CN102353982B

CN102353982B - 推挽式光纤检波器

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Publication number: CN102353982B
Application number: CN2011101949528A
Authority: CN
Inventors: 张文涛; 李芳�
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102353982A

Abstract

本发明公开了一种推挽式光纤检波器，包括：底座，用于安装传感臂；以中心对称方式安装在底座上的两个传感臂，用于感受振动信号；以及光纤耦合器，其同一侧的两端分别连接在两个传感臂上的传感光纤的一端，用于使两个传感臂的传感光纤中的光发生干涉。利用本发明，通过在支撑梁和质量块上缠绕光纤，并利用膜片作为弹性元件，有效地减小了推挽式光纤检波器的体积；通过膜片限制质量块的振动方式，有效地减小了横向灵敏度；通过采用光纤在支撑梁和质量块上缠绕的方法，每一个传感臂的结构相同、工艺一致，简化了结构设计，有效地降低了光纤检波器的工艺难度并提高了检波器的一致性。

Description

推挽式光纤检波器

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种推挽式光纤检波器。

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。

曾楠等人(一种可用于油藏监测的3分量光纤加速度传感器，光电子·激光，第16卷第8期)、D.L.GARDNER等人(A fiber-opticinterferometric seismometer，Jour.Lightwave Tech.LT-5(7)，953-960，1987)都对光纤检波器进行了报道。其中一类光纤检波器是由一个质量块与一个顺变柱体构成，光纤缠绕在由橡胶等材料做成的顺变柱体上，质量块产生的惯性位移使顺变柱体发生形变，从而使光纤的长度发生变化。通过将质量块放在两段顺变柱体的中间，从而可以形成推挽式结构。

另外一类光纤检波器采用膜片式结构，如王永杰等(盘片式光纤传感器灵敏度计算方法，光学学报27(08)：1387-1392)、Cranch等(High-responsivity fiber-optic flexural disk accelerometers，Jour.LightwaveTech.18(9)，2000)公开了膜片式加速度计的设计方案。这类方案将光纤缠绕在膜片上，通过在加速度作用下膜片的变形带动光纤产生形变，从而引起光程差发生变化。如果将光纤干涉仪的两臂分别布置在膜片的上下表面，也可形成推挽式结构，但是对光纤布置的位置有一定要求。

在上述技术方案中存在一些共同问题。首先，检波器体积较大，由于要制作顺变柱体或膜片，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×50mm×40mm。第二，横向灵敏度较大，由橡胶制作的顺变柱体很容易在横向振动下变形，膜片也有不可忽视的横向灵敏度。从目前报道的结果看很容易说明这个问题。第三，制作工艺复杂。顺变柱体类检波器的制作要经历模具设计、浇注、固化、缠绕光纤、组装等多个环节；而膜片类检波器将光纤缠绕在膜片上的难度也较大(王永杰，ZL 200610171659.9，一种光纤应变盘及其制作方法)，这些工艺难度将降低传感器的一致性。第四，上述各种技术方案的传感器单元均不适用于在水下工作的情况，尤其是在深水中当水压比较大的时候，顺变柱体受压变形将使其不能正常工作。虽然可以在检波器外面加耐压护罩，但这无疑增加了系统的复杂程度。

因此，如何减小传感器的体积，减小横向灵敏度的影响，降低制作工艺难度，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，一方面，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；另一方面，要求检波器必须有很高的一致性。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，本发明提出一种推挽式光纤检波器，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推挽式光纤检波器，以解决传感器的体积、横向灵敏度、工艺难度及一致性、耐水下静压等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种推挽式光纤检波器，包括：底座10，用于安装传感臂20；以中心对称方式安装在底座10上的两个传感臂20，用于感受振动信号；以及光纤耦合器30，其同一侧的两端分别连接在两个传感臂20上的传感光纤23的一端，用于使两个传感臂20的传感光纤23中的光发生干涉。

