CN103278845A - 基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器 - Google Patents
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Abstract
一种基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器，包括板状底座，底座的顶部设置有柱状的支撑柱和柱状的连接件，连接件加工有通孔，支撑柱同等截面悬臂梁的一端相固定，等截面悬臂梁的另一端与质量块相连接，所述的质量块为形状大小一致且为直角折尺L型的第一直角折尺L型悬臂梁和第二直角折尺L型悬臂梁组合而成，另外质量块和连接件之间还设置有材料和长度相同的第一光纤光栅和第二光纤光栅，并且第一光纤光栅和第二光纤光栅在连接件外部串联融接。克服了现有的加速度检波器的不能同时满足灵敏度高、响应频带宽、动态范围大以及制作简单等技术指标的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于光纤地震加速度检波器装置技术领域，具体涉及一种基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器。
背景技术
目前井中地震勘探技术作为油气田勘探开发领域的一项新技术已越来越受到人们的重视，由此产生的基于光纤技术的井中勘探方法，是近几年出现的一个新的技术，也是井中勘探最具前景的一个发展方向。其中，由于光纤光栅具有抗电磁干扰，易于级联，以及简单的波长解调等优点因而以光纤光栅作为传感元件进行地震检波是井中地震技术研究的一个重要方面。
现在已有的光纤光栅加速度检波器结构多样。将悬臂梁作为弹性敏感元件，由于其固有频率可根据实际需求灵活调节，因而被普遍应用于光纤光栅加速度传感器中，但是该类传感器灵敏度低，工作范围窄，且由于光纤光栅栅区粘贴可造成啁啾效应导致测试不准。孙汝蛟等人在“一种新型光纤布喇格光栅振动传感器研究”文章中提出了一种L型悬臂梁结构的传感器，该类传感器利用L型杠杆放大了振动信号，避免了传统矩形悬臂梁栅区粘贴带来的啁啾，提高了传感器的灵敏度，但是固有频率小，普遍适用于土木工程等低频振动领域，难以满足井中地震勘探的需要。
发明内容
本发明的目的提供一种基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器，包括板状底座，底座的顶部设置有柱状的支撑柱和柱状的连接件，连接件加工有通孔，在支撑柱的顶部同等截面悬臂梁的一端相固定，等截面悬臂梁的另一端与质量块相连接，所述的质量块为形状大小一致且为直角折尺L型的第一直角折尺L型悬臂梁和第二直角折尺L型悬臂梁组合而成，所述的组合而成的方式为所述的第一直角折尺L型悬臂梁的一个外壁同第二直角折尺L型悬臂梁的一个外壁自上而下地镜像相对重叠结合在一起，质量块的上端和连接件的上端在同一水平面上，且质量块的下端与连接件的通孔在同一水平面，另外质量块和连接件之间还设置有材料和长度相同的第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅的一端固定在质量块的上端，第一光纤光栅的另一端通过连接件的上端并在连接件上端处固定，第二光纤光栅的一端固定在质量块的下端，第二光纤光栅的另一端穿过通孔并穿过通孔的部分光纤在通孔处固定，并且第一光纤光栅和第二光纤光栅在连接件的外部串联融接。
克服了现有的加速度检波器的不能同时满足灵敏度高、响应频带宽、动态范围大以及制作简单等技术指标的缺陷。
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器的解决方案，该方案的基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器包括板状底座1，底座1的顶部设置有柱状的支撑柱2和柱状的连接件3，连接件3加工有通孔，在支撑柱2的顶部同等截面悬臂梁4的一端相固定，等截面悬臂梁4的另一端与质量块相连接，所述的质量块为形状大小一致且为直角折尺L型的第一直角折尺L型悬臂梁5和第二直角折尺L型悬臂梁6组合而成，所述的组合而成的方式为所述的第一直角折尺L型悬臂梁5的一个外壁同第二直角折尺L型悬臂梁6的一个外壁自上而下地镜像相对重叠结合在一起，质量块的上端和连接件3的上端在同一水平面上，且质量块的下端与连接件3的通孔在同一水平面，另外质量块和连接件3之间还设置有材料和长度相同的第一光纤光栅7和第二光纤光栅8，第一光纤光栅7的一端固定在质量块的上端，第一光纤光栅7的另一端通过连接件3的上端并在连接件3上端处固定，第二光纤光栅8的一端固定在质量块的下端，第二光纤光栅8的另一端穿过通孔并穿过通孔的部分光纤在通孔处固定，并且第一光纤光栅7和第二光纤光栅8在连接件3的外部串联融接。
