CN106323445A - 双包层抑制型光纤光栅加速度传感器 - Google Patents

双包层抑制型光纤光栅加速度传感器 Download PDF

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Abstract

一种双包层抑制型光纤光栅加速度传感器，在弹性管的左侧设置有安装板，安装板上设置左端穿出弹性管外的光纤，光纤右端设置右端为自由端的双包层抑制型光纤，双包层抑制型光纤的长度为19～33mm。双包层抑制型光纤为：在内纤芯外制作有外纤芯，内纤芯和外纤芯上写制有波长为1520～1600nm、栅区长为2～5mm的光栅，外纤芯外制作有内包层，内包层外部制作有外包层，在光纤和双包层抑制型光纤与弹性管之间设置有耐高温层，耐高温层与光纤和双包层抑制型光纤之间形成空腔。这种结构的加速度传感器，具有体积小、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀性能好等优点，可在油气井内实现微弱地震波检测。

Description

双包层抑制型光纤光栅加速度传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及到光纤光栅振动传感仪。
背景技术
加速度传感器是振动测量仪器中的关键零部件，目前广泛应用于机械振动测量、交通情况监测、油气勘探的地震波信号检测、建筑物的结构监测、航空航天的惯性导航与制导系统等各个技术领域。因此，振动传感器市场空间非常大。低频微弱的震动(加速)器信息提取是上述多种工程应用的关键问题之一，尤其对于超深的油井勘探。
现有的地震检波器主要是电磁类加速度传感器，其将微小机械振动信息转换为电压信号，通过电子学手段测得电压变化，由此实现地震波信号测量。现有的电磁类加速度传感器在传感器网络中使用时，由于受电磁干扰、缺乏重复使用，使得这种传感器的使用范围受到了限制。
在迫切的市场需求下，新型的光纤类加速度传感器应运而生。光纤传感技术以光纤为物理媒质、以光波为信息载体，其优越性来源于光纤自身的特殊物理特性：光纤外部环境的某些物理特征量(如：振动、压力、温度、应变等)发生极微小变化时，光纤中传播的光特性(如：光强、相位、波长等)也会发生改变，利用特殊的光信号处理技术可以检测出这些变化，因此，光纤传感器具有非常灵敏的特性。此外光纤传感技术还具有结构小巧、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、安全以及便于多点组网和远距离遥测等优点，非常适合于应用在一些现有传感器受到限制的领域。
近二十年来，由于光纤传感器具有以上优点，因而光纤加速度传感器引起了科技人员的高度重视，得到越来越多的研究和应用。尤其在易燃易爆的石油天然气钻井平台、核电厂、电磁干扰强的水力发电大琐等环境恶劣的技术领域，光纤加速度传感器比电磁类加速度传感器具有更多的优点。
现有的光纤光栅加速度传感器，通过波长信息解调来测量加速度，这种加速度传感器的主要缺点是灵敏度低、抗电磁干扰能力差、不宜在1000m以下的低温油气井内使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述技术的缺点，提供一种双包层抑制型光纤光栅加速度传感器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在弹性管的左侧设置有安装板，安装板上设置左端穿出弹性管外的光纤，光纤右端设置右端为自由端的双包层抑制型光纤，双包层抑制型光纤的长度为19～33mm。
本发明的双包层抑制型光纤为：在内纤芯外制作有外纤芯，内纤芯和外纤芯上写制有波长为1520～1600nm、栅区长为2～5mm的光栅，外纤芯外制作有内包层，内包层外部制作有外包层，在光纤和双包层抑制型光纤与弹性管之间设置有耐高温层，耐高温层与光纤和双包层抑制型光纤之间形成空腔。
本发明的内纤芯的直径为1.6μm，外纤芯的直径为8μm。
本发明的内包层的直径为26μm，外包层的直径为120μm。
本发明的在内纤芯外制作有外纤芯，内纤芯和外纤芯上写制有波长最佳为1560nm、栅区长最佳为3mm的光栅5。
本发明的双包层抑制型光纤的长度最佳为25mm。
由于本发明采用了双包层抑制型光纤，在双包层抑制型光纤的内纤芯和外纤芯上刻制光栅，获得了高灵敏度的光纤光栅加速度传感器；光纤和双包层抑制型光纤与弹性管之间设置有耐高温层，扩大了本发明的使用范围，使得本发明可在1000m以下油气井的高温环境中使用，耐高温层与光纤和双包层抑制型光纤之间形成空腔，使得双包层抑制型光纤能够产生振动，同时避免光栅啁啾。这种结构的加速度传感器，具有体积小、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀性能好等优点，可在油气井内实现微弱地震波检测。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是测试本发明的系统图。
