CN110567572B - 组合结构的光纤激光微震检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤微震检波器，特别公开了一种组合结构的光纤激光微震检波器。该光纤激光微震检波器，包括基座结构，其特征在于：所述基座结构为开槽的长方体结构，基座结构的槽内安装有由质量块和两个弹性膜片组成的加速度惯性敏感结构，其中，两个弹性膜片分别安装于质量块的上下两侧；质量块的左右两侧对称安装有两个铰链结构，每个铰链结构分别连接质量块和基座结构，两个铰链结构顶端安装有光纤激光器并分别于光纤激光器的两端连接。本发明有效拓宽光纤激光微震检波器带宽的同时保证较高的宽频灵敏度，将质量块的振动方向限制在检波器的敏感方向，降低非敏感方向的加速度响应，获得较低的横向交叉灵敏度。
Description
（一）技术领域
本发明涉及一种光纤微震检波器，特别涉及一种组合结构的光纤激光微震检波器。
（二）背景技术
微震是岩石破裂或流体扰动产生微小的震动。工程生产上的微震是由人为生产施工导致岩石破裂产生的，如油田压裂微震、矿山安全生产微震、水电站大坝微震等等，自然产生的微震是由天然应力场的变化引起岩石破裂或者岩浆、雨水等流体扰动引起孔压变化产生的。对微震信号进行监测、定位、分析，可有效推断岩体内部的变化情况，监测大型地质工程的破坏程度，预测垮塌、岩爆、突涌水、冲击地压等灾害的发生，以及评估油田压裂效果，为优化压裂施工，提高收采率提供支撑。
微震检波器是微震信号监测最有效的技术手段。由于油井、矿山、隧道等工程应用环境复杂，并且微震信号一般比较微弱，频带宽，可达到1kHz以上，对微震检波器的性能提出了较高的要求。传统电子检波器存在灵敏度低、带宽窄、易受电磁干扰、布线复杂、防水防潮性差、可靠性差等缺点。光纤检波器具有灵敏度高、抗电磁干扰、防水耐腐蚀、易于组网和长距离传输等优势。特别是基于分布反馈光纤激光器的光纤激光传感器，利用掺杂光敏光纤，通过紫外曝光等技术，在光纤的掺杂区直接刻写相移光纤光栅，通过相移光栅进行光反馈和波长选择，产生窄线宽的激光，具有单纵模输出、线宽窄、噪声低、相干性强、体积小、结构简单和输出频谱特性好等优点,用于光纤传感具有极高的灵敏度，并且动态范围大、易于通过波分复用构成网络。
现有的光纤激光检波器主要通过质量块弹性结构构成的惯性敏感结构来检测微震的加速度信号，一般频带较窄，且质量块弹性结构构成的惯性敏感结构存在灵敏度与谐振频率竞争关系，拓宽频带往往以降低高频灵敏度为代价，宽频光纤激光检波器灵敏度低，且横向交叉灵敏度降低，指向性变差，不利于微震源的定位。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种宽频灵敏度高、横向交叉灵敏度低、温度灵敏度低的组合结构的光纤激光微震检波器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种组合结构的光纤激光微震检波器，包括基座结构，其特征在于：所述基座结构为开槽的长方体结构，基座结构的槽内安装有由质量块和两个弹性膜片组成的加速度惯性敏感结构，其中，两个弹性膜片分别安装于质量块的上下两侧；质量块的左右两侧对称安装有两个铰链结构，每个铰链结构分别连接质量块和基座结构，两个铰链结构顶端安装有光纤激光器并分别于光纤激光器的两端连接。
本发明通过质量块-双弹性膜片结构的惯性敏感结构与铰链增敏放大结构有效结合，以两个弹性膜片为弹性元件和限位元件，控制检波器的灵敏度和频率特性，并限制弹性块的横向位移，减小灵敏度，同时铰链结构将质量块的位移放大为光纤激光器的轴向应变，光纤激光器则用于感知加速度信号，实现微震检测的高灵敏度。
