤光栅体积大，难以进行实际安装使用的技术问题，提高了传感器的灵敏度、测量范围及响应频率，可以实现多点分布和动态在线实时监测。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1的弹性梁5不同振动状态的示意图。

图3为图1中弹性梁5的展开图。

图4为图1中下垫片7的结构示意图。

图5为本发明实施例1的正行程和反行程拟合图。

图6为本发明实施例1、实施例2和实施例3的幅频特性对比图。

图7是本发明实施例1的冲击响应曲线图。

图8是本发明实施例1的冲击频谱图。

图9是本发明实施例1与标准电荷加速度传感器抗电磁干扰的对比实验图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器由空心杆1、上制动块2、质量块3、下制动块4、弹性梁5、上垫片6、下垫片7、螺母8、振动传感光纤光栅9联接构成。

如图1所示，空心杆1上部的侧壁上加工有开槽a，开槽a的下方空心杆1上用502胶粘贴有上制动块2，502胶为市场销售的商品，由台州市椒江拓普胶粘剂厂生产，上制动块2下方空心杆1上用502胶粘贴有下制动块3，上制动块2与下制动块4之间留有间隙，在上制动块2与下制动块4之间的空心杆1上套装有质量块3，质量块3可沿空心杆1上下移动，本实施例中质量块3的高为8mm，质量为12g，质量块3的下方空心杆1上安装有弹性梁5。本实施例的弹性梁由3片弹性臂51的上端与圆片50连为一体构成，圆片50套在上制动块2和下制动块4之间的空心杆1上并用502胶粘贴在质量块3的下底面上，弹性臂51的自由端安装在下垫片7上，在任意一片弹性臂51对称中心的外侧面上设置有中心位于弹性臂51对称中心上的振动传感光纤光栅9，质量块3的上表面与上制动块2底面之间的距离为4mm、下表面与下制动块4上表面之间的距离为8mm。空心杆1的下端加工有螺纹，空心杆1的下端安装有上垫片6，上垫片6下安装有下垫片7，弹性臂5-1弯曲后其自由端安装在下垫片7上，上垫片6与下垫片7之间用502胶粘贴联接，用螺母8将上垫片6、下垫片8和弹性臂51固定在空心杆1的下端，防止其运动。在任意一片弹性臂51的外侧用502胶粘接有振动传感光纤光栅9，本实施例所用的振动传感光纤光栅9的波长为1531.5nm，由北京泰克里科光学技术有限公司生产，振动传感光纤光栅9的中心位于弹性臂51的对称中心点，即弯曲时弹性臂51与空心杆1之间垂直距离最大位置处。振动传感光纤光栅9的输入端和输出端由开槽a穿入空心杆1后从空心杆1的上端穿出。振动传感光纤光栅9用于接收弹性梁5在发生振动时产生的加速度信号，转换成光信号由输出端输出。

如图2所示，弹性梁5安装在空心杆1上后，弹性臂51的中部向远离空心杆1的方向凸出，形成灯笼形。当弹性梁5处于初始静止状态时，弹性梁6的顶端与底端之间的距离c为43mm，弯曲时弹性臂51的对称中心点与空心杆1之间的垂直距离b为24mm。弹性梁5上下振动、弯曲时，弹性臂51的对称中心点与空心杆1之间的垂直距离b、与弹性梁5的顶端、底端之间的距离c的大小会发生改变，当质量块3向上运动到与上制动块2的底面相接触时，弹性臂51的对称中心点与空心杆1之间的垂直距离b为18mm，弹性梁6的顶端与底端之间的距离c为47mm；当质量块3向下运动到与下制动块4的上表面相接触时，弹性臂51的对称中心点与空心杆1之间的垂直距离b为28mm，弹性梁6的顶端与底端之间的距离c为35mm。

如图3所示，本实施例采用3片弹性臂51，3片弹性臂51的顶端与中心加工有圆孔的圆片50的外边缘连为一体，3片弹性臂51沿圆片50的外圆周间隔均布，弹性臂51的自由端为T形。每片弹性臂51为对称结构，其两侧边的外端之间的距离d为3mm，两侧边的中点之间的距离e为8mm，臂长f为60mm。本实施例中弹性梁5为铍青铜材料制成，厚度为0.15mm。

如图4所示，下垫片7的形状和大小与圆片50的形状和大小相同，下垫片7的中心加工有与空心杆1动配合的中心孔7a、外沿间隔均布加工有3个与弹性臂51自由端动配合的T形刻槽7b，一个刻槽7b的几何中心线与相邻一个刻槽7b的几何中心线之间的夹角为120°。本实施例中，弹性臂51的自由端为T形结构，下垫片7上的刻槽7b也为T形，弹性臂51的自由端插入到下垫片7上的刻槽7b内，如果弹性梁5的自由端采用三角形、圆形或其它形状，下垫片7上的刻槽7b也相应地改为与其相对应的形状。

