CN108205070B - 光纤加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤加速度传感器，包括：加速度感受器，包括质量块和弹性筒，质量块具有锥状外表面，弹性筒的内表面为与质量块的锥状外表面相配合的锥状，质量块可沿轴向移动地设置在弹性筒内，弹性筒能够随质量块的移动而外扩或者收缩；光纤干涉仪，包括敏感光纤和参考光纤，敏感光纤缠绕在加速度感受器外侧形成光纤线圈，光纤线圈的周长随弹性筒的外扩或者收缩而增大或者缩小。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中结构复杂、寿命短的问题。

Description

光纤加速度传感器

技术领域

本发明涉及加速度传感器领域，具体而言，涉及一种光纤加速度传感器。

背景技术

加速度传感器可以将外界加速度变化的信息转化成易于测量的电信号或光信号，因此被广泛应用于地质勘探、石油开采及大型建筑监控等领域。传统加速度传感器主要采用电基结构，利用压电效应等原理，获取物体的加速度。上述加速度传感器除灵敏度较低等缺点外，在极端环境中(例如高温高压环境等)的生存能力较差。与上述传统加速度传感器相比，光纤加速度传感器具有高灵敏度，高动态范围以及抗电磁干扰能力强等优点，在近年来受到广泛应用。

光纤加速度传感器一般基于干涉仪原理，将外界加速度信息转化为光的相位信息，配合高精度相位解调方法实现高灵敏度加速度信息解调。目前的光纤加速度传感器的组成零件较多、结构复杂并且使用寿命短，增加了其使用成本。

发明内容

本发明旨在提供一种光纤加速度传感器，以解决现有技术中结构复杂、寿命短的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光纤加速度传感器，包括：加速度感受器，包括质量块和弹性筒，质量块具有锥状外表面，弹性筒的内表面为与质量块的锥状外表面相配合的锥状，质量块可移动地设置在弹性筒内，弹性筒能够随质量块的移动而外扩或者收缩；光纤干涉仪，包括敏感光纤和参考光纤，敏感光纤缠绕在加速度感受器外侧形成光纤线圈，光纤线圈的周长随弹性筒的外扩或者收缩而增大或者缩小。

进一步地，光纤加速度传感器还包括基座，加速度感受器和光纤干涉仪安装在基座上。

进一步地，基座包括底座和连接在底座上的芯轴，质量块沿轴线设置有安装孔，质量块通过安装孔套设在芯轴上，弹性筒套设在质量块的锥状外表面外，弹性筒的底面与底座相接触。

进一步地，芯轴远离底座的一端设置有紧固件。

进一步地，紧固件为压紧螺母，芯轴上还设置有与压紧螺母的内螺纹相配合的外螺纹。

进一步地，敏感光纤缠绕加速度感受器多圈，形成多个光纤线圈。

进一步地，多个光纤线圈中相邻的两个光纤线圈相接触。

进一步地，光纤干涉仪还包括光纤输入接头、光纤输出接头、光纤耦合器和端面反射镜，其中，光纤输入接头连接在光纤耦合器的第一端口，光纤输出接头连接在光纤耦合器的第二端口，敏感光纤的一端连接在光纤耦合器的第三端口，参考光纤的一端连接在光纤耦合器的第四端口，敏感光纤和参考光纤远离光纤耦合器的另一端与端面反射镜连接。

进一步地，端面反射镜为两个，两个端面反射镜分别与敏感光纤和参考光纤相连接。

进一步地，光纤耦合器为单模光纤耦合器。

应用本发明的技术方案，加速度感受器的质量块和弹性筒形成质量弹簧体系，通过加速度感受器感知地层的震动。利用惯性将加速度感受器的震动转化为质量块轴向的上下运动，弹性筒的锥状面受到质量块的挤压形成径向收缩或膨胀，进而引起弹性筒的周长变化。弹性筒的周长变化改变了敏感光纤的光程，引起干涉光的相位变化，从而光纤干涉仪可以根据上述变化计算得到相应的并描绘出裂隙的发展方向。加速度感受器的质量块与弹性筒通过锥面接触，增加了质量块与弹性筒间的受力面积，同时增加了导向性，降低了弹性筒的工作负荷，增加了光纤加速度传感器的使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的光纤加速度传感器的实施例的结构示意图；以及

图2示出了图1的光纤加速度传感器的光纤干涉仪的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、加速度感受器；11、质量块；12、弹性筒；20、光纤干涉仪；21、敏感光纤；22、参考光纤；23、光纤输入接头；24、光纤输出接头；25、光纤耦合器；26、端面反射镜；30、基座；31、底座；32、芯轴；33、压紧螺母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明主要应用在油井等有水力压裂作业的环境中进行微地震监测。微地震监测是一种重要的水力压裂地震信号的观测方法。当地层下进行系列的水力压裂的时候，地层会随着压裂的推进产生巨大的裂隙并引发地震波信号。为检测拾取这些地震波信号，工作人员常在观察井中沿井孔不同深度布置的一些多级多分量的检波点，再对数字信号进行处理，描绘出裂隙的发展方向。压裂引起的地震含有纵波和横波成分，因此在井中采集接收的时候需要用到加速度传感器以拾取含有矢量特性的横波，以及纵波的转换波。