本发明的更优技术方案为：
所述基座结构和弹性膜片均为线切割或激光切割加工的低膨胀系数合金板材；通过膨胀系数匹配，提高了一致性。
所述基座结构的对称两侧开设有对应铰链结构的安装槽，基座结构的槽底部开设有对应弹性膜片的安装缝，实现弹性膜片和铰链结构的稳固安装。
所述质量块安装于两个弹性膜片的中心对称位置，并通过激光焊接、环氧胶粘结或螺钉紧固的方式与两个弹性膜片耦合，质量块上端的弹性膜片两边通过激光焊接、环氧胶粘结或螺钉紧固的方式固定在基座结构上；两个弹性膜片作为弹性元件和限位元件，控制检波器的灵敏度和频率特性，并限制质量块的横向位移，减小横向灵敏度。
所述铰链结构为激光切割或线切割加工而成的一体结构，包括底部两侧分别设置固定梁和连接梁的放大梁，固定梁插入基座结构且固定梁底面上设置有变形槽，连接梁与质量块的底部连接，放大梁顶端与光纤激光器连接；铰链结构将质量块的位移放大为光纤激光器的轴向应变，光纤激光器在铰链结构的拉伸下激光波长发生变化，感知加速度信号。
所述放大梁的顶端开设有微槽，光纤激光器的尾端穿过微槽，并在微槽内通过环氧胶粘结、激光焊接或玻璃焊方式与放大梁连接，实现光纤激光器的安装。
所述连接梁通过螺钉与质量块连接，且连接处安装有弹性垫片，以便调节预紧力，通过调节预紧力可以调节与铰链结构连接的光纤激光器的激光波长。
所述光纤激光器具有0.1-0.5N的预紧力。
所述光纤激光器上设置毛细石英管护套，石英管护套的内径为126-130μm，壁厚为50-100μm，以限制外界环境对激光器的影响，并限制横向振动的影响，降低横向灵敏度。
所述石英管护套的长度大于光纤激光器的栅区，且在栅区两端外侧与光纤激光器固定，光纤激光器的两端通过石英管护套再与铰链结构连接。
本发明通过铰链增敏放大结构补偿惯性敏感结构存在灵敏度与谐振频率竞争，有效拓宽光纤激光微震检波器带宽的同时保证较高的宽频灵敏度；通过双膜片结构，将质量块的振动方向限制在检波器的敏感方向，并通过对称铰链结构降低非敏感方向的加速度响应，获得较低的横向交叉灵敏度；通过低膨胀系数底座与铰链膨胀系数匹配实现光纤激光检波器的低温度灵敏度。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为图2所示的A-A面剖面示意图；
图4为本发明铰链结构的主视结构示意图；
图5为本发明铰链结构的右视结构示意图；
图6为本发明基座结构的结构示意图。
图中，01基座结构，011安装槽，012安装缝，02质量块，03弹性膜片，04铰链结构，040变形槽，041连接梁，042固定梁，043放大梁，044微槽，05光纤激光器。
（五）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，对本发明进一步详细说明。
参考图1，为本发明提供的一种组合结构的光纤激光微震检波器，包括：基座结构01，质量块02，弹性膜片03，铰链结构04，光纤激光器05。
参考图1，图2，本发明提供的一种组合结构的光纤激光微震检波器，基座结构01为开槽的长方体结构，较佳的，由具有极低的热膨胀系数的Invar合金加工而成，为保证工艺一致性，一般采用合金板材线切割或激光切割加工而成；参考图4，本发明提供的组合结构的光纤激光微震检波器的基座结构的示意图，基座结构01进一步开有安装槽011，以便铰链结构04的固定梁042插入安装槽011安装固定，并进一步开有安装缝012，以便弹性膜片03插入安装缝012安装固定。