上述方案中，所述传感臂20包括：端架22，用于将支撑梁21和膜片25安装于底座10上；支撑梁21，用于缠绕传感光纤23；安装于端架22上的膜片25，作为弹性元件，用于安装质量块24并在外界振动信号激励下产生形变；质量块24，作为惯性元件，用于和膜片25一起在外界振动信号激励下振动，拉动传感光纤23产生形变；缠绕于支撑梁21和质量块24上的传感光纤23，用于产生光程变化。

上述方案中，所述支撑梁21缠绕光纤的一面为一圆柱面的一部分，以便于缠绕光纤并避免损伤光纤。

上述方案中，所述质量块24的缠绕光纤的侧面为一圆柱面的一部分，以便于缠绕光纤并避免损伤光纤。

上述方案中，所述支撑梁21的两个端面各包含一个第一螺纹孔211，用于通过螺钉固定于端架22上。

上述方案中，所述质量块24的一个端面包含一个第二螺纹孔241，用于与另一个传感臂20的质量块24相固定。

上述方案中，所述膜片25被加工成不同的形状，以调整检波器的灵敏度和自振频率。所述膜片25为三角形梁的形状，以增加灵敏度。

上述方案中，所述膜片25一端开有第一孔251，用于通过螺栓安装质量块24；所述膜片25另一端部开有第二孔252，用于与端架22通过螺钉安装。

(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、本发明提供的这种推挽式光纤检波器，通过在支撑梁和质量块上缠绕光纤，并利用膜片作为弹性元件，有效地减小了推挽式光纤检波器的体积。

2、本发明提供的这种推挽式光纤检波器，通过膜片限制质量块的振动方式，有效地减小了横向灵敏度。

3、本发明提供的这种推挽式光纤检波器，没有采用橡胶等顺变柱体或膜片，而是采用光纤在支撑梁和质量块上缠绕的方法，每一个传感臂的结构相同、工艺一致，简化了结构设计，有效地降低了光纤检波器的工艺难度并提高了检波器的一致性。

4、本发明提供的这种推挽式光纤检波器，没有采用橡胶等易压缩的弹性体，除光纤外的主要部件均为金属机加工而成，具有天然的耐静压能力。

附图说明

图1为本发明提供的推挽式光纤检波器的示意图；

图2为本发明提供的推挽式光纤检波器的传感臂20的示意图；

图3为本发明提供的推挽式光纤检波器的传感臂20的右视图；

图4为本发明提供的推挽式光纤检波器的支撑梁21的侧视图；

图5为本发明提供的推挽式光纤检波器的膜片25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。

请参照图1-图5，该推挽式光纤检波器包括：底座10，用于安装传感臂20；以中心对称方式安装在底座10上的两个传感臂20，用于感受振动信号；光纤耦合器30，其同一侧的两端分别连接在两个传感臂20上的传感光纤23的一端，用于使两个传感臂20的传感光纤23中的光发生干涉。其中，传感臂20进一步包括：端架22，用于将支撑梁21和膜片25安装于底座10上；支撑梁21，用于缠绕传感光纤23；安装于端架22上的膜片25，作为弹性元件，用于安装质量块24并在外界振动信号激励下产生形变；质量块24，作为惯性元件，用于和膜片25一起在外界振动信号激励下振动，拉动传感光纤23产生形变；缠绕于支撑梁21和质量块24上的传感光纤23，用于产生光程变化。

支撑梁21缠绕光纤的一面为一圆柱面的一部分，以便于缠绕光纤并避免损伤光纤。质量块24的缠绕光纤的侧面为一圆柱面的一部分，以便于缠绕光纤并避免损伤光纤。支撑梁21的两个端面各进一步包含一个第一螺纹孔211，用于通过螺钉固定于端架22上。质量块24的一个端面进一步包含一第二个螺纹孔241，用于与另一个传感臂20的质量块24相固定。