图1示出了根据本发明的光纤加速度传感器的实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例提供了一种光纤加速度传感器，其特征在于，包括加速度感受器10和光纤干涉仪20。其中，加速度感受器10包括质量块11和弹性筒12，质量块11具有锥状外表面，弹性筒12的内表面为与质量块11的锥状外表面相配合的锥状。质量块11可移动地设置在弹性筒12内，弹性筒12能够随质量块11的移动而外扩或者收缩。光纤干涉仪20包括敏感光纤21和参考光纤22，敏感光纤21缠绕在加速度感受器10外侧形成光纤线圈，光纤线圈的周长随弹性筒的外扩或者收缩而增大或者缩小。

应用本实施例的技术方案，加速度感受器10的质量块11和弹性筒12形成质量弹簧体系，通过加速度感受器10感知地层的震动。利用惯性将加速度感受器10的震动转化为质量块11轴向的上下运动，弹性筒12的锥状面受到质量块11的挤压形成径向收缩或膨胀，进而引起弹性筒12的周长变化。弹性筒12的周长变化改变了敏感光纤21的光程，引起干涉光的相位变化，从而光纤干涉仪20可以根据上述变化计算得到相应的并描绘出裂隙的发展方向。加速度感受器10的质量块11与弹性筒12通过锥面接触，增加了质量块11与弹性筒12间的受力面积，同时增加了导向性，降低了弹性筒12的工作负荷，增加了光纤加速度传感器的使用寿命。

在本实施例中，如图1所示，质量块11的锥状外表面和弹性筒12的锥状内表面均为圆锥。在质量块11因惯性进行活动时，可以通过锥状面将质量块11的运动转化成弹性筒12的直径变化，圆锥面结构均匀、表面光滑易于实现上述功能。

在其他实施例中，质量块的外表面和弹性筒的内表面也可以为棱锥，棱锥表面可以限制质量块与弹性筒的转动，本领域的技术人员可以根据实际需要对质量块的外表面和弹性筒的内表面的形状进行选择。

为加强光纤加速度传感器的使用效果，如图1所示，本实施例的光纤加速度传感器还包括基座30，加速度感受器10和光纤干涉仪20连接在基座30上。上述结构使光纤加速度传感器形成一个整体，方便整个光纤加速度传感器的安装与应用。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，基座30包括底座31和连接在底座31上的芯轴32，质量块11沿轴线设置有安装孔，质量块11通过安装孔套设在芯轴32上，弹性筒12套设在质量块11的锥状外表面，弹性筒12的底面与底座31相接触。上述结构将加速度感受器10固定在基座30上，质量块11和弹性筒12直接或者间接地套设在芯轴32上，进一步限定了质量块11和弹性筒12的位置，增强了光纤加速度传感器的一体性。

另外，在本实施例中，芯轴32远离底座31的一端设置有紧固件。如图1所示，加速度感受器10被夹持在紧固件和底座31之间，紧固件可以向加速度感受器10施加一定的预压力，使得缠绕弹性筒12外的敏感光纤21受到一定的预紧张力，进而增强光纤加速度传感器的灵敏度。

具体地，紧固件为压紧螺母33，芯轴32上还设置有与压紧螺母33的内螺纹相配合的外螺纹。压紧螺母33本身具有螺纹，可以通过旋转压紧螺母33对加速度感受器10的预压力进行微调，进而对敏感光纤21的预紧张力进行微调，增强光纤加速度传感器的灵敏度。并且压紧螺母33为标准件，容易得到且维修成本低。

在图中未示出的实施例中，基座可以采用其他结构替换本实施例的芯轴32和压紧螺母33。例如将加速度感受器装进筒状外壳中，弹性筒连接在底座上，底座与筒状外壳通过螺纹连接，利用筒的上壁对加速度感受器提供预压力，这样可以节省出芯轴和压紧螺母的空间。

为了进一步增强光纤加速度传感器的灵敏度、提高准确度，在本实施例中，敏感光纤21缠绕加速度感受器10多圈，形成多个光纤线圈。单一线圈对于同等震幅的底层活动的变化较小，可能会导致光纤干涉仪20显示不明显。相比之下，多个光纤线圈可以增大相同底层活动时光纤干涉仪20的变化幅度，增强了光纤加速度传感器的灵敏度、提高了准确度。

进一步地，多个光纤线圈中相邻的两个光纤线圈相接触，即将光纤线圈紧密排列。紧密排列的光纤线圈一方面可以减少相同圈数光纤占用的空间，另一方面减小了光纤加速度传感器的误差。

图2示出了图1的光纤加速度传感器的光纤干涉仪的结构示意图。如图2所示，在本实施例中，光纤干涉仪20还包括光纤输入接头23、光纤输出接头24、光纤耦合器25和端面反射镜26，其中，光纤输入接头23连接在光纤耦合器25的第一端口，光纤输出接头24连接在光纤耦合器25的第二端口，敏感光纤21的一端连接在光纤耦合器25的第三端口，参考光纤22的一端连接在光纤耦合器25的第四端口，敏感光纤21和参考光纤22远离光纤耦合器25的另一端与端面反射镜26连接。

