CN103954228A - 一种高精度分量式光纤钻孔应变仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度分量式光纤钻孔应变仪，包括：壳体，用于保护分量式光纤钻孔应变仪的内部结构，并起到传递应变/应力信号的作用；至少三个传力杆，以三个不同安装方向安装在所述壳体内部，向传感光纤光栅传递三个不同方向上的钻孔应变/应力；三支传感光纤光栅，分别安装在所述至少三个传力杆上，且串联在一起，串联后的光纤一端通过光缆引出至所述壳体外部，另一端连接至参考光纤光栅；参考光纤光栅，以不受钻孔形变影响的方式安装在所述壳体内部；光纤光栅解调系统，连接于引出至壳体外部的所述光缆，并通过可调谐窄线宽激光器扫描所述光缆，获得所述三支传感光纤光栅和参考光纤光栅的反射谱，得到传感光纤光栅的钻孔应变/应力。

Description

一种高精度分量式光纤钻孔应变仪

技术领域

本发明涉及地震监测、预报技术领域，尤其涉及一种高精度分量式光纤钻孔应变仪。

背景技术

当今，钻孔应变观测是实现地震监测预报的一种重要手段。钻孔应变仪的研发始于20世纪60年代。目前，美国、澳大利亚、中国和日本的钻孔应变仪研制技术处于世界领先水平。钻孔应变仪分为体积式钻孔应变仪和分量式钻孔应变仪两种类型。

几十年来，钻孔应变仪不断在向小型化、结构简单化、高动态灵敏度、宽频带、低成本的发展方向努力，并致力于改善耐震动、抗冲击、系统零漂、雷击、使用寿命、深井钻孔观测等方面的性能。但目前，钻孔应变仪都是采用电学测量方法。由于电学测量仪器的技术特点，国内外都尚无法彻底解决零漂、电磁干扰、雷击等问题，以至于钻孔应变仪的使用寿命较短，并且难以适于深井观测的需要。

光纤传感技术是以光纤为媒质、以光为载体的全光测量方法，具有本质无源、体小质轻、抗电磁干扰、抗雷击、不怕漏水漏电、耐腐蚀、耐高温高压、无零漂、便于组网以及长距离传输等一系列独特优势，可为新型钻孔应变仪提供了一种新的解决思路。近年来，在地震监测和光纤传感交叉领域，国内外学者已经证明可以将光纤传感器用于地壳形变、地震波等物理量的长期观测，并取得了一系列可喜的成绩。

2011年张文涛等人提出了多种光纤钻孔应变仪，如光纤体应变仪(中国专利申请CN102359766A)、光纤钻孔应变仪(中国专利申请CN102322814A)、分量式光纤钻孔应变仪(中国专利申请CN102359765A)，以解决传统电学钻孔应变仪的固有问题。但是，以上专利都是采用光纤光栅(FBG)作为敏感元件，而常规光纤光栅解调方法的精度有限(1με)，虽然可以通过机械增敏提高FBG的应变测量精度，但是更高精度的光纤钻孔应变仪显得更重要。

目前，人们提出了很多提高FBG的应变测量精度的方法，比如采用相移光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪替代普通的光纤光栅，采用激光锁频技术提高光纤光栅测量精度等。例如，2010年意大利的Gagliardi等人在《Science》上发表的论文，采用光学频梳的方法将光纤光栅传感器的应变分辨率提高到10^-13，并指出光纤传感器将成为高精度应变测量的首选方案(G.Gagliardi，et a1.，“Probing the Ultimate Limit of Fiber-Optic StrainSensing,”Science，2010)。2011年以来，日本东京大学的Qinwen Liu等人将激光锁频技术引入了地壳形变观测中，实现了5.8nε/√Hz的超低频准静态应变测量(Q.Liu，et a1.，“Ultra-high-resolution large-dynamic-range opticalfiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique,”Optics letters，2011)。因此，设计一种精度优于nε是可行的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明提出一种高精度分量式光纤钻孔应变仪，采用光纤光栅(或者光纤光栅法珀干涉仪、相移光纤光栅)作为敏感元件，以直接传力杆件作为封装结构，设计制作分量式光纤钻孔应变仪；结合激光锁频传感技术或者激光扫频传感技术，实现光纤光栅的高精度应变解调。通过提高光栅的解调精度，重点解决现有的光纤钻孔应变仪应变测量分辨率不足、结构复杂等问题。

