CN110806258A - 一种三分量光纤光栅振动传感器 - Google Patents

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CN110806258A CN201911100824.5A CN201911100824A CN110806258A CN 110806258 A CN110806258 A CN 110806258A CN 201911100824 A CN201911100824 A CN 201911100824A CN 110806258 A CN110806258 A CN 110806258A
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Abstract

本申请公开一种三分量光纤光栅振动传感器，包括保护套筒、传感组件、密封结构和波分复用器，所述密封结构用于将所述传感组件密封于所述保护套筒的内部；所述传感组件包括支架、三个质量块组件和光纤组件，三个质量块组件分别分布在支架上三个方向相互垂直的开口内；所述光纤组件包括光纤和刻入光纤的三个光栅，每个光栅的两端都连接有光纤基座，所述光栅自由端的光纤基座与一个质量块组件连接，所述光栅固定端的光纤基座固定于支架上，所述光纤的一端固定在所述传感组件上，所述光纤的另一端与所述波分复用器连接。本申请可以实现井下三分量振动的精确检测，具有检测精度和灵敏度高、传感器测量稳定性高、密封性好、安装方便、抗电磁干扰等优点。

Description

一种三分量光纤光栅振动传感器
技术领域
本申请涉及振动检测技术领域，尤其涉及一种三分量光纤光栅振动传感器。
背景技术
在勘探和开发油藏时，一般使用VSP(Vertical Seismic Profile，垂直地震剖面)井下测量方法来检测地震，VSP井下测量方法要求记录地层内下行波场和上行波场地震，为了把上述两种波场采集记录下来，井下检测时需要用到地震检波器，而且地震检波器要既能观察到竖直振动分量，又能观察到两个水平振动分量，这就要求地震检波器需要是三分量检波器。
一般的三分量地震检波器是由三个单独检波器按相互垂直的方向固定，并密封在一个无磁性的圆筒内。常用地震检波器是电子式传感器，易受井下电磁干扰，导致数据不准确，由于光纤传感器具有耐高温高压、抗干扰能力强和耐腐蚀等优点，被越来越多的应用于油井的温度、压力和振动等检测。目前光纤光栅振动传感器多用于矿山、岩石和铁路等环境的振动检测，没有用于井下测量的光纤光栅振动传感器。由于井下环境较为恶劣，例如高温、高压和腐蚀性流体等，现有的光纤光栅振动传感器无法满足现场使用要求。
发明内容
本申请提供一种三分量光纤光栅振动传感器，可以用于井下环境中三个方向振动分量的检测。
本申请提供一种三分量光纤光栅振动传感器，包括保护套筒、传感组件、密封结构和波分复用器，所述密封结构用于将所述传感组件密封于所述保护套筒的内部；所述传感组件包括支架、三个质量块组件和光纤组件，三个质量块组件分别分布在支架上三个方向相互垂直的开口内；所述光纤组件包括光纤和刻入光纤的三个光栅，每个光栅的两端都连接有光纤基座，所述光栅自由端的光纤基座与一个质量块组件连接，所述光栅固定端的光纤基座固定于支架上，所述光纤的一端固定在所述传感组件上，所述光纤的另一端与所述波分复用器连接。
可选地，非竖直方向上的质量块组件包括质量块、支柱和弹性片，所述质量块、支柱和弹性片通过连接件连接为一体，支柱分别与质量块和弹性片垂直；所述支柱上设有第一凹槽，所述第一凹槽用于放置所述光栅自由端的光纤基座。
可选地，竖直方向上的质量块组件包括质量块和弹性片，所述质量块和弹性片通过连接件连接，质量块内设有安装孔，所述安装孔用于放置所述光栅自由端的光纤基座。
可选地，所述传感组件还包括三个设置在支架上的支撑件，所述支撑件内设有第二凹槽，所述第二凹槽用于放置所述光栅固定端的光纤基座。
可选地，所述传感组件还包括三对设置在支架上的限位组件，每对限位组件包括低限位元件和高限位元件，所述低限位元件和高限位元件分别设置在所述质量块振动方向的上下两侧。
可选地，所述传感组件还包括底座，底座与所述支架的底部连接，所述底座上与支架连接处设有台阶面，所述光纤的一端固定在所述底座的台阶面上。
可选地，所述支架上设有第三凹槽，所述第三凹槽用于放置所述波分复用器。
