CN110261892B - 单分量、三分量光纤光栅振动传感器及传感阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弱光栅的单分量、三分量光纤光栅振动传感器及传感阵列，其中三分量光纤光栅振动传感器包括三个正交组合而成的单分量光纤光栅振动传感器；传感光纤包含4个弱光栅，4个相邻弱光栅之间的3段空白光纤缠绕在三个单分量光纤光栅振动传感器的连接架上。本发明通过对单分量传感器进行结构设计，横向灵敏度得到大大降低，而后采用模块化封装方式构成三分量振动传感器，克服了三分量光纤光栅振动传感器交叉方向较为敏感的缺点。

Description

单分量、三分量光纤光栅振动传感器及传感阵列

技术领域

本发明属于光纤振动传感技术领域，尤其涉及一种基于弱光栅的单分量、三分量光纤光栅振动传感器及传感阵列。

背景技术

目前，我国油气资源开发面临的一个重大难题之一是勘探难度大且成本高。从中国目前剩余油气资源的品质来看，低渗透、特低渗透油资源与重油资源等“低品位”资源所占比例不断增大，随着勘探开发的不断深入，剩余石油资源中质量差、难开采的比重将越来越大。因此，对于地震波勘探技术提出了更高的要求，传统的电磁地震波检测技术局限性大，不适用于复杂地质勘探。基于光纤的传感技术进行地震波检测是一种新型的振动检测方式，其优越性主要体现在与传统电磁类振动传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀和便于大规模组网等优点，是目前振动传感领域的研究热点之一，尤其在油气资源勘探及微地震检测等领域，具有广阔的工程应用前景。

随着光纤传感技术的发展，各种类型的光纤传感器用于地震波的探测，取得了不少的实验室和实际应用成果。按照传感机理可以分为：强度调制型、相位调制型(干涉型)、波长调制型(光纤光栅型及光纤激光型)和分布型。强度调制型灵敏度较低，难以实现微地震波的检测；波长调制型的波长漂移易受温度和应力等其他因素的影响，交叉敏感问题严重。基于相位调制的光纤传感器是利用相关光脉冲干涉技术，具有灵敏度高，稳定性好，是目前发展较为成熟、性能较好的振动探测技术。

为了实现实际工程中的大规模应用，在油气资源勘探和微地震检测等领域，对于地震波的检测目前还存在着一些关键技术问题需要攻克，如：三维地震波信息的获取、超低频高分辨率探测、大规模组网中的串扰抑制以及长距离传感等。关于实现三维地震波信息的获取，目前所做研究集中在三分量光纤地震检波器上，并取得了不少实验成果，同时也面临着各种问题。目前的三分量光纤地震检波器封装类型可以分为两种：模块化封装和一体化封装。模块化封装主要由分体式顺变柱体型传感器构成，基于干涉解调，方向性好，交叉方向灵敏度能够得到一定的抑制，但所获得的三个方向振动信息并非同点信息，对解调精度有一定影响。一体化封装方式稳定性好，但是对结构要求高，且交叉灵敏度高、串扰严重。此外，三分量光纤检波器还难以实现大规模传感单元组网，形成大容量传感阵列。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中三分量光纤振动传感器横向交叉敏感和难以实现大规模传感单元组网的问题，提供一种基于弱光栅的单分量传感器，以及可实现大规模传感单元组网，形成大容量传感阵列的基于弱光栅阵列分布式三分量振动传感器及传感阵列。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种单分量光纤光栅振动传感器，包括空心弹性筒，其内固定一质量块，将该空心弹性筒一分为二；该空心弹性筒的上端与不动端固定，下端与可动端固定；

该传感器还包括两根刚性横梁，贯穿整个空心弹性筒，并穿出空心弹性筒的上端和下端；该空心弹性筒外围设有连接架，固定在刚性横梁上；连接架的底部与可动端通过微型滑块连接；

该传感器还包括传感光纤，该传感光纤上相邻两个弱光栅之间的空白光纤均匀的缠绕在连接架的表面上。

接上述技术方案，连接架与不动端为一体式整体加工而成。

接上述技术方案，连接架的底部与可动端通过多个微型滑块连接。

本发明还提供了一种三分量光纤光栅振动传感器，该三分量光纤光栅振动传感器包括三个正交组合而成的单分量光纤光栅振动传感器，所述单分量光纤光栅振动传感器为上述技术方案的单分量光纤光栅振动传感器；