图3是双包层抑制型光纤长度为2.5cm的加速度传感器在0.06m/s2加速度激励下的响应时域谱图。
图4是双包层抑制型光纤长度为2.5cm的加速度传感器在0.24m/s2加速度激励下的响应时域谱图。
图5是双包层抑制型光纤长度为2.5cm的加速度传感器在0.42m/s2加速度激励下的响应时域谱图。
图6是不同长度双包层抑制型光纤加速度传感器对应灵敏度的曲线。
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，本实施例的光纤光栅加速度传感器由弹性管1、安装板2、耐高温层3、光纤4、光栅5、外包层6、内包层7、外纤芯8、内纤芯9联接构成。
在弹性管1的左侧用螺纹紧固联接件固定联接安装有安装板2，安装板2的中心位置加工有通孔，光纤4的左端从安装板2上通孔穿出弹性管1外，光纤4的右端与双包层抑制型光纤熔接，双包层抑制型光纤的右端为自由端，本实施例的光纤4采用单模光纤，双包层抑制型光纤的长度为25mm，由于双包层抑制型光纤自身作为惯性质量块，其长度的改变对加速度传感器的共振频率和加速度灵敏度有直接影响，根据实际振动测量要求，需设计双包层抑制型光纤的具体长度。本实施例的双包层抑制型光纤由光栅5、外包层6、内包层7、外纤芯8、内纤芯9联接构成，在双包层抑制型光纤拉制过程中，光纤内部形成内纤芯9，内纤芯9外形成外纤芯8，外纤芯8外形成内包层7，内包层7外形成外包层6，内纤芯9的直径为1.6μm，外纤芯8的直径为8μm，内包层7的直径为26μm，外包层6的直径为120μm。内纤芯9和外纤芯8上写制有光栅5，光栅5的波长为1560nm、栅区长为3mm。内包层7的设置可有效地提高了加速度传感器的振动响应灵敏度。在光纤4和双包层抑制型光纤与弹性管1之间用固体胶封装固化后形成耐高温层3，耐高温层3使得该传感器能够在1000m以下的油井内检测微弱地震波，固体胶的型号为353ND，固体胶为市场上销售的商品，由美国Epoxy Technology公司生产，耐高温层3与光纤4和双包层抑制型光纤之间形成空腔，使得双包层抑制型光纤能够产生振动，同时避免光栅5产生啁啾效应。
实施例2
在本实施例中，双包层抑制型光纤的长度为25mm，双包层抑制型光纤的结构为：
在双包层抑制型光纤拉制过程中，光纤内部形成内纤芯9，内纤芯9外形成外纤芯8，外纤芯8外形成内包层7，内包层7外形成外包层6，内纤芯9的直径为1.6μm，外纤芯8的直径为8μm，内包层7的直径为26μm，外包层6的直径为120μm。内纤芯9和外纤芯8上写制有光栅5，光栅5的波长为1520nm、栅区长为2mm。
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，双包层抑制型光纤的长度为25mm，双包层抑制型光纤的结构为：在双包层抑制型光纤拉制过程中，光纤内部形成内纤芯9，内纤芯9外形成外纤芯8，外纤芯8外形成内包层7，内包层7外形成外包层6，内纤芯9的直径为1.6μm，外纤芯8的直径为8μm，内包层7的直径为26μm，外包层6的直径为120μm。内纤芯9和外纤芯8上写制有光栅5，光栅5的波长为1600nm、栅区长为5mm。
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，双包层抑制型光纤的长度为25mm，双包层抑制型光纤的结构为：在双包层抑制型光纤拉制过程中，光纤内部形成内纤芯9，内纤芯9外形成外纤芯8，外纤芯8外形成内包层7，内包层7外形成外包层6，内纤芯9的直径为1.6μm，外纤芯8的直径为8μm，内包层7的直径为26μm，外包层6的直径为120μm。内纤芯9和外纤芯8上写制有光栅5，光栅5的波长为1600nm、栅区长为2mm。
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
在本实施例中，双包层抑制型光纤的长度为25mm，双包层抑制型光纤的结构为：在双包层抑制型光纤拉制过程中，光纤内部形成内纤芯9，内纤芯9外形成外纤芯8，外纤芯8外形成内包层7，内包层7外形成外包层6，内纤芯9的直径为1.6μm，外纤芯8的直径为8μm，内包层7的直径为26μm，外包层6的直径为120μm。内纤芯9和外纤芯8上写制有光栅5，光栅5的波长为1520nm、栅区长为5mm。