可选地，所述密封结构包括密封头、密封环、密封塞和压钉，所述密封头安装于保护套筒的开口端，所述密封头上设有中心螺孔，所述密封环套设在密封塞的外部，所述压钉将密封环和密封塞压紧在中心螺孔的内部；所述密封塞上设有第一通孔，所述压钉上设有第二通孔，从所述传感组件中导出的光纤依次经过中心螺孔和第一通孔，并从第二通孔中引出。
可选地，所述密封头的端面上设有若干内螺纹孔，内螺纹孔的底端为锥形，所述内螺纹孔中螺纹连接有相匹配的密封螺钉；所述密封头的侧壁上设有外螺纹和密封沟槽，保护套筒的开口端设有内螺纹，密封头与所述保护套筒的开口端螺纹连接，密封沟槽用于安装密封圈。
可选地，所述保护套筒内填充有硅油。
本申请具备的有益效果如下：本申请中三个质量块组件设置在支架上三个相互垂直的方向上，质量块的振动会带动光栅拉伸或压缩，使得三个光栅能够检测井下三个方向的振动参数，比如振幅、振动频率和加速度等，并通过保护套筒和密封结构的全方位密封防护，保证光纤光栅不受井下恶劣环境条件的影响，可以实现井下三分量振动的精确检测，具有检测精度和灵敏度高、传感器测量稳定性高、密封性好、抗电磁干扰、安装方便、体积小且质量轻等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例示出的三分量光纤光栅振动传感器的结构分解图；
图2为本申请实施例示出的光纤粘结结构示意图；
图3为本申请实施例示出的一种质量块组件的结构示意图；
图4为本申请实施例示出的支架结构示意图；
图5为本申请实施例示出的另一个视角的支架结构示意图；
图6为本申请实施例提供的密封结构的示意图。
图中，1-保护套筒，2-波分复用器，3-支架，4-质量块组件，5-光纤，6-光栅，7-光纤基座，8-质量块，9-支柱，10-弹性片，11-连接件，12-第一凹槽，13-安装孔，14-支撑件，15-第二凹槽，16-低限位元件，17-高限位元件，18-底座，19-第三凹槽，20-密封头，21-密封环，22-密封塞，23-压钉，24-中心螺孔，25-第一通孔，26-第二通孔，27-内螺纹孔，28-密封螺钉，29-密封沟槽。
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、完整的描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1-图5所示，本申请实施例提供一种三分量光纤光栅振动传感器，保护套筒1、传感组件、密封结构和波分复用器2，所述密封结构用于将所述传感组件密封于所述保护套筒1的内部，通过保护套筒和密封结构对传感器组件进行全方位密封防护。其中，波分复用器2可以设置在保护套筒1内，或者也可以将传感组件的光纤从密封结构上预留的通孔引出传感器，然后外接波分复用器2，然后将波分复用器2通过光纤跳线连接波长解调设备，实现井下振动信号的测量。其中，所述传感组件包括支架3、三个质量块组件4和光纤组件。
如图2所示，由于需要检测三个相互垂直方向上的振动分量，因此本申请中光纤组件包括用于信号传输的光纤5和用于振动信号感测的三个光栅6，每个光栅6之间具有一定的间距，该间距应适于将各个光栅6固定到传感组件三个相互垂直的方向上，每个光栅6的两端都连接有光纤基座7，即共具有6个光纤基座7，光纤基座7上设有便于光纤5穿过的通孔，光纤5依次穿过6个光纤基座7，将光纤5与每个光纤基座7进行粘结，使得6个光纤基座7在光纤5上的位置固定。
第一个光栅6形成波长为λ1的栅区，从左到右数第一个光纤基座7与第二个光纤基座7在波长为λ1的栅区两端；第二个光栅6形成波长为λ2的栅区，第三个光纤基座7与第四个光纤基座7在波长为λ2的栅区两端；三个光栅6形成波长为λ3的栅区，第五个光纤基座7与第六个光纤基座7在波长为λ3的栅区两端。第二个光纤基座7与第三个光纤基座7的间距，以及，第四个光纤基座7与第五个光纤基座7的间距，可以参照传感器结构尺寸，从便于光纤粘结结构的安装角度进行设定。