(二)技术方案

本发明公开了一种高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，该高精度分量式光纤钻孔应变仪包括：

壳体，用于保护分量式光纤钻孔应变仪的内部结构，并起到传递钻孔应变/应力信号的作用；

至少三个传力杆，其以三个不同安装方向安装在所述壳体内部，用于向传感光纤光栅传递三个不同方向上的钻孔应变/应力；

三支传感光纤光栅，分别安装在所述至少三个传力杆上，且串联在一起，串联后的光纤一端通过光缆引出至所述壳体外部，另一端连接至参考光纤光栅；

参考光纤光栅，其以不受钻孔形变影响的方式安装在所述壳体内部；

光纤光栅解调系统，其连接于引出至壳体外部的所述光缆，并通过可调谐窄线宽激光器扫描所述光缆，以获得所述三支传感光纤光栅和参考光纤光栅的反射谱，并根据所述反射谱分别获得三支传感光纤光栅与所述参考光纤光栅之间的波长差，进而获得钻孔应变/应力。

(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、本发明提供的高精度分量式光纤钻孔应变仪，采用光纤光栅(或者光纤光栅法珀干涉仪、相移光纤光栅)，设计制作分量式光纤钻孔应变仪，并结合激光锁频技术或者激光扫频技术，实现光纤光栅的高精度应变测量，可以解决普通光纤光栅钻孔应变仪的应变分辨率不足的问题。

2、本发明提供的高精度分量式光纤钻孔应变仪，不需要设计机械增敏结构，大大减小了普通光纤光栅钻孔应变仪的结构复杂度。

附图说明

图1为本发明提供的高精度分量式光纤钻孔应变仪的示意图；

图2为本发明中高精度分量式光纤钻孔应变仪的安装示意图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

请参照图1、图2，其中图1为本发明提供的高精度分量式光纤钻孔应变仪的结构示意图、图2为本发明提供的高精度分量式光纤钻孔应变仪的安装示意图。

如图1所示，该高精度分量式光纤钻孔应变仪包括：

柱形壳体1，用于保护分量式光纤钻孔应变仪的内部结构，并起到传递钻孔应变/应力信号的作用；

安装于柱形壳体1内部的至少三个传力杆3，用于传递应变/应力，是传感单元的基本结构；所述三个传力杆3以水平方向上相差120度的方式在竖直方向上上下固定；

分别安装于三个传力杆3上的三支传感光纤光栅4，用于测量钻孔应变信号，并且通过光纤耦合胶5将其与传力杆耦合；三支传感光纤光栅之间直接用光纤连接，串联在一起，其一端的尾纤通过光缆7引出，另一端与参考光纤光栅2连接；所述三支传感光纤光栅4由于安装在三个传力杆3上，当外界有形变时，可以通过三支传力杆3感测到应变信号，并发生波长变化，这三支传感光纤光栅4可测得地形变在三个相差120度方向上的应变力信号；

安装于柱形壳体1内部的参考光纤光栅2，所述参考光纤光栅2的其中一端与所述三个传感光纤光栅4串联在一起后的一端尾纤连接，最终形成三支传感光纤光栅4和参考光纤光栅2串联连接的形式；所述参考光纤光栅2由于在所述内部以不受外界形变影响的方式安装固定，因此其波长基本上保持不变，因此可以通过对比参考光纤光栅2与传感光纤光栅4的波长差，测得地形变应变信号，并可以实现对外界温度、系统光强波动等干扰的补偿；

高精度光纤光栅解调系统8，其连接至所述光缆7，并通过其内部的可调谐窄线宽激光器扫描所述光缆7传输的三支传感光纤光栅4和参考光纤光栅的反射谱，并通过所述反射谱获得参考光纤光栅2与三支传感光纤光栅4之间的波长差，进而根据所述波长差分别得到在所述三个方向上的钻孔应变/应力信号。。