参考图1，图2，基座结构01的槽内，安装有由质量块02和两个弹性膜片03组成的加速度惯性敏感结构，其中，两个弹性膜片03分别安装于质量块02的上下两侧，较佳的，质量块02安装于中心对称位置，并通过激光焊接或环氧胶粘接或螺钉紧固的方式与膜片03耦合；较佳的，弹性膜片03为低膨胀系数合金材料，为提高一致性，弹性膜片03为合金板材线切割或激光切割加工而成；质量块02下端的弹性膜片03两边插入安装缝012，并通过激光焊接或环氧胶粘接的方式与基座结构固定；质量块02上端的弹性膜片03两边通过激光焊接或环氧胶粘接或螺钉紧固的方式与基座结构固定；由质量块02和两个弹性膜片03组成加速度惯性敏感结构，测量振动加速度时，能够在惯性力作用下相对基座结构01产生位移，弹性膜片03作为弹性元件和限位元件，控制检波器的灵敏度和频率特性，并限制质量块02的横向位移，减小横向灵敏度。
参考图1，图2，图3，质量块02两侧对称安装有两个铰链结构04，每个铰链结构04分别连接基座结构01、质量块02和光纤激光器05，且将质量块02的位移放大为光纤激光器05的轴向应变；较佳的，铰链结构04包括变形槽040、连接梁041、固定梁042、放大梁043，由激光切割或线切割加工而成，以保证一致性；其中，连接梁041与质量块02的底部连接，一般为通过激光焊接或环氧胶粘接或螺钉紧固的方式连接；固定梁042插入安装槽011安装固定，一般为通过激光焊接或环氧胶粘接的方式连接；放大梁043顶端与光纤激光器05连接，将质量块02的位移放大为光纤激光器05的轴向应变。
较佳的，铰链结构04的连接梁041通过螺钉与质量块02连接，且连接处安装有弹性垫片，以便调节预紧力，通过调节预紧力可以调节与铰链结构04连接的光纤激光器05的激光波长。
较佳的，铰链结构04的放大梁043顶端进一步开有微槽044，以便于安装光纤激光器05；光纤激光器05的尾端穿过微槽044，并在微槽044内通过环氧胶粘接或激光焊接或玻璃焊等连接方式与放大梁043连接。
参考图1，图2，光纤激光器05两端与两个铰链结构04的放大梁043连接，在铰链结构04的拉伸下激光波长发生变化，感知加速度信号；光纤激光器05具有一定的预紧力，较佳的，预紧力为0.1-0.5 N；较佳的，光纤激光器05具有毛细石英管护套，石英管护套内径以126-130μm为宜，壁厚以50-100μm为宜，石英管护套的长度应大于光纤激光器05的栅区，且在栅区两端外侧与光纤激光器05固定，固定方式为环氧胶粘接或激光焊接，光纤激光器05的两端通过石英管护套再与放大梁043连接；石英管护套的作用为限制外界环境对光纤激光器05的影响，并限制横向振动的影响，降低横向灵敏度。
本发明提供的组合结构的光纤激光微震检波器的工作原理如下：基座结构01与岩体或被测物体耦合，耦合方式为通过螺纹连接、高强度胶粘接、通过外壳或夹具固定等，耦合效果为刚性耦合。当有微震信号时，质量块02在惯性力作用下，相对基座结构01产生振动，振动的相对位移通过铰链结构04放大为光纤激光器05的轴向应变，引起其激光波长发生变化，通过光纤激光器05的波长解调设备检测波长变化，可以获得微震信号。
本发明提供的组合结构的光纤激光微震检波器可以通过改变弹性膜片03的厚度、质量块02的质量，调整检波器的轴向灵敏度和谐振频率。由于采用双弹性膜片03两端固支的结构，检波器具有较高的谐振频率；采用对称安装的铰链结构04进行放大，可以保证较高的灵敏度。
本发明提供的组合结构的光纤激光微震检波器降低横向灵敏度的方法为：采用双弹性膜片03两端固支的结构，限制质量块02只产生相对基座结构01竖直方向的振动，对称安装的铰链结构04，在质量块02位移作用下，产生方向相反的转动，产生较大的相对位移，从而拉伸光纤激光器05，而在其他方向的加速度作用下，两个铰链结构04的惯性振动方向相同，相对位移抵消，从而具有较小的灵敏度；光纤激光器05具有毛细石英管护套，以限制外界环境对光纤激光器04的影响，并限制横向振动的影响，进一步降低由于环境影响以及光纤激光器05自身振动产生的横向灵敏度。
