CN102262241A

CN102262241A - 光纤地震检波器

Info

Publication number: CN102262241A
Application number: CN2011101064276A
Authority: CN
Inventors: 郭团; 关柏鸥
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明公开了一种光纤地震检波器，包括倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构、聚合物弹性管、支承构件、外壳和光纤导线，聚合物弹性管一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构均封装在聚合物弹性管内；聚合物弹性管外侧由外壳保护，聚合物弹性管通过光纤导线与外部光源和光电探测器相连；所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法或光纤拉锥法加工而成。本发明采用了一个包层-纤芯能量再耦合结构，结构小巧，且该结构对光纤微弯曲或光纤振动非常敏感，灵敏度高，而且器解调更加简单，解调成本低廉。

Description

光纤地震检波器

技术领域

本发明涉及一种用于检测地震波信号的传感器设计领域，特别涉及一种基于光纤技术检测微弱高/低频地震波信号的传感器。

背景技术

地震检波器在地震灾害预防、石油天然气勘探和国防安全监测等领域有着广泛的应用，主要包括：记录震源、研究地球内部结构和地震波传播特性，实现临震预报；记录人工震动经岩层分界面发生反射或折射引起的弹性波，认识地下地质构造以寻找油气圈闭，实现油气储存勘探；探测入侵目标引起的地面波，实现目标识别及预警安全监测。因此，地震波探测仪器市场空间非常巨大。

现有的地震检波器主要是基于电学原理设计制作而成的，将振动信息转换为电压信号，通过电子学手段测得电压大小，由此实现地震波信号测量。从工作原理上现有的地震检波器分为动圈式、涡流式、压电式、压阻式等，其缺点是：易受电磁干扰，灵敏度比较低，特别是电子学器件易产生电火花，在油气勘探领域中应用时存在安全隐患。

光纤传感器技术相对于传统的电类传感器具有以下优点：灵敏度高、不受电磁干扰、结构小巧、易于组网及长距离传输等，按照其传感机理可以分为强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型等，由于其具有以上优点，所以得到越来越广泛的应用和研究。

美国加州大学尔湾分校D.H.Kim等在2007年报道了一种基于双光栅透射光强调制的光纤加速度计(D.H.Kim，M.Q.Feng.Real-time structural healthmonitoring using a novel fiber-optic accelerometer system[J].IEEE Sens.J.，2007，7(4)：536～543)。其方法是两光栅一个固定在加速度计壳壁上，另一个固定在质量块上。在振动作用下，两光栅作相对移动，通过光栅的光强随之变化，从而可探测振动的加速度。这种方法解调探测成本低，但复用能力差，传感器结构复杂，体积大，不易集成，并且光源输出抖动直接影响探测结果。

文献“A fiber-optic Bragg grating seismic sensor”(A.Laudati，F.Mennella，M.Giordano et al..IEEE Photon.Technol.Lett.，2007，19(24)：1991～1993)公开了一种光纤光栅型地震检波器，其用三只波将复用的FBG分别间隔120°排列在圆管内壁，构成一支有方向性的地震检波器。同传统检波器的对比冲击测试结果表明在0.1～10Hz范围内频率响应一致。文献“Design and test of a laser-basedoptical-fiber Bragg-grating accelerometer for seismic applications Gagliardi”(GGagliardi，M Salza，P Ferraro et al..Meas.Sci.Technol.，2008，19(8)：085306)公开了一种相似的传感器结构，它在竖立的圆柱杆上固定了质量块和FBG，该系统本底噪声较高，最小可探测的加速度仅能达到0.1mg/Hz。这两类传感器易于复用，但是传感器结构复杂，体积大，响应灵敏度较低，而且需要波长解调，解调设备昂贵。

因此，需要提供一种结构紧凑、成本低廉、易于组网且具有高灵敏度的光纤地震检波器。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种光纤地震检波器，其具有结构紧凑、成本低廉、易于组网的优点，且可实现对微弱地震波信号的高灵敏度探测。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：光纤地震检波器，包括倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构、聚合物弹性管、支承构件、外壳和光纤导线；聚合物弹性管一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动；倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构均封装在聚合物弹性管内；聚合物弹性管外侧由外壳保护，聚合物弹性管通过光纤导线与外部光源和光电探测器相连；所述聚合物弹性管在保护内部倾斜光纤光栅的同时，利用其自身的高弹性有效将环境振动传递至内部光纤。