其中，传感光纤包含4个弱光栅，4个相邻弱光栅之间的3段空白光纤缠绕在三个单分量光纤光栅振动传感器的连接架上。

接上述技术方案，传感光纤的头纤接入解调设备，尾纤打结。

接上述技术方案，该三分量光纤光栅振动传感器还包括一外壳，三个单分量光纤光栅振动传感器的刚性横梁均固定该外壳上。

接上述技术方案，所述三分量光纤光栅振动传感器为模块化封装。

本发明还提供了一种三分量光纤光栅振动传感阵列，包括n个三分量光纤光栅地震检波器，所述三分量光纤光栅地震检波器为上述技术方案所述的三分量光纤光栅振动传感器；

其中传感光纤上刻写有4n个弱光栅阵列的传感光纤,n＝1,2,3…；

第一个三分量光纤光栅地震检波器的头纤接入解调系统，尾纤连接第二个三分量光纤光栅地震检波器；第i个三分量光纤光栅地震检波器的头纤连接i-1个三分量光纤光栅地震检波器的尾纤，第i个三分量光纤光栅地震检波器的尾纤连接第i+1个三分量光纤光栅地震检波器的头纤，形成传感阵列，i＝2,3,4…。

接上述技术方案，所述弱光栅阵列为窄带光源和反射率很弱的光栅阵列。

接上述技术方案，相邻两个三分量光纤光栅地震检波器之间的距离大于5m,且相邻两者之间通过铠装光纤连接。

本发明产生的有益效果是：本发明通过对单分量传感器进行结构设计，横向灵敏度得到大大降低，而后采用模块化封装方式构成三分量振动传感器，克服了三分量光纤光栅振动传感器交叉方向较为敏感的缺点。三分量弱光纤光栅单点检波器除了具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温高压等一般光纤振动传感器具有的优点之外，还具有通频带广、动态范围大和测量结果精确等特点，适用于微地震低频检测。此外，由于使用超低反射率的弱光栅阵列，该三分量弱光纤光栅振动传感器还可以进行大规模组网，形成传感阵列，传感容量大，定位精度高，在油气资源勘探和微地震监测方面有着广阔的应用前景。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例单分量光纤光栅检波器正视图；

图2为本发明实施例单分量光纤光栅检波器左视图；

图3为本发明实施例三分量光纤光栅振动传感器的示意图；

图4为图3的三分量检波器构成的振动传感阵列。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式1：参照图1和图2所示，单分量光纤光栅振动传感器具体包括：刚性横梁1、不动端2、紧定螺钉3、空心弹性筒4、连接架5、质量块6、光纤光栅7、可动端8和微型滑块9。

本实施方式的单分量光纤光栅检波器中，所用的空心弹性筒4的材质为硅橡胶，上下两个空心弹性筒规格完全一样，对称的布置在质量块6两边，质量块采用普通金属材质，形状加工成圆柱体，节省空间便于安装。弹性筒4与质量块6之间采用强力胶固定，组成惯性元件，然后将组成的惯性元件用强力胶将上端与不动端2固定，下端与可动端8固定。最后将整体结构穿过刚性横梁1，用紧定螺钉3固定住。下面通过单个检波器介绍光纤光栅7的布置方式。如图2所示，两个相邻弱光栅之间的空白光纤均匀的缠绕在单个检波器的外围框架表面上。

本实施方式中光纤光栅振动传感器原理是利用相邻两个光栅的反射脉冲干涉来实现对外界振动的解调，当两个相邻光栅之间的空白光纤受到外界干扰时，在光纤中传输的光的相位就会发生变化，导致干涉信号的强度发生变化，通过解调干涉光强度的变化就可以还原振动信号。

具体实施方式2，本实施方式是在具体实施方式1上对单分量检波器作进一步的说明。如图1、图2所示，刚性横梁、不动端、可动端和微型滑块均由刚性较好的材质加工而成，不动端、可动端和微型滑块的表面平整，用作惯性元件的两个弹性筒规格形状相同，端面平整，质量块表面平整光滑。弹性筒、质量块、不动端和可动端表面利用强力胶进行固定，表面粘贴平整，不留缝隙，相互之间始终保持平行。

具体实施方式3，本实施方式是在具体实施方式2上做进一步的说明。刚性横梁穿过弹性筒、质量块和外围框架组成的结构时，始终垂直这些结构的表面。紧定螺钉将不动端和刚性横梁固定在一起，不动端与刚性横梁的相对位移始终为零。