本发明提供的组合结构的光纤激光微震检波器由于基座结构01和弹性膜片03采用低热膨胀系数的材料，而铰链结构04采用相对较高的热膨胀系数的材料，在温度变化时，基座结构01的热膨胀和铰链结构04的热膨胀形变方向相反，一定程度抵消，从而抵消结构热膨胀对光纤激光器05的拉伸，使检波器具有较低的温度灵敏度。
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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发名，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种组合结构的光纤激光微震检波器，包括基座结构（01），其特征在于：所述基座结构（01）为开槽的长方体结构，基座结构（01）的槽内安装有由质量块（02）和两个弹性膜片（03）组成的加速度惯性敏感结构，其中，两个弹性膜片（03）分别安装于质量块（02）的上下两侧；质量块（02）的左右两侧对称安装有两个铰链结构（04），每个铰链结构（04）分别连接质量块（02）和基座结构（01），两个铰链结构（04）顶端安装有光纤激光器（05）并分别于光纤激光器（05）的两端连接；
所述铰链结构（04）为激光切割或线切割加工而成的一体结构，包括底部两侧分别设置固定梁（042）和连接梁（041）的放大梁（043），固定梁（042）插入基座结构（01）且固定梁（042）底面上设置有变形槽（040），连接梁（041）与质量块（02）的底部连接，放大梁（043）顶端与光纤激光器（05）连接；
所述基座结构（01）的对称两侧开设有对应铰链结构（04）的安装槽（011），基座结构（01）的槽底部开设有对应弹性膜片（03）的安装缝（012）。
2.根据权利要求1所述的组合结构的光纤激光微震检波器，其特征在于：所述基座结构（01）和弹性膜片（03）均为线切割或激光切割加工的低膨胀系数合金板材。
3.根据权利要求1所述的组合结构的光纤激光微震检波器，其特征在于：所述质量块（02）安装于两个弹性膜片（03）的中心对称位置，并通过激光焊接、环氧胶粘结或螺钉紧固的方式与两个弹性膜片（03）耦合，质量块（02）上端的弹性膜片（03）两边通过激光焊接、环氧胶粘结或螺钉紧固的方式固定在基座结构（01）上。
4.根据权利要求1所述的组合结构的光纤激光微震检波器，其特征在于：所述光纤激光器（05）具有0.1-0.5N的预紧力。
5.根据权利要求1所述的组合结构的光纤激光微震检波器，其特征在于：所述光纤激光器（05）上设置毛细石英管护套，石英管护套的内径为126-130μm，壁厚为50-100μm。
6.根据权利要求1所述的组合结构的光纤激光微震检波器，其特征在于：所述放大梁（043）的顶端开设有微槽（044），光纤激光器（05）的尾端穿过微槽（044），并在微槽（044）内通过环氧胶粘结、激光焊接或玻璃焊方式与放大梁（043）连接。
7.根据权利要求1所述的组合结构的光纤激光微震检波器，其特征在于：所述连接梁（041）通过螺钉与质量块（02）连接，且连接处安装有弹性垫片。
8.根据权利要求5所述的组合结构的光纤激光微震检波器，其特征在于：所述石英管护套的长度大于光纤激光器（05）的栅区，且在栅区两端外侧与光纤激光器（05）固定，光纤激光器（05）的两端通过石英管护套再与铰链结构（04）连接。
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