所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法或光纤拉锥法加工而成，用于耦合由倾斜光纤光栅激发的反向于入射光传输的低阶包层模再次进入光纤纤芯，从而得到反映光纤振动信息的包层模能量变化，实现振动高灵敏度实时检测。这两种光纤加工方法具有制作简单、不降低光纤机械强度、振动信息获取直接、灵敏度高等优点。

更进一步的，所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法加工而成时，包层与纤芯的横向错位控制在2～4um，其中光纤纤芯直径在8～10um、包层直径在125um。采用此横向错位熔接方式既能够保证充足的包层模-纤芯模耦合通道，又能够避免引入过大的熔接损耗。

由于包层模在进入光纤纤芯前传输损耗较大，因此错位熔接点尽量接近倾斜光纤光栅，典型间距为2～5mm。整个传感探头(即包含错位熔接点和倾斜光纤光栅)尺寸可小于15mm.。

更进一步的，所述包层-纤芯能量再耦合结构采用光纤拉锥法加工而成时，光纤拉锥直径控制在60～90um，未拉锥包层直径125um，这样既能够保证充足的包层模-纤芯模耦合通道，又能够避免纤锥过细降低其机械强度。

优选的，拉锥位置尽量接近倾斜光纤光栅，典型间距为2～5mm。

作为优选方案，所述倾斜光纤光栅采用倾斜光栅，光栅倾斜角度为2-4度，这一倾角范围即保证充足的低级包层模激发用于提供振动信息，同时又有较强的纤芯反射模用于提供环境温度信息和光强校准。

聚合物弹性管要求具有较高的弹力回复性和机械强度，例如高弹性聚乙烯材料。

聚合物弹性管与内部光纤之间的空隙通过光敏胶固化，例如环氧丙烯酸酯胶等，用以增强弹性管应变快速有效的传递至内部光纤光栅，提高应变一致性。

本发明的工作过程：较传统布拉格光纤光栅仅反射纤芯模工作方式(在光纤纤芯内传输的光波模式)不同的是，倾斜光纤光栅由于光栅倾斜角度的引入，在反射纤芯模的同时后向激发大量包层模(可在光纤包层传输的光波模式)。通常，这些后向传输的包层模只能在光纤包层内传输，并且很快被衰减掉(光纤包层能量衰减较大)。通过采用错位熔接法或光纤拉锥法加工而成的包层-纤芯能量再耦合结构，将后向传输的包层模有效再耦合进入光纤纤芯，此包层-纤芯耦合能量非常敏感于光纤微弯曲或光纤振动(包层模能量变化正比于光纤振动幅度)，因此，通过探测后向包层模能量变化即可实时监测地震波幅度和频率信息。与此同时，倾斜光栅纤芯模反射能量不随光纤微弯曲变化，可有效消除光源和传输系统引入的光强抖动，并提供温度变化信息。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明与已有的基于光纤光栅或光纤激光器的光纤地震检波器相比，其内部采用的包层-纤芯能量再耦合结构由错位熔接法、光纤拉锥法加工而成，从而可具有更高的灵敏度，而且器解调更加简单，解调成本低廉。

2、本发明与传统的电类传感器相比，由于其采用光纤光栅所以具有不受电磁干扰等优点。

3、本发明与直接强度调制型光纤地震检波器相比，由于其采用了一个包层-纤芯能量再耦合结构，结构小巧，且该结构对光纤微弯曲或光纤振动非常敏感，灵敏度高。

4、本发明与干涉型基于光纤地震检波器相比，具有易于复用和组网的优点。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，在本实施例中，光纤地震检波器，包括倾斜光纤光栅1、包层-纤芯能量再耦合结构2、聚合物弹性管3、支承构件4、外壳5和光纤导线6；聚合物弹性管3一端固定于支承构件4上，另一端悬空感测振动；倾斜光纤光栅1、包层-纤芯能量再耦合结构2均封装在聚合物弹性管3内；聚合物弹性管3外侧由外壳5保护；聚合物弹性管3通过光纤导线6与外部光源和光电探测器相连。所述聚合物弹性管3在保护内部倾斜光纤光栅1的同时，利用其自身的高弹性有效将环境振动传递至内部光纤。