具体实施方式4，参照图3，三分量光纤光栅振动传感器由三个单分量光纤光栅检波器11、12、13和一个立方体外壳10组成，分别检测来自三个相互垂直方向的振动信息。

检波器11的一端与检波器12首端相连，检波器12的传感光纤一端与检波器11相连，另一端与检波器13相连，检波器13的传感光纤一端与检波器12相连，另一端接入解调仪。

具体实施方式5，本实施方式是在具体实施方式4上做进一步的说明。三分量光纤光栅振动传感器由一段包含有4个弱光栅的光纤作为传感光纤，立方体外壳预留一个孔，将光纤的一端穿出并接入解调仪。4个光纤布拉格光栅的中心波长一样，为1550nm，相邻光栅之间的间距为5m。

两个相邻光栅间距为5m，相邻两个单分量检波器的距离也为5m。相邻光栅中间的空白光纤缠绕在外部结构上，外部结构与里面的惯性体相连，当外部振动传播到三分量振动传感器外壳时，三个检波器里面的惯性体会感应到振动，带动外部结构发生变化，可动端会沿着连接架发生单方向的滑动。当振动方向沿着检波器的工作轴方向到达时，惯性元件会带动可动端相对于微型滑块发生该方向的上下滑动，导致相邻光栅之间的空白光纤发生形变，在光纤中传输的光相位发生变化，导致干涉信号的强度发生变化，通过解调干涉光强度的变化即可还原振动信号。当振动信号垂直于检波器工作轴方向到达时，由于顺变柱体没有质量块的加持，发生横向振动较小，加上刚性横梁和微型滑块的横向限振作用，横向形变得到进一步抑制，横向灵敏度大大降低。

该三分量光纤光栅振动传感器主要用于检测井下微地震振动信号。结构简单，布置方便，具有良好的稳定性和可靠性。当振动到达传感器时，三个相互垂直的检波器检测到振动在三个方向X、Y和Z的分量信息，进行矢量相加运算，得到该点的振动信息。三个方向的单个检波器互不干扰，相互之间串扰较低，每个检波器工作轴方向灵敏性高，交叉方向降敏效果良好，还原振动信号的效果良好。

具体实施方式6，本实施方式是在具体实施方式5上做进一步的说明。三分量光纤光栅振动传感器的每一个方向上的单分量检波器均能分别测量出该方向的振动信息，三个分量互不影响。但由于材料规格和封装工艺不可能完全相同，在使用之前我们需要对三个分量分别进行标定。标定的方法是将振动的幅值频率和振动发生的方向分开标定，首先将三个分量的检波器在振动台上依次进行标定，对于一个来自任意方向的振动，三个单分量检波器可以分别检测到振动的幅值和频率。关于频率，三个分量检波器检测到的振动频率均一样，即为振动信号的频率；关于幅值，根据预先对单分量检波器进行的标定，将每个分量乘以一个系数进行标准化，将三个分量检波器检测到的振动幅值进行矢量叠加，即可得到所测振动的幅值和振动发生的方向。

具体实施方式7，参照图4,本实施方式所述的三分量光纤光栅振动传感器阵列包含有n个三分量光纤光栅振动传感器，n＝2,3,4…。其中传感光纤上刻写有4n个弱光栅阵列的传感光纤,n＝1,2,3…；第一个三分量光纤光栅地震检波器的头纤接入解调系统，尾纤连接第二个三分量光纤光栅地震检波器；第i个三分量光纤光栅地震检波器的头纤连接i-1个三分量光纤光栅地震检波器的尾纤，第i个三分量光纤光栅地震检波器的尾纤连接第i+1个三分量光纤光栅地震检波器的头纤，形成传感阵列，i＝2,3,4…。该传感阵列是基于一段刻写有弱光栅的光纤构成，由于采用的光纤布拉格光栅的反射率很低，因此能够实现大规模的传感复用。相邻两个三分量检波器之间的距离大于5m,为了使该传感阵列稳定可靠，对相邻检波器之间的连接光纤进行铠装，具体间距可根据实际测量需求在光纤成缆之前进行设计确定。系统选择性的解调每个三分量传感器中三个分量检波器测得的振动信息，然后进行处理，对两个三分量检波器之间的连接光纤受到的振动不做解调。因此，每个传感单元均能独立检测任意方向的振动信息，也可以形成组网，实现大范围传感，适用于复杂地质勘探。