在本发明中，所述传感光纤光栅4，可以采用普通的光纤光栅，也可以是光纤光栅法珀干涉仪、相移光纤光栅等，并且传感光纤光栅4与参考光纤光栅2具有相同的技术参数，如具有相同的中心波长、反射率、光纤光栅带宽。当采用光纤光栅法珀干涉仪时，作为传感光纤光栅4和参考光纤光栅2的两种光纤光栅法珀干涉仪不仅要求具有相同的中心波长、反射率、光纤光栅带宽，而且要求具有相同的腔长；同时，为了保证实现光纤光栅法珀干涉仪的高精度应变解调，光纤光栅法珀干涉仪的腔长不能过短，一般要保证其自由谱范围在8pm以内。另外，为了减小传感光纤光栅的尺寸，还可以采用这样的配置：传感光纤光栅4采用相移光纤光栅，而参考光纤光栅2采用光纤光栅法珀干涉仪，这时要求这相移光纤光栅和光纤光栅法珀干涉仪具有相同的反射谱3dB带宽。

在本发明中，所述传感光纤光栅4采用一个传力杆3进行封装，并用耦合胶5对其进行粘接和保护，三个传力杆的安装方向各自相差120度，以测量不同方向的应变。这里柱形壳体1、传力杆3、耦合胶5，均采用与基岩能够很好力匹配的材料，如柱形壳体1、传力杆3采用特种不锈钢材料、耦合胶5采用岩土结构胶等。尤其是传力杆3，需要是采用特殊的高精度封装工艺(如焊接)，保证传力杆3与柱形壳体1高精度吻合。这里耦合胶的作用是即用于固定光纤光栅，同时还将光纤光栅与传力杆耦合为一体。光纤光栅4可以通过耦合胶直接封装在传力杆3表面的刻槽内，也可以将传力杆3分为两端，而光纤光栅4的两端分别封装在两端传力杆3的两端部，并施加一定的预应力，这时，传力杆3需要采用特殊对温度膨胀因素小的材料，如因瓦合金。特别需要注意的是，柱形壳体1需要保持高真空度的封装状态，或者将其抽真空，以减小外界环境(温度对流、水汽等)对光纤光栅2和光纤光栅4造成干扰。这样，当地形变传递到传力杆上3，会对传感光纤光栅4产生作用力；而参考光纤光栅2，虽然也是应变仪内部，但是它是自由放置，不受力的作用。由于采用光纤光栅解调系统8，我们不能直接测得两个光纤光栅的绝对中心波长值，但是我们可以测得两个光纤光栅的中心波长差。因此，我们可以通过对比两个光纤光栅的应变差(应变差对应着光纤光栅的中心波长差)，获得传感光纤光栅所受外界的应变值。

在本发明中，所述参考光纤光栅2为与传感光纤光栅4具有相同参数的光纤光栅，参考光纤光栅2用于对传感光纤光栅4的温度、光强噪声等进行补偿。这里可以先将参考光纤光栅2和传感光纤光栅4分别用温度不敏感材料进行封装；参考光纤光栅2处理不受应变作用的状态，也需要进行固定，以避免其自身位置波动对解调结果造成影响。另外，由于普通单模光纤光栅具有双偏振效应，对于本发明中涉及到的高精度波长解调技术，需要外加偏振控制器分别消除参考光纤光栅2和传感光纤光栅4其中一个偏振态对解调结果的影响；也可以整套系统采用保偏光纤光栅及保偏光纤传输方案，避免偏振态的影响；也可以通过算法对系统中光纤光栅偏振态不稳定的影响予以解决。

在本发明中，所述高精度光纤光栅解调系统8，是基于可调谐窄线宽激光器扫描传感光纤光栅4和参考光纤光栅2获得其反射谱，并对两个反射谱进行高精度的互相关计算实现传感光纤光栅的波长解调(应变解调)。这里要根据光纤光栅的带宽或者光纤光栅法珀干涉仪的自由谱区长度，选择合适的激光器线宽和可调谐范围；例如，当采用光纤光栅法珀干涉仪作为传感单元时，可以设计制作两支光纤光栅法珀干涉仪的中心波长都为1550nm，反射谱带宽为2MHz，自由谱区为8pm；则选择相应的可调谐激光器的技术指标可以如下：线宽小于1kHz，可调谐范围为10pm，并具有较高的波长可调谐一致性。这里互相关算法，是每隔一定时间直接对两个光纤光栅的反射谱进行互相关计算，每隔一定时间获得一次两个光纤光栅反射峰的位置差(波长差)，再通过这个波长差的变化情况反推外界作用在传感光纤光栅4上的应变值。这是由于通过互相关直接可以得到两个光纤光栅反射谱的波长差，而波长与应变是一一对应的关系，就得到了传感光纤光栅的应变值。其基本原理是，参考光纤光栅不受应变，传感光纤光栅受到应变，所以传感光纤光栅的中心波长减去参考光纤光栅的中心波长就是传感光纤光栅因应变而导致的波长变化量。