如图4所示，三个质量块组件4分别设置在支架3上三个方向相互垂直的开口内，支架3的开口方向一个是竖直方向，两个为水平方向。光栅6两端可以划分为自由端和固定端，光栅6自由端的光纤基座7与一个质量块组件4连接，光栅6固定端的光纤基座7固定于支架3上，光纤5的一端固定在所述传感组件上，光纤5的另一端与波分复用器2连接。三个质量块组件4设置在支架3上三个相互垂直的方向上，质量块的振动会带动光栅6拉伸或压缩，使得三个光栅6能够检测井下三个方向的振动参数，比如振动幅度、振动频率和加速度等，并通过保护套筒1和密封结构的全方位密封防护，保证光纤光栅不受井下恶劣环境条件的影响，可以实现井下三分量振动的精确检测，具有检测精度和灵敏度高、传感器测量稳定性高、密封性好、安装方便、抗电磁干扰等优点。
如图3所示，示出了一种安装在非竖直方向(图4中支架3的3B和3C处)上的质量块组件4的结构，包括质量块8、支柱9和弹性片10，质量块8、支柱9和弹性片10通过连接件11连接为一体，连接件11可以是螺钉或螺栓等，支柱9分别与质量块8和弹性片10垂直，支柱9上设有第一凹槽12，第一凹槽12设在支柱9的上端，第一凹槽12用于放置光栅6自由端的光纤基座7，自由端的光纤基座7放在第一凹槽12内后，可以通过螺钉将光纤基座7和支柱9固定连接。当将传感器置于井下作业环境中时，弹性片10对外界振动敏感，质量块8会随弹性片10上下振动，从而带动自由端的光纤基座7上下振动，从而使得光栅6被拉伸或压缩，导致光栅6波长发生改变，通过解调光栅6波长的变化，即可测量振动信号。
对于安装在竖直(图4中支架3的3A处)上的质量块组件4的结构，则可不包括支柱9，而是包括质量块8和弹性片10，质量块8和弹性片10通过连接件11连接，然后在质量块8内设有安装孔13，安装孔13用于放置光栅6自由端的光纤基座7。
为了便于光栅6固定端的光纤基座7在支架3上的固定和安装，在本实施可选的技术方案中，所述传感组件还包括三个设置在支架3上的支撑件14(分别固定在支架3上的3D、3E、3F处)，支撑件14内设有第二凹槽15，第二凹槽15用于放置光栅6固定端的光纤基座7。即一个光栅6对应于一个质量块组件4和一个支撑件14，光栅6自由端的光纤基座7放置在对应的质量块组件4的第一凹槽12/安装孔13内，光栅6固定端的光纤基座7放置在对应的支撑件14的第二凹槽15内。
可选地，所述传感组件还包括底座18，底座18与支架3的底部连接，连接可以是通过螺钉连接等形式，底座18上与支架3连接处设有台阶面(即图4和图5中3G、3H、3I所在的圆周台阶面)，光纤5的一端固定在底座18的台阶面上，底座18上还可设置利于光纤5穿过的孔或沟槽，从而便于将图3所示的光纤粘结结构安装在支架3上。支架3的最大厚度尺寸略小于底座18的最大厚度尺寸，底座18的最大厚度尺寸与保护套筒1的开孔尺寸为小间隙配合。
支架3上可设有第三凹槽19，第三凹槽19用于放置波分复用器2，从而将波分复用器2密封在保护套筒1的内部。
由于质量块8会上下振动，如果振动幅度过大，可能会导致光栅6被拉断，使得传感器产生故障，无法进行振动检测，对此本实施例可选的方案中，所述传感组件还包括三对设置在支架3上的限位组件，每对限位组件包括低限位元件16和高限位元件17，低限位元件16和高限位元件17分别设置在质量块8振动方向的上下两侧，即每个质量块8(光栅6)对应于一对限位组件，用以控制每个质量块8振动的最低位和最高位。其中，低限位元件16为片状结构，低限位元件16上可以开设有长圆孔，低限位元件16与质量块8的间隙可以通过添加弹性垫来调节；高限位元件17可以是调节螺钉，通过旋动调节螺钉，可以调节高限位元件17与质量块8之间的间距。通过设置低限位元件16和高限位元件17，可以避免光栅6被拉断，保证传感器工作的可靠性。
为了适应传感组件和光纤组件在支架3上的安装，在具体实现中，支架3上的开口可设有用于质量块组件4安装的台阶面，支架3上设有用于支柱9穿过的通孔，支架3上的开口周边设有用于安装低限位元件16的台阶面，所述支架设有适于安装高限位元件17的结构，支架3上可以开设沟槽，与底座18上沟槽一一对应，以适应光纤5的穿过或缠绕，等等。本领域技术人员可以基于传感组件和光纤组件的结构特征，适应性设置支架3的结构，以便于传感器内各部分结构之间的固定和连接，支架3的结构不限于本实施例所述。