具体实施方式8，本实施方式是在具体实施方式7上做进一步的补充。采用的传感光纤为普通单模光纤，具有一定的弯曲损耗，影响传感阵列的复用能力。因此，采用弯曲不敏感光纤则可以克服这一缺点，实现大规模、大容量阵列传感。

本发明所用的光纤光栅信号解调方法为基于相位调制的干涉解调，当传感光纤受到扰动导致传输光相位发生变化，干涉信号的强度将发生相应的变化。因此，对于振动信号的测量，相比一般的光纤传感器灵敏度得到大大提升，适用于微地震的检测。

本发明所述检波器结构与一般的推挽式结构相比，能够有效降低横向灵敏度。大多数推挽式结构的光纤振动传感器是利用顺变柱体的形变直接带动传感光纤发生形变，工作轴方向的灵敏度很高的同时会造成横向灵敏度也很高，交叉方向的降敏无法解决。本发明将顺变柱体的形变巧妙地转移到另一个表面，进而带动传感光纤发生形变，传感光纤缠绕的表面通过结构设计，由不动端(含连接架)和可动端组成，顺变柱体的形变只能带动可动端实现工作轴方向的单方向运动，在加上刚性横梁的横向限振，交叉方向的敏感度得到大大降低。

本发明所述三分量检波器在进行结构封装时，通过详细尺寸计算和设计，将三个方向的单个传感器正交布置在一个立方体内，使振动信号到达三分量矢量传感器的三个分量传感器的时间尽可能一致，即三个方向的传感器测得的为同一点的振动信息，检测结果更加精确。

本发明所述三分量检波器传感阵列是基于弱光纤光栅传感阵列制作而成的，弱光纤光栅传感阵列采用的是窄带光源和反射率很弱的光栅，可实现大规模复用、大容量振动信号传感。适用于油气资源勘探和微地震的检测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种单分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，包括空心弹性筒，其内固定一质量块，将该空心弹性筒一分为二；该空心弹性筒的上端与不动端固定，下端与可动端固定；

该传感器还包括两根刚性横梁，贯穿整个空心弹性筒，并穿出空心弹性筒的上端和下端；该空心弹性筒外围设有连接架，固定在刚性横梁上；连接架的底部与可动端通过微型滑块连接；

该传感器还包括传感光纤，该传感光纤上相邻两个弱光栅之间的空白光纤均匀的缠绕在连接架的表面上。

2.根据权利要求1所述的单分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，连接架与不动端为一体式整体加工而成。

3.根据权利要求1所述的单分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，连接架的底部与可动端通过多个微型滑块连接。

4.一种三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，该三分量光纤光栅振动传感器包括三个正交组合而成的单分量光纤光栅振动传感器，所述单分量光纤光栅振动传感器为权利要求1-3中任一项所述的单分量光纤光栅振动传感器；

其中，传感光纤包含4个弱光栅，4个相邻弱光栅之间的3段空白光纤缠绕在三个单分量光纤光栅振动传感器的连接架上。

5.根据权利要求4所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，传感光纤的头纤接入解调设备，尾纤打结。

6.根据权利要求4所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，该三分量光纤光栅振动传感器还包括一外壳，三个单分量光纤光栅振动传感器的刚性横梁均固定该外壳上。

7.根据权利要求4所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述三分量光纤光栅振动传感器为模块化封装。

8.一种三分量光纤光栅振动传感阵列，其特征在于，包括n个三分量光纤光栅地震检波器，所述三分量光纤光栅地震检波器为权利要求4所述的三分量光纤光栅振动传感器；

其中传感光纤上刻写有4n个弱光栅阵列的传感光纤,n＝1,2,3…；

第一个三分量光纤光栅地震检波器的头纤接入解调系统，尾纤连接第二个三分量光纤光栅地震检波器；第i个三分量光纤光栅地震检波器的头纤连接i-1个三分量光纤光栅地震检波器的尾纤，第i个三分量光纤光栅地震检波器的尾纤连接第i+1个三分量光纤光栅地震检波器的头纤，形成传感阵列，i＝2,3,4…。

9.根据权利要求8所述的三分量光纤光栅振动传感阵列，其特征在于，所述弱光栅阵列为窄带光源和反射率很弱的光栅阵列。

10.根据权利要求8所述的三分量光纤光栅振动传感阵列，其特征在于，相邻两个三分量光纤光栅地震检波器之间的距离大于5m,且相邻两者之间通过铠装光纤连接。

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