膜片25可加工成不同的形状，以调整检波器的灵敏度、自振频率等特性。在本实施例中，如图5所示，膜片25一端开孔251，用于通过螺栓安装质量块24；膜片25另一端部开孔252，用于和端架22通过螺钉安装。膜片25为三角形梁的形状，以增加灵敏度。

本发明提供的推挽式光纤检波器的制作方法为，第一，将支撑梁21和膜片25通过螺栓安装在端架上；第二，将质量块24安装在膜片25上，安装方式可以采用螺栓；第三，缠绕好两个传感臂的光纤23；第四，通过螺栓将两个传感臂20的质量块24固定在一起，使两个传感臂以螺栓连接处为中心对称状；第五，将两个传感臂固定在底座10上，可通过螺栓连接(需在端架22的侧面及底座10上打孔)或粘接。

本发明提供的推挽式光纤检波器的工作原理为，检波器可以通过底座10以螺纹连接或粘接的方式安装于被测物体上。当有振动信号时，质量块24在膜片25的约束下沿垂直于膜片所在平面的方向振动，从而带动缠绕在支撑梁21和质量块24上的传感光纤23产生应变，引起光程发生变化。另传感臂20的情况也是如此。由于两个传感臂20的质量块24固定在一起，故两个质量块24在振动时，将使其中一个传感臂20的传感光纤23缩短，而另一个传感臂20的传感光纤23伸长，即形成“推挽式”结构，提高光纤检波器的灵敏度。两个传感臂20的传感光纤23中的光发生干涉后，干涉相位将随外界振动信号而变化。通过解调设备检测相位变化从而解调出地震波信号。

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

1.一种推挽式光纤检波器，其特征在于，包括：

底座(10)，用于安装传感臂(20)；

以中心对称方式安装在底座(10)上的两个传感臂(20)，用于感受振动信号；以及

光纤耦合器(30)，其同一侧的两端分别连接在两个传感臂(20)上的传感光纤(23)的一端，用于使两个传感臂(20)的传感光纤(23)中的光发生干涉；

其中，所述传感臂(20)包括：

端架(22)，用于将支撑梁(21)和膜片(25)安装于底座(10)上；

支撑梁(21)，用于缠绕传感光纤(23)；

安装于端架(22)上的膜片(25)，作为弹性元件，用于安装质量块(24)并在外界振动信号激励下产生形变；

质量块(24)，作为惯性元件，用于和膜片(25)一起在外界振动信号激励下振动，拉动传感光纤(23)产生形变；

缠绕于支撑梁(21)和质量块(24)上的传感光纤(23)，用于产生光程变化；

其中，所述质量块(24)的一个端面包含一个螺纹孔(241)，用于与另一个传感臂(20)的质量块(24)相固定。

2.根据权利要求1所述的推挽式光纤检波器，其特征在于，所述支撑梁(21)缠绕光纤的一面为一圆柱面的一部分，以便于缠绕光纤并避免损伤光纤。

3.根据权利要求1所述的推挽式光纤检波器，其特征在于，所述质量块(24)的缠绕光纤的侧面为一圆柱面的一部分，以便于缠绕光纤并避免损伤光纤。

4.根据权利要求1所述的推挽式光纤检波器，其特征在于，所述支撑梁(21)的两个端面各包含一个第一螺纹孔(211)，用于通过螺钉固定于端架(22)上。

5.根据权利要求1所述的推挽式光纤检波器，其特征在于，所述膜片(25)被加工成不同的形状，以调整检波器的灵敏度和自振频率。

6.根据权利要求5所述的推挽式光纤检波器，其特征在于，所述膜片(25)为三角形梁的形状，以增加灵敏度。

7.根据权利要求1所述的推挽式光纤检波器，其特征在于，所述膜片(25)一端开有第一孔(251)，用于通过螺栓安装质量块(24)；所述膜片(25)另一端部开有第二孔(252)，用于与端架(22)通过螺钉安装。