在本发明中，所述分量式光纤钻孔应变仪的引出光缆7与柱形壳体1和吊钩6连接，用于分量式光纤钻孔应变仪的下井操作。这里引出光纤7可以采用铠装光缆，在柱形壳体1引出部分需要特别封装，保证柱形壳体的密封性。

请参照图2，该分量式光纤钻孔应变仪的工作原理为：分量式光纤钻孔应变仪12安装在深井16下，越过土层11，并通过耦合剂13将其与基岩14耦合。分量式光纤钻孔应变仪12通过光缆7，经过井水15，与地表的光纤信号解调设备8相连。钻孔应变信号经过耦合剂13、柱形壳体1、传力杆3传递给光纤光栅传感器4，从而引起光纤光栅传感器4的输出光的特性发生变化。再通过井上的光纤解调设备8计算传感光纤光栅4和参考光纤光栅2的波长差，即可解调出钻孔应变信号。这里，采用光纤光栅，设计制作分量式光纤钻孔应变仪，并结合激光锁频传感技术或者激光扫频传感技术，实现光纤光栅的高精度应变测量，可以解决普通光纤光栅钻孔应变仪的应变分辨率不足的问题。同时，该高精度分量式光纤钻孔应变仪，不需要设计机械增敏结构，大大减小了普通光纤光栅钻孔应变仪的结构复杂度。同时全光测量方法，采用光缆7进行信号传输，故可以解决深井地声仪的电磁干扰、防雷击、耐高温高压等问题，易于实现长距离信号实时传输和长期连续观测。

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，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 (8)

1.一种高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，该高精度分量式光纤钻孔应变仪包括：

壳体，用于保护分量式光纤钻孔应变仪的内部结构，并起到传递钻孔应变/应力信号的作用；

至少三个传力杆，其以三个不同安装方向安装在所述壳体内部，用于向传感光纤光栅传递三个不同方向上的钻孔应变/应力；

三支传感光纤光栅，分别安装在所述至少三个传力杆上，且串联在一起，串联后的光纤一端通过光缆引出至所述壳体外部，另一端连接至参考光纤光栅；

参考光纤光栅，其以不受钻孔形变影响的方式安装在所述壳体内部；

光纤光栅解调系统，其连接于引出至壳体外部的所述光缆，并通过可调谐窄线宽激光器扫描所述光缆，以获得所述三支传感光纤光栅和参考光纤光栅的反射谱，并根据所述反射谱分别获得三支传感光纤光栅与所述参考光纤光栅之间的波长差，进而获得钻孔应变/应力。

2.根据权利要求1所述的高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述传感光纤光栅和参考光纤光栅可以采用普通光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪、相移光纤光栅其中之一，并且传感光纤光栅与参考光纤光栅具有相同的技术参数。

3.根据权利要求2所述的高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述传感光纤光栅采用一个传力杆进行封装，并用耦合胶将其固定在传力杆上，所述三个传力杆的安装方向各自相差120度。

4.根据权利要求1所述的高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述壳体为柱形壳体。

5.根据权利要求1所述的高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述壳体、传力杆、耦合胶均采用与基岩能够很好力匹配的材料。

6.根据权利要求1所述的高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述传感光纤光栅可以通过耦合胶直接封装在传力杆表面的凹槽内，与所述传力杆耦合为一体；也可以通过两个传力杆固定，其两端分别固定在所述两个传力杆的端部。

7.根据权利要求1所述的高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述壳体内部保持真空封装状态。

8.根据权利要求1所述的高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述光纤光栅解调系统通过互相关计算获得两个反射谱之间的波长差。