所述的等截面悬臂梁4的另一端与组合式质量块相连接的结构为等截面悬臂梁4的另一端伸入第一直角折尺L型悬臂梁5同第二直角折尺L型悬臂梁6的结合处，并且通过两个螺钉分别穿过第一直角折尺L型悬臂梁5同第二直角折尺L型悬臂梁6来夹住所述的等截面悬臂梁4的另一端。
所述的等截面悬臂梁4的材料为弹簧钢，第一直角折尺L型悬臂梁5、第二直角折尺L型悬臂梁6、支撑柱2和连接件3的材料为铝合金材料。
本发明与现有技术相比较还具有如下优点：
基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器结合了传统等截面悬臂梁和 L型刚性悬臂梁各自的优点，同时具备了灵敏度高，响应频带宽，动态范围大，温度补偿，结构简单，易加工，成本低这样的特点。
附图说明
图1为本发明的基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明内容作进一步说明：
参照图1 所示，基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器包括板状底座1，底座1的顶部设置有柱状的支撑柱2和柱状的连接件3，连接件3加工有通孔，在支撑柱2的顶部同等截面悬臂梁4的一端相固定，等截面悬臂梁4的另一端与质量块相连接，所述的质量块为形状大小一致且为直角折尺L型的第一直角折尺L型悬臂梁5和第二直角折尺L型悬臂梁6组合而成，所述的组合而成的方式为所述的第一直角折尺L型悬臂梁5的一个外壁同第二直角折尺L型悬臂梁6的一个外壁自上而下地镜像相对重叠结合在一起，质量块的上端和连接件3的上端在同一水平面上，且质量块的下端与连接件3的通孔在同一水平面，另外质量块和连接件3之间还设置有材料和长度相同的第一光纤光栅7和第二光纤光栅8，第一光纤光栅7的一端固定在质量块的上端，第一光纤光栅7的另一端通过连接件3的上端并在连接件3上端处固定，第二光纤光栅8的一端固定在质量块的下端，第二光纤光栅8的另一端穿过通孔并穿过通孔的部分光纤在通孔处固定，并且第一光纤光栅7和第二光纤光栅8在连接件3的外部串联融接。所述的第一直角折尺L型悬臂梁5和第二直角折尺L型悬臂梁6的内壁拐角处为圆角连接。所述的等截面悬臂梁4的另一端与组合式质量块相连接的结构为等截面悬臂梁4的另一端伸入第一直角折尺L型悬臂梁5同第二直角折尺L型悬臂梁6的结合处，并且通过两个螺钉分别穿过第一直角折尺L型悬臂梁5同第二直角折尺L型悬臂梁6来夹住所述的等截面悬臂梁4的另一端，这样的结构使得等截面悬臂梁4的有效长度可调。所述的等截面悬臂梁4的材料为弹簧钢，弹簧钢具有优良的综合性能，如特别是弹性极限、强度极限以及屈强比这样的力学性能、抗弹减性能即抗弹性减退性能、疲劳性能和耐热、耐低温、抗氧化以及耐腐蚀这样的物理化学性能都很优良；第一直角折尺L型悬臂梁5、第二直角折尺L型悬臂梁6、支撑柱2和连接件3的材料为铝合金材料，铝合金具有塑性好和成本低的优点。
本发明的工作原理为振动台沿竖直方向施加向上的加速度信号时，质量块偏离原有位置，导致等截面悬臂梁4末端产生小挠度弯曲，同时产生偏转角 
。由于第一直角折尺L型悬臂梁5、第二直角折尺L型悬臂梁6与等截面悬臂梁4刚性连接，产生因而产生相同
角度的轴向偏转，导致与第一直角折尺L型悬臂梁5连接的第一光纤光栅7发生轴向拉伸，第二直角折尺L型悬臂梁6连接的第二光纤光栅8发生轴向压缩，两只光纤光栅的中心波长向相反方向漂移，具体如下：
首先，设定第一光纤光栅7和第二光纤光栅8的初始中心波长分别为
和
，根据光纤光栅的知识可知，两只光纤光栅布拉格波长变化量
和
与应变
的关系分别为公式（1）所示：
其中p e 为光纤光栅的有效光弹系数，“-”表示波长漂移量相反，l FBG 为光栅的有效长度，
为光栅长度变化量。
由公式(1)可得两只光纤光栅的相对波长变化为公式（2）所示:
再根据悬臂梁的力学知识可知为和等截面悬臂梁的刚度k分别为公式（3）所示：
中F为梁末端所受压力，
为等截面悬臂梁的长度，E和 I分别为材料杨氏模量和梁截面对中性轴的惯性矩，且