以图4和图5的支架3为例，将光纤5从底座18的孔2A中穿入，使用紧固螺钉将波长为λ3的栅区自由端的光纤基座7固定在3A处质量块8的安装孔13内，以及，使用紧固螺钉将波长为λ3的栅区固定端的光纤基座7固定在3D处支撑件14的第二凹槽15内；缠绕光纤5，继续将波长为λ2的栅区自由端的光纤基座7固定在3B处支柱9的第一凹槽12，以及，将波长为λ2的栅区固定端的光纤基座7固定在3E处支撑件14的第二凹槽15内；继续缠绕光纤5，将波长为λ1的栅区自由端的光纤基座7固定在3C处支柱9的第一凹槽12，以及，将波长为λ1的栅区固定端的光纤基座7固定在3F处支撑件14的第二凹槽15内；将波分复用器2装入3J位置处的第三凹槽19中，使用螺钉将波分复用器2固定，波分复用器2的输入端连接光纤5的尾端，波分复用器2的输出端通过光纤跳线连接波长解调设备，分别预拉三个光栅6，从而为每个光栅6施加一定的预拉力，调节各质量块8对应的低限位元件16和高限位元件17的安装位置，从而调节质量块8上下振动的极限位置，然后利用高温胶带将光纤5的另一端粘结固定在3G、3H、3I处的台阶面上。
本实施例中，保护套筒1为空心圆筒形结构，底端封闭，顶端开口，便于从开口处将传感组件等结构装入保护套筒1的内部，为使光纤光栅不受井下环境影响，需要对保护套筒开口的一端进行密封。
对此，如图6所示，本申请中所述密封结构包括密封头20、密封环21、密封塞22和压钉23，其中密封塞22采用弹性材料制成。密封头20安装于保护套筒1的开口端，密封头20的侧壁上设有外螺纹和密封沟槽29，保护套筒1的开口端设有内螺纹，通过密封头20的外螺纹与保护套筒1的内螺纹之间的配合，实现密封头20与保护套筒1的开口端螺纹连接，密封沟槽29用于安装密封圈，从而保证密封头20的密封效果。密封头20的中心设有中心螺孔24，密封环21套设在密封塞22的外部，压钉23将密封环21和密封塞22压紧在中心螺孔24的内部，并且压钉23设有外螺纹，通过压钉23的外螺纹与中心螺孔24的配合，使得压钉23螺接在中心螺孔24内。密封塞22上设有第一通孔25，压钉23上设有第二通孔26，从所述传感组件中导出的光纤依次经过中心螺孔24和第一通孔25，并最终从第二通孔26中引出。
如果波分复用器2设置在传感器外部，则所述传感组件中导出的光纤即为图2中的光纤5的尾端；如果波分复用器2固定支架3的第三凹槽19中，则所述传感组件中导出的光纤即为波分复用器2输出端的光纤。
可选地，密封头20的端面上设有若干内螺纹孔27，内螺纹孔27的底端为锥形，可用于向保护套筒1内添加或流放硅油，硅油粘度可以根据实际应用情况进行选取，硅油作为阻尼，可以保证传感器的灵敏度，提高井下振动测量的准确性和稳定性，内螺纹孔27中螺纹连接有相匹配的密封螺钉28，密封螺钉28用于对内螺纹孔27进行密封，以保证传感器的密封性能。
另外，也可以在保护套筒1的密闭端(底端)也同样设置若干内螺纹孔，并且内螺纹孔底端也是锥形结构，用于流放硅油，同时也设置与内螺纹孔配合的密封螺钉。只在流放硅油时才会起开保护套筒1密闭端的密封螺钉，其他时候保护套筒1的密闭端需要保持密封状态。
光栅6预拉完成后，掐断光纤跳线，将按照前述方式组装完成的传感组件装入保护套筒1的内部，使保护套筒1底端的密封螺钉紧固好，向保护套筒1内添加适量的硅油，以保证密封后的保护套筒1内填充硅油，将密封圈安装在密封沟槽29内，将从传感组件中导出的光纤从密封头20的中心螺孔24中穿出后，将密封头20与保护套筒1螺纹连接；将密封环21套设在密封塞22的外部，将从传感组件中导出的光纤从第一通孔25中穿出，然后将密封环21放入中心螺孔24内；将从传感组件中导出的光纤从第二通孔26中引出，然后将压钉23装入中心螺孔24内，拧动压钉23，从而将密封环21和密封塞22压紧在中心螺孔24的内部，并且压钉23螺接在中心螺孔24内，最后将密封螺钉28与密封头20端面上的内螺纹孔27紧固连接，则整个传感器装配完成。
本申请中三个质量块组件4设置在支架3上三个相互垂直的方向上，当外界振动传递到质量块组件4时，质量块8随弹性片10上下振动，从而会使光栅6拉伸或者压缩，由于光栅6长度发生变化，导致光栅6的波长也发生变化，通过外部连接的波长解调设备，解调光栅波长的周期性变化，从而得到井下三个方向的振动参数，实现井下三分量振动检测。