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6
在以上的实施例1～3中，光纤4的左端从安装板2上通孔穿出弹性管1外，光纤4的右端与双包层抑制型光纤熔接，双包层抑制型光纤的右端为自由端，光纤4采用单模光纤，双包层抑制型光纤的长度为19mm。
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7
在以上的实施例1～3中，光纤4的左端从安装板2上通孔穿出弹性管1外，光纤4的右端与双包层抑制型光纤熔接，双包层抑制型光纤的右端为自由端，光纤4采用单模光纤，双包层抑制型光纤的长度为33mm。
其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
本发明的工作原理如下：
将本发明加速度传感器固定在待测振动体上，振动体产生振动，传递至弹性管1上，产生振动，弹性管1自由端上下摆动，带动光纤光栅发生弯曲，导致光栅5基模能量改变，输出光能量波动信号，通过分析加速度传感器反射能量变化，可获得振动体的振动信息。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的双包层抑制型光纤光栅加速度传感器(实验中简称为加速度传感器)进行了实验，各种实验情况如下。
1、建立测试系统
图2给出了测试本发明的系统图。在图2中，可调谐激光器通过光纤4与光纤环形器相连，光纤环形器通过光纤4与待测的加速度传感器和光纤耦合器相连，待测的加速度传感器固定在可调激振器上，光纤耦合器通过光纤4与第一滤波器和第二滤波器相连，第一滤波器通过光纤4与第一光电探测器相连，第二滤波器通过光纤4与第二光电探测器相连，第一光电探测器和第二光电探测器通过电缆与计算机内的数据采集卡相连，构成测试本发明的测试系统。
2、测试方法
测试系统如图2所示。将待测的加速度传感器固定在可调激振器上，可调激振器产生不同的加速度，可调谐激光器的激光线宽为100kHz、波长调节精度为0.1pm，分别取双包层抑制型光纤长度为19mm、25mm、33mm的3个加速度传感器，接通可调谐激光器的电源，频率调节至16Hz，逐渐改变激振器的加速度幅值，分别产生正弦振动波幅值为0.06m/s2、0.24m/s2、0.42m/s2加速度，可调谐激光器产生的激光通过环形器传输到加速度传感器，加速度传感器的反射激光信号通过环形器传输到光纤耦合器，分成两路，一路经第一滤波器滤出光纤光栅反射基模能量，并传输到第一光电探测器，基模共振光谱峰值波长为1520～1600nm，第一光电探测器的增益为0dBm、带宽为10MHz，第一光电探测器将振动光信号转换成电信号经同轴电缆输出到计算机；另一路经第二滤波器滤出光纤光栅反射高阶基模能量，并传输到第二光电探测器，高阶基模共振光谱峰值波长为1520～1600nm，第二光电探测器的增益为0dBm、带宽为10MHz，第二光电探测器将振动光信号转换成电信号经同轴电缆输出到计算机。计算机带有数据采集卡，数据采集卡采集两路振动电信号，并转换成数字信号，进行减法处理后输出到计算机。通过改变电压可调节激振器的振动幅度和频率，给传感器提供不同的振动模拟环境。当激振器输出的振动幅度分别为0.06m/s2、0.24m/s2、0.42m/s2时，光纤光栅传感器输出能量响应如图3、4、5所示，由图可以看出，随着激励加速度幅度增加，加速度传感器输出电压变化增大。
为了定量描述加速度传感器的振动响应灵敏度，对其施加加速度幅值范围从0.03m/s2～0.31m/s2，间隔为0.02m/s2的一系列正弦振动波。提取不同加速度激励下的基模峰值能量，并建立峰值能量与加速度之间的函数关系，经线性拟合，可获得加速度传感器的加速度灵敏度(由线性拟合函数斜率获得)为1.15v/(m/s2)，高于之前报道的基于包层模的加速度传感器的灵敏度一个数量级。此外，调整双包层抑制型光纤长度分别为3.3cm和1.9cm，进行上述实验过程，分别获得不同双包层抑制型光纤长度对其振动幅频特性的影响，灵敏度分别为1.25V/(m/s2)和0.66v/(m/s2)。传感器灵敏度可由下列公式计算：
双包层抑制型光纤长度为3.3cm的计算公式为：
V＝1.25a+0.00093
双包层抑制型光纤长度为2.5cm的计算公式为:
V＝1.15a-0.00277
双包层抑制型光纤长度为1.9cm的计算公式为
V＝0.66a-0.00478
上式中的a为加速度，V为电压，并绘制出加速度传感器对应的加速度灵敏度，如图6所示。由图6可见，双包层抑制型光纤长度在1.9～3.3cm内，随着长度的增加，加速度传感器的灵敏度越来越高。