实施例2

在本实施例中，弹性臂51的厚度为0.05mm，振动传感光纤光栅5的波长为1531.3nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，弹性臂51的厚度为0.1mm，振动传感光纤光栅5的波长为1531.2nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在本实施例中，弹性臂51的厚度为0.17mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～4中，弹性臂51的数量为8片，一片弹性臂51的几何中心线与相邻一片弹性臂51的几何中心线之间的夹角为45°，下垫片7的外沿间隔均布加工有8个与弹性臂51自由端动配合的刻槽7b。每片弹性臂51的厚度与相应的实施例相同，弹性臂51两侧边的外端之间的距离d为1mm，两侧边的中点之间的距离e为2mm，臂长f为20mm。质量块3的上表面与上制动块2底面间的距离为4mm、下表面与下制动块3上表面间的距离为8mm。振动传感光纤光栅5的波长为1520nm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例6

在以上的实施例1～3中，弹性臂51的数量为4片，一片弹性臂51的几何中心线与相邻一片弹性臂51的几何中心线之间的夹角为90°，下垫片7的外沿间隔均布制有4个与弹性臂51自由端配合的刻槽7b。弹性臂51两侧边的外端之间的距离d为5mm，两侧边的中点之间的距离e为12mm，臂长f为100mm。质量块3的上表面与上制动块2底面间的距离为4mm、下表面与下制动块3上表面间的距离为8mm。振动传感光纤光栅9的波长为1570nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

由宽带光源发出的宽带光经光纤传输到本发明上，光到达弹性梁5上的振动传感光纤光栅9时，振动传感光纤光栅9的中心反射波长落在一定的波长区域，其中，满足布拉格波长的光被反射回来，其余部分的光沿原光路继续传输。在动态情况下，由于地震波的到来，被测环境的加速度等发生变化，使得本发明发生与其同步相同频率的振动，振动信号使得振动传感光纤光栅9的周期和折射率发生变化，从而引起振动传感光纤光栅9的中心波长在波长区域内漂移，这时的反射光携带有使振动传感光纤光栅9中心波长发生变化的振动信号信息，通过测量振动传感光纤光栅9中心波长的漂移量获得周围环境的振动加速度大小，转换成光信号输出。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1、实施例2、实施例3制备的用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器(实验室名称为光纤布拉格光栅振动加速度传感器)进行实验室研究实验，各种实验情况如下：

实验仪器：宽带光源，型号为ASE-CL-10-021140，由深圳朗光科技有限公司生产；数控式线性直流稳压电源，型号为LPS-305，由茂迪(宁波)电子有限公司生产；耦合器，型号为WP15500202A1000，由无限光通讯(深圳)有限公司生产；数据采集卡，型号为USB-0611，由美国NI(National Instrucments Corp)公司生产；光谱分析仪，型号为MS9710C，由日本安立公司生产；标准振动台，型号为WS-Z40，由北京波普世纪科技发展有限公司生产；标准电荷加速度传感器，由北京波普世纪科技发展有限公司生产。

1、测试振幅分辨率

按仪器操作规程用实验室自制的微振幅控制测量仪器使本发明实施例1的光纤布拉格光栅振动加速度传感器产生垂直微小位移，即相应地引起振动传感光纤光栅9的中心波长产生漂移，并用光谱分析仪对振动传感光纤光栅9中心波长产生的漂移量进行检测。实验结果见表1。

表1本发明产生的垂直位移与中心波长关系

由表1可见，正行程和反行程过程中振动传感光纤光栅9的中心波长基本保持稳定。

用Mathematica6.0软件对表1中数据进行线性拟合，直线g是正行程拟合结果，直线h是反行程拟合结果，拟合方程分别为：

y＝1532.07+0.324x  (正行程)

y＝1532.06+0.326x  (反行程)

式中y为振动传感光纤光栅的中心波长，x为本发明产生的垂直微小位移量。

当实施例1产生垂直位移时，通过振动传感光纤光栅5的中心波长漂移量可测得实施例1的垂直位移。正行程、反行程的线性拟合度均达到了99.92％以上，实施例1的振幅分辨率为324pm/mm。实验和计算结果见图5。由图5可见，直线g和直线h几乎重合，表明本发明的测量重复性能好。

2、测试幅频特性曲线

将本发明实施例1、实施例2和实施例3的光纤布拉格光栅振动加速度传感器固定在标准振动台上，在同放大器幅度下标准振动台采用不同的正弦频率激振，将激振频率从1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、15、18、20、22HZ范围内连续调节，得到同幅度不同频率下的动态测量特性数据，幅频测试结果参见表2和图6。

表2.实施例1～3在同幅度不同激振频率下的动态测试结果

由表2可见，实施例1从1Hz到10Hz峰值电压变化不大，基本保持在2.07V左右，15Hz时峰值电压突然升高，18Hz到20Hz又再降低，20Hz到22Hz出现衰减；实施例2的峰值电压波动较大，8～9Hz时突然升高，10Hz后开始降低，稳定性较实施例1差；实施例3在3～7Hz之间峰值电压变化不大，基本保持在2V，较为稳定，12Hz时峰值电压突然升高，15Hz开始衰减。