由于本申请提供的传感器全部采用机械结构，不受外界电磁干扰，保证测量出的振动信号真实可靠，同时在传感器内部添加了硅油作为阻尼，保证了传感器的灵敏度，通过保护套筒1和密封结构的全方位密封防护，保证光纤光栅不受井下恶劣环境条件的影响，可以实现井下三分量振动的精确检测，具有检测精度和灵敏度高、传感器测量稳定性高、抗电磁干扰、密封性好、安装方便、体积小且质量轻等优点。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，包括保护套筒(1)、传感组件、密封结构和波分复用器(2)，所述密封结构用于将所述传感组件密封于所述保护套筒(1)的内部；所述传感组件包括支架(3)、三个质量块组件(4)和光纤组件，三个质量块组件(4)分别分布在支架(3)上三个方向相互垂直的开口内；所述光纤组件包括光纤(5)和刻入光纤(5)的三个光栅(6)，每个光栅(6)的两端都连接有光纤基座(7)，所述光栅(6)自由端的光纤基座(7)与一个质量块组件(4)连接，所述光栅(6)固定端的光纤基座(7)固定于支架(3)上，所述光纤(5)的一端固定在所述传感组件上，所述光纤(5)的另一端与所述波分复用器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，非竖直方向上的质量块组件(4)包括质量块(8)、支柱(9)和弹性片(10)，所述质量块(8)、支柱(9)和弹性片(10)通过连接件(11)连接为一体，支柱(9)分别与质量块(8)和弹性片(10)垂直；所述支柱(9)上设有第一凹槽(12)，所述第一凹槽(12)用于放置所述光栅(6)自由端的光纤基座(7)。
3.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，竖直方向上的质量块组件包括质量块(8)和弹性片(10)，所述质量块(8)和弹性片(10)通过连接件(11)连接，质量块(8)内设有安装孔(13)，所述安装孔(13)用于放置所述光栅(6)自由端的光纤基座(7)。
4.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述传感组件还包括三个设置在支架(3)上的支撑件(14)，所述支撑件(14)内设有第二凹槽(15)，所述第二凹槽(15)用于放置所述光栅(6)固定端的光纤基座(7)。
5.根据权利要求2或3所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述传感组件还包括三对设置在支架(3)上的限位组件，每对限位组件包括低限位元件(16)和高限位元件(17)，所述低限位元件(16)和高限位元件(17)分别设置在所述质量块(8)振动方向的上下两侧。
6.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述传感组件还包括底座(18)，底座(18)与所述支架(3)的底部连接，所述底座(18)上与支架(3)连接处设有台阶面，所述光纤(5)的一端固定在所述底座(18)的台阶面上。
7.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述支架(3)上设有第三凹槽(19)，所述第三凹槽(19)用于放置所述波分复用器(2)。
8.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述密封结构包括密封头(20)、密封环(21)、密封塞(22)和压钉(23)，所述密封头(20)安装于保护套筒(1)的开口端，所述密封头(20)上设有中心螺孔(24)，所述密封环(21)套设在密封塞(22)的外部，所述压钉(23)将密封环(21)和密封塞(22)压紧在中心螺孔(24)的内部；所述密封塞(22)上设有第一通孔(25)，所述压钉(23)上设有第二通孔(26)，从所述传感组件中导出的光纤依次经过中心螺孔(24)和第一通孔(25)，并从第二通孔(26)中引出。
9.根据权利要求8所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述密封头(20)的端面上设有若干内螺纹孔(27)，内螺纹孔(27)的底端为锥形，所述内螺纹孔(27)中螺纹连接有相匹配的密封螺钉(28)；所述密封头(20)的侧壁上设有外螺纹和密封沟槽(29)，保护套筒(1)的开口端设有内螺纹，密封头(20)与所述保护套筒(1)的开口端螺纹连接，密封沟槽(29)用于安装密封圈。
10.根据权利要求1所述的三分量光纤光栅振动传感器，其特征在于，所述保护套筒(1)内填充有硅油。
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