Claims (6)

1.一种双包层抑制型光纤光栅加速度传感器，在弹性管(1)的左侧设置有安装板(2)，安装板(2)上设置左端穿出弹性管(1)外的光纤(4)，其特征在于：光纤(4)右端设置右端为自由端的双包层抑制型光纤，双包层抑制型光纤的长度为19～33mm。
2.根据权利要求1所述的双包层抑制型光纤光栅加速度传感器，其特征在于所述的双包层抑制型光纤为：在内纤芯(9)外制作有外纤芯(8)，内纤芯(9)和外纤芯(8)上写制有波长为1520～1600nm、栅区长为2～5mm的光栅(5)，外纤芯(8)外制作有内包层(7)，内包层(7)外部制作有外包层(6)，在光纤(4)和双包层抑制型光纤与弹性管(1)之间设置有耐高温层(3)，耐高温层(3)与光纤(4)和双包层抑制型光纤之间形成空腔。
3.根据权利要求2所述的双包层抑制型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的内纤芯(9)的直径为1.6μm，外纤芯(8)的直径为8μm。
4.根据权利要求2所述的双包层抑制型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的内包层(7)的直径为26μm，外包层(6)的直径为120μm。
5.根据权利要求2所述的双包层抑制型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的在内纤芯(9)外制作有外纤芯(8)，内纤芯(9)和外纤芯(8)上写制有波长为1560nm、栅区长为3mm的光栅(5)。
6.根据权利要求1所述的双包层抑制型光纤光栅加速度传感器，其特征在于：所述的双包层抑制型光纤的长度为25mm。
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