光纤干涉仪20的工作方式是：当激光从光纤输入接头23输入光纤耦合器25的本体后被分成两部分，一部分经过敏感光纤21和端面反射镜26被反射回来，另一部分经过参考光纤22和端面反射镜26被反射回来。这两部分反射回来的光回到光纤耦合器25的本体进行干涉，并从光纤输出接头24输出。输出的光的干涉信号中含有参考光纤22和敏感光纤21之间的相位差，当被测环境震动通过质量块11和弹性筒12组成的质量弹簧体系引起敏感光纤21的拉伸变化之后，光纤干涉仪20输出的干涉光的相位随之变化。通过测量干涉光的相位变化，就可以得到相应的振动加速度。

具体地，端面反射镜26为两个，两个端面反射镜26分别与敏感光纤21和参考光纤22相连接。上述结构提高了光纤干涉仪20装配时的灵活性，使敏感光纤21和参考光纤22的端面反射镜26可以根据结构需要安装在不同的位置上，节约了光纤加速度传感器的空间。

优选地，在本实施例中，光纤耦合器25为单模光纤耦合器。相较于其他类型的光纤耦合器，单模光纤耦合器具有光模式纯净、输出的干涉光没有杂乱信号，便于对光纤干涉产生的信号进行解调、记录、分析及计算，从另一方面增强了光纤加速度传感器的灵敏度、提高了准确度。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

加速度感受器的质量块和弹性筒形成质量弹簧体系，通过加速度感受器感知地层的震动。利用惯性将加速度感受器的震动转化为质量块轴向的上下运动，弹性筒的锥状面受到质量块的挤压形成径向收缩或膨胀，进而引起弹性筒的周长变化。弹性筒的周长变化改变了敏感光纤的光程，引起干涉光的相位变化，从而光纤干涉仪可以根据上述变化计算得到相应的并描绘出裂隙的发展方向。加速度感受器的质量块与弹性筒通过锥面接触，增加了质量块与弹性筒间的受力面积，同时增加了导向性，降低了弹性筒的工作负荷，增加了光纤加速度传感器的使用寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤加速度传感器，其特征在于，包括：

加速度感受器(10)，包括质量块(11)和弹性筒(12)，所述质量块(11)具有锥状外表面，所述弹性筒(12)的内表面为与所述质量块(11)的锥状外表面相配合的锥状，质量块(11)可沿轴向移动地设置在所述弹性筒(12)内，所述弹性筒(12)能够随所述质量块(11)的移动而外扩或者收缩；

光纤干涉仪(20)，包括敏感光纤(21)和参考光纤(22)，所述敏感光纤(21)缠绕在所述加速度感受器(10)外侧形成光纤线圈，所述光纤线圈的周长随所述弹性筒的外扩或者收缩而增大或者缩小。

2.根据权利要求1所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述光纤加速度传感器还包括基座(30)，所述加速度感受器(10)和所述光纤干涉仪(20)安装在所述基座(30)上。

3.根据权利要求2所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述基座(30)包括底座(31)和连接在所述底座(31)上的芯轴(32)，所述质量块(11)沿轴线设置有安装孔，所述质量块(11)通过所述安装孔套设在所述芯轴(32)上，所述弹性筒(12)套设在所述质量块(11)的锥状外表面外，所述弹性筒(12)的底面与所述底座(31)相接触。

4.根据权利要求3所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述芯轴(32)远离所述底座(31)的一端设置有紧固件。

5.根据权利要求4所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述紧固件为压紧螺母(33)，所述芯轴(32)上还设置有与所述压紧螺母(33)的内螺纹相配合的外螺纹。

6.根据权利要求1所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述敏感光纤(21)缠绕所述加速度感受器(10)多圈，形成多个所述光纤线圈。

7.根据权利要求6所述的光纤加速度传感器，其特征在于，多个所述光纤线圈中相邻的两个所述光纤线圈相接触。

8.根据权利要求1所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述光纤干涉仪(20)还包括光纤输入接头(23)、光纤输出接头(24)、光纤耦合器(25)和端面反射镜(26)，其中，所述光纤输入接头(23)连接在所述光纤耦合器(25)的第一端口，所述光纤输出接头(24)连接在所述光纤耦合器(25)的第二端口，所述敏感光纤(21)的一端连接在所述光纤耦合器(25)的第三端口，所述参考光纤(22)的一端连接在所述光纤耦合器(25)的第四端口，所述敏感光纤(21)和所述参考光纤(22)远离所述光纤耦合器(25)的另一端与所述端面反射镜(26)连接。

9.根据权利要求8所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述端面反射镜(26)为两个，两个所述端面反射镜(26)分别与所述敏感光纤(21)和所述参考光纤(22)相连接。

10.根据权利要求8所述的光纤加速度传感器，其特征在于，所述光纤耦合器(25)为单模光纤耦合器。

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