，b和h分别为等截面悬臂梁的宽度和厚度。由公式(3）可知，等截面悬臂梁的刚度以及偏转角与悬臂梁的几何参数密切相关。
基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器的固有频率与等截面悬臂梁的刚度有关，刚度越大，检波器的固有频率越大，工作频带范围越宽。另一方面，检波器的灵敏度定义为两只光纤光栅中心波长的相对变化量与加速度的比值，它与偏转角度有关，偏转角度越大，两只光栅的形变量越大，检波器的灵敏度越高。又根据公式（3）可以得出，等截面悬臂梁的长度与检波器的灵敏度正比，与检波器的固有频率成反比。另外，该检波器的灵敏度还跟与光纤光栅连接的L型悬臂梁对应的臂的长度有关。显然，对于同一偏转角度，与光纤光栅连接的L型悬臂梁对应的臂的长度越长，光栅的形变量越大，检波器的灵敏度越高。
因而基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器可以通过减小等截面悬臂梁的长度的同时增加光纤光栅连接的L型悬臂梁对应的臂的长度来进一步放大振动信号，补偿由于等截面悬臂梁的长度的减小造成的灵敏度的降低，以达到提高固有频率的同时保持高灵敏度性能的目的，同时也可提高检波器的动态测量范围，使其满足井中地震勘探的要求。
还有就是外界振动引起的等截面悬臂梁末端产生的小挠度弯曲会使质量块整体偏离原有位置，使两只光纤光栅同时被拉伸，两只光纤光栅的中心波长同时向长波方向偏移，但波长相对位置依然保持不变。也就是说挠度弯曲造成的质量块的整体偏移并不影响检波器的灵敏度。另外，当外界处在温度变化的环境中时，同样的，由于两只光纤光栅为同种材质，温度变化造成的光纤光栅中心波长漂移是同方向的且漂移量相同，因此检波器的灵敏度不受外界环境温度影响，实现了温度补偿。
综上所述，该发明易于级联，可应用于油气田勘探技术领域，实现井中地震波信号的实时在线监测；真正实现了一种同时具备灵敏度高，响应频带宽，动态范围大以及制作简单等技术指标的检波器要求。
Claims (4)
1.一种基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器，其特征在于包括板状底座（1），底座（1）的顶部设置有柱状的支撑柱（2）和柱状的连接件（3），连接件（3）加工有通孔，在支撑柱（2）的顶部同等截面悬臂梁（4）的一端相固定，等截面悬臂梁（4）的另一端与质量块相连接，所述的质量块为形状大小一致且为直角折尺L型的第一直角折尺L型悬臂梁（5）和第二直角折尺L型悬臂梁（6）组合而成，所述的组合而成的方式为所述的第一直角折尺L型悬臂梁（5）的一个外壁同第二直角折尺L型悬臂梁（6）的一个外壁自上而下地镜像相对重叠结合在一起，质量块的上端和连接件（3）的上端在同一水平面上，且质量块的下端与连接件（3）的通孔在同一水平面，另外质量块和连接件（3）之间还设置有材料和长度相同的第一光纤光栅（7）和第二光纤光栅（8），第一光纤光栅（7）的一端固定在质量块的上端，第一光纤光栅（7）的另一端通过连接件（3）的上端并在连接件（3）上端处固定，第二光纤光栅（8）的一端固定在质量块的下端，第二光纤光栅（8）的另一端穿过通孔并穿过通孔的部分光纤在通孔处固定，并且第一光纤光栅（7）和第二光纤光栅（8）在连接件（3）的外部串联融接。
2.根据权利要求1所述的基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器，其特征在于所述的第一直角折尺L型悬臂梁（5）和第二直角折尺L型悬臂梁（6）的内壁拐角处为圆角连接。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器，其特征在于所述的等截面悬臂梁（4）的另一端与组合式质量块相连接的结构为等截面悬臂梁（4）的另一端伸入第一直角折尺L型悬臂梁（5）同第二直角折尺L型悬臂梁（6）的结合处，并且通过两个螺钉分别穿过第一直角折尺L型悬臂梁（5）同第二直角折尺L型悬臂梁（6）来夹住所述的等截面悬臂梁（4）的另一端。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的基于组合式悬臂梁结构的光纤光栅地震加速度检波器，其特征在于所述的等截面悬臂梁（4）的材料为弹簧钢，第一直角折尺L型悬臂梁（5）、第二直角折尺L型悬臂梁（6）、支撑柱（2）和连接件（3）的材料为铝合金材料。
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