用Excel软件对表2中数据进行处理，结果见图6，图6中曲线k为实施例1的幅频特性曲线，曲线i为实施例2的幅频特性曲线，曲线j为实施例3的幅频特性曲线。由图6可见，实施例1的平坦区域宽，即频带宽，0～12Hz为幅值平坦区域，覆盖了10Hz以下的低频信号段，可选作工作区域，有利于探测10Hz以下包含丰富地震信息的低频地震信号，12～20Hz为共振区，20～22Hz为衰减区；由于实施例2中加工成弹性梁的材料较薄，从曲线d可以看出实施例2的固有频率约为8Hz，在1～7Hz之间整体波动较大，平坦性一般；从曲线e可以看出实施例3的固有频率约为12Hz，在1.5Hz、9Hz处有两个峰，3～7Hz之间虽然较为平坦，但平坦区域较短。

3、冲击实验

将实施例1的光纤布拉格光栅振动传感器固定在标准振动台上对其做冲击实验。

测试方法为：对实施例1的光纤布拉格光栅振动加速度传感器施加大小为1m/s²的加速度，然后测量撤除该加速度后的响应曲线，见图7。由图7可以看出，实施例1的冲击响应曲线是一个低频阻尼振荡的曲线，振动衰减快，有利于快速响应下一次振动，由图7中振荡曲线的周期可确定实施例1的固有频率为16Hz。

图8是实施例1光纤布拉格光栅振动加速度传感器的冲击频谱图，由图8可以看出实施例1光纤布拉格光栅振动加速度传感器的固有频率为16Hz。

4、与标准电荷加速度传感器的对比实验

(1)将实施例1～实施例3制备的光纤布拉格光栅振动传感器与标准电荷加速度传感器同时固定在标准振动台上，分别用3、4、5、6、7、8、10、11、20HZ的正弦信号进行同一频率不同幅度下的激振测试。实施例1、实施例2、实施例3与标准电荷加速度传感器的对比数据参见表3。

表3同一频率不同幅度激振下对比测试结果

由表3的实验数据可见，在相同频率不同放大器幅度下激振，实施例1、实施例2、实施例3的峰值电压明显大于标准电荷加速度传感器的峰值电压，说明在相同测量情况下实施例1、实施例2、实施例3光纤布拉格光栅振动加速度传感器的灵敏度比标准电荷加速度传感器的灵敏度高；当将放大器幅度调整到较大时，实施例1、实施例2、实施例3光纤布拉格光栅振动加速度传感器探测的峰值电压能随着标准电荷加速度传感器探测的峰值电压的改变而变化，说明本发明能很好地相应外界振动，而相对于实施例2和实施例3，实施例1的放大倍率与标准电荷加速度传感器最为接近，几乎相同。

(2)用实验室自制的电磁干扰仪器对实施例1光纤布拉格光栅振动加速度传感器和标准电荷加速度传感器在相同条件下的振动情况进行干扰实验，结果见图9，图9中曲线l为实施例1光纤布拉格光栅振动加速度传感器的响应曲线，曲线m为标准电荷加速度传感器的响应曲线。由图9可以看出，在相同的振动测量环境下，标准电荷加速度传感器的响应明显受到电磁干扰，而不能进行振动测量，而实施例1依然能准确响应振动。

Claims (5)

1.一种用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器，其特征在于：在空心杆(1)的上部侧壁上加工有开槽(a)、下端设置有上垫片(6)和位于上垫片(6)下的外沿间隔均布加工有3～8个刻槽(7b)的下垫片(7)，开槽(a)的下方空心杆(1)上设置上制动块(2)和位于上制动块(2)下的下制动块(4)，在上制动块(2)与下制动块(4)之间的空心杆(1)上设置有沿空心杆(1)移动的质量块(3)，质量块(3)的上表面与上制动块(2)底面间的距离为4mm、下表面与下制动块(3)上表面间的距离为8mm，质量块(3)的下方空心杆(1)上设置由3～8片弹性臂(51)的上端与圆片(50)连为一体、自由端设置在下垫片(7)上构成的弹性梁(5)，在任意一片弹性臂(51)的外侧面上设置有振动传感光纤光栅(9)，振动传感光纤光栅(9)的输入端和输出端由开槽(a)穿入空心杆(1)从空心杆(1)上端穿出。

2.根据权利要求1所述的用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器，其特征在于：所说的振动传感光纤光栅(9)的波长为1520～1570nm。

3.根据权利要求1所述的用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器，其特征在于：所说的弹性臂(51)的厚度为0.05～0.17mm。

4.根据权利要求1或3所述的用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器，其特征在于：所说的弹性臂(51)为对称结构，其两侧边的外端之间的距离(d)为1～5mm，两侧边的中点之间的距离(e)为2～12mm，臂长(f)为20～100mm。

5.根据权利要求1所述的用于低频地震波监测的光纤布拉格光栅振动加速度传感器，其特征在于：所说的弹性臂(51)自由端的形状为T形，下垫片(7)同一圆周上加工有3～8个与弹性臂(51)数字相同、形状为T形的刻槽(7b)，弹性臂(51)的自由端插入到下垫片(7)的刻槽(7b)内。

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