如图2所示，所述包层-纤芯能量再耦合结构2采用错位熔接法加工而成。其中，包层与纤芯的横向错位控制在3um(这时光纤纤芯直径8um，包层直径125um)，既保证充足的包层模-纤芯模耦合通道，又避免引入过大的熔接损耗。与此同时，由于包层模在进入光纤线芯前传输损耗较大，因此错位熔接点尽量接近倾斜光纤光栅1，典型间距2～5mm。本实施例中选择3mm。整个传感探头尺寸小于15mm。用于耦合由倾斜光纤光栅激发的反向入射光传输的低阶包层模再次进入光纤纤芯，从而得到反映光纤振动信息的包层模能量变化，实现振动高灵敏度实时检测。采用该种光纤加工方法具有制作简单、不降低光纤机械强度、振动信息获取直接、灵敏度高的优点。

所述倾斜光纤光栅1采用倾斜光栅，光栅倾斜角度为2度，这一倾角范围即保证充足的低级包层模激发用于提供振动信息，同时又有较强的纤芯反射模用于提供环境温度信息和光强校准。

聚合物弹性管3要求具有较高的弹力回复性和机械强度，本实施例中采用高弹性聚乙烯材料作为聚合物弹性管的材料。

聚合物弹性管3与内部光纤之间的空隙通过光敏胶固化，本实施例中采用环氧丙烯酸酯胶作为光敏胶，用以增强弹性管应变快速有效的传递至内部光纤光栅，提高应变一致性。

本发明的工作过程：较传统布拉格光纤光栅仅反射纤芯模工作方式(在光纤纤芯内传输的光波模式)不同的是，倾斜光纤光栅1由于光栅倾斜角度的引入，在反射纤芯模的同时后向激发大量包层模(可在光纤包层传输的光波模式)。通常，这些后向传输的包层模只能在光纤包层内传输，并且很快被衰减掉(光纤包层能量衰减较大)。通过采用错位熔接法加工而成的包层-纤芯能量再耦合结构2，将后向传输的包层模有效再耦合进入光纤纤芯，此包层-纤芯耦合能量非常敏感于光纤微弯曲或光纤振动(包层模能量变化正比于光纤振动幅度)，因此，通过探测后向包层模能量变化即可实时监测地震波幅度和频率信息。与此同时，倾斜光栅纤芯模反射能量不随光纤微弯曲变化，可有效消除光源和传输系统引入的光强抖动，并提供温度变化信息。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：如图3所示，所述包层-纤芯能量再耦合结构2采用光纤拉锥法加工而成。其中，在未拉锥包层直径为125um时，光纤拉锥直径控制在60～90um之间，既保证充足的包层模-纤芯模耦合通道，又避免纤锥过细降低其机械强度。同样，拉锥位置尽量接近倾斜光纤光栅，典型间距2～5mm。本实施例中选择3mm。整个传感探头尺寸小于15mm。

所述倾斜光纤光栅1采用倾斜光栅，光栅倾斜角度为4度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.光纤地震检波器，其特征在于，包括倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构、聚合物弹性管、支承构件、外壳和光纤导线；

聚合物弹性管一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动，倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构均封装在聚合物弹性管内；聚合物弹性管外侧由外壳保护，聚合物弹性管通过光纤导线与外部光源和光电探测器相连；

所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法或光纤拉锥法加工而成，用于耦合由倾斜光纤光栅激发的反向于入射光传输的低阶包层模再次进入光纤纤芯，得到反映光纤振动信息的包层模能量变化。

2.根据权利要求1所述的光纤地震检波器，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法加工而成时，包层直径为125um，光纤纤芯直径在8～10um之间时，包层与纤芯的横向错位需控制在2～4um之间。

3.根据权利要求2所述的光纤地震检波器，其特征在于，错位熔接点与倾斜光纤光栅之间的间距为2～5mm。

4.根据权利要求1所述的光纤地震检波器，其特征在于，所述包层-纤芯能量再耦合结构采用光纤拉锥法加工而成时，未拉锥包层直径为125um时，光纤拉锥直径需控制在60～90um之间。

5.根据权利要求4所述的光纤地震检波器，其特征在于，拉锥位置与倾斜光纤光栅之间的间距为2～5mm。

6.根据权利要求1所述的光纤地震检波器，其特征在于，所述倾斜光纤光栅采用倾斜光栅，光栅倾斜角度为2～4度。

7.根据权利要求1所述的光纤地震检波器，其特征在于，聚合物弹性管采用高弹性聚乙烯材料。

8.根据权利要求1所述的光纤地震检波器，其特征在于，聚合物弹性管与内部光纤之间的空隙通过光敏胶固化。

9.根据权利要求8所述的光纤地震检波器，其特征在于，所述光敏胶具体是指环氧丙烯酸酯胶。