CN111323613A - 基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头及井下矢量加速度计 - Google Patents

基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头及井下矢量加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头及井下矢量加速度计。主要包括矢量光纤传感探头、信号采集系统、信号处理系统及外围设备；其中矢量光纤传感探头包括三个单轴加速度计、外圆筒、密封盖、防水密封光缆接头等；将两个跑道型光纤敏感环粘贴在等强度悬臂梁的两个表面构成推挽式结构，能够提升加速度计的灵敏度，而且通过向探头内部填充阻尼液增加阻尼，可以消除谐振对加速度计的影响；三个加速度计采用120°交叉堆叠放置的方式组成矢量光纤传感探头，能够有效控制探头的径向尺寸，可以满足很多对设备尺寸有限制的测量场景，特别适用于深井地震观测。

Description

基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头及井下矢量加速度计
技术领域
本发明涉及的是一种光纤干涉测量装置，具体涉及一种光纤传感探头和一种矢量加速度计。
背景技术
地球是一个非常活跃的球体，大陆板块每时每刻都在移动，几乎每天都会发生地震，其中具有破坏性的地震每年超过100次，对世人造成了无数的灾难。20世纪以来，我国发生的具有破坏性的地震占全世界的30％以上，而且其中70％是浅源地震，破坏性大。我国80％以上的省份均遭到过地震灾害的影响，因地震丧生的人累计达66万人，受伤人数更高达百万，数亿人次受灾，地震对我国经济和民生造成了巨大的损失。因此，提高地震预报水平和能力迫在眉睫，为了达到这个目的，首先得发展出准确可靠的地震探测手段，获得大量与地震相关的数据，以提升对地震的了解，进而提高预报地震的能力。与地面观测相比，深井地震观测可以较好的去除地面人类活动对观测的影响，将混杂在高噪音背景中的大量微小地震和来自地下微弱的地球物理信息清晰的进行辨认、识别，井下地震观测已经成为地震观测的最佳手段，所以发展出能够满足深井地震观测使用的地震计是非常重要的，而加速度计是一种比较常用的地震测量装置。
目前，传统的加速度计主要分为以下几种类型，包括压阻型、电容型、压电型等。传统加速度计多是利用其内部晶体受压变形特性，通过质量块对加速度的敏感性，将作用到质量块上的力传递给晶体使其变形，从而将加速度转换成可探测的物理量，如电压、电容等，根据加速度和输出物理量之间的关系即可测得加速度大小。传统加速度计研究起步较早，技术已经相当成熟，然而传统的基于电子系统的传感系统仍然有非常明显的缺点，比如易受电磁干扰、不耐高温、不抗腐蚀等，还没有比较成熟的可用于深井环境地震观测的地震计。
近年来，由于光纤传感技术的迅猛发展，特别是光学信号解调技术的发展，使得众多研究者投入大量的精力在光纤传感技术研究上，越来越多的基于光纤的传感器相继问世，而且得益于光学信号解调技术的进步，光纤系统所能携带的信息量越来越丰富。光纤传感器因抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀等特点，应用领域越来越广泛，而且光纤传感器具有灵敏度高、动态范围大、长期可靠、稳定性好等优点，有逐渐替代传统电学传感器的趋势。由于光纤本身尺寸非常小，直接将光纤作为传感器很难发挥出光纤的全部性能，所以需要将光纤和其他结构复合在一起，以进一步挖掘光纤传感器的潜力，其中将光纤和机械结构复合是一种较为常用的复合方式。通过使用特殊的机械装置与光纤相互复合，组成换能器结构，可以将光纤本身不敏感的物理量转换成敏感物理量，比如位移、速度、加速度等。光纤加速度计是一种基于光纤传感技术的新型加速度计，可应用于航空航天、地震探测、石油勘探等领域。通过与不同的机械结构相互复合，光纤加速度计可以设计成各种各样的结构形式，常见类型有弹簧振子型、弹性梁型、弹性膜片型等。这些加速度计的共同特征是都是由三个主要部分组成，分别是固定单元、弹性单元、惯性单元，其中固定单元一般指结构框架，其主要作用是支撑和固定加速度计的整体结构，如用于固定弹性单元；弹性单元一般指弹簧、弹性梁、膜片等，是加速度计中的主要形变单元；惯性单元一般是指质量块，是加速度计中的加速度敏感单元。一般情况下光纤和弹性单元或惯性单元组合成换能器，当有加速度时，作用到惯性单元后会引起质量块等发生位移，然后带动弹性单元发生变形，最终使光纤的工作状态发生变化，从而将加速度信号转换成光纤内部的光信号，如光相位改变等，通过解光信号中的相位信息即可获得加速度信号。
余有龙等人报道了一种光纤光栅加速度计(余有龙,段营营,孙诗惠,刘春晓,耿淑伟,姜生元,邓宗全,余笛林.基于光纤光栅的悬臂梁动力学参数测量[J].黑龙江大学自然科学学报,2015,32(01):115-118.)，将一个光纤光栅粘贴在矩形等截面悬臂梁的表面，当悬臂梁发生振动时，表面会发生形变，光纤光栅通过检测悬臂梁表面的应变来实现对振动信号的测量。专利申请号为201010176191.9的专利文件中公开了一种温度自补偿型悬臂梁式光纤光栅加速度计，将同一根光纤中的两个光栅分别粘贴到矩形等截面悬臂梁的上下表面，悬臂梁振动时根据双光纤光栅的中心波长差值的变化能够反映出振动信息。上述技术中均采用光纤光栅作为传感元件，受限于光纤光栅的工作特性，相比与干涉式的测量原理，其应变的分辨率要小很多，导致基于光纤光栅的悬臂梁式加速度计灵敏度较低。而利用干涉原理，可以通过多层缠绕的方式对应变引起的影响进行积累，往往能够获得比光纤光栅高的多的应变分辨能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灵敏度和分辨率高，结构紧凑的基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头。本发明的目的还在于提供一种包括本发明的基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头的井下矢量加速度计。
本发明的基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头包括第一加速度计300、第二加速度计310、第三加速度计320、密封盖33、外圆筒34、防水密封光缆接头32和内部填充阻尼液35，第一加速度计300、第二加速度计310和第三加速度计320均是单轴加速度计且结构形式相同，三个加速度计主框架首尾固定相连，各加速度计的敏感轴方向与矢量光纤传感探头轴线方向呈夹角θ，三个加速度计分别朝向三个不同方向、120°交叉堆叠放置，每两个加速度计朝向之间夹角为120°，三个加速度计成一体装入外圆筒34内部并与外圆筒固定，外圆筒34通过密封盖33固定密封，防水密封光缆接头32安装到光纤传感探头主框架307的密封接头安装孔位3072，外圆筒34内部填充阻尼液35。
本发明的基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头还可以包括：
1.第一加速度计300包括第一跑道型光纤环304、第二跑道型光纤环305、等强度悬臂梁306、一分三耦合器301、第一耦合器302、第二耦合器303、光纤传感探头主框架307、悬臂梁固定压片308、质量块309，第一跑道型光纤环304和第二跑道型光纤环305粘贴于等强度悬臂梁306的上下两表面的中间区域3062位置，一分三耦合器301、第一耦合器302和第二耦合器303固定于光纤传感探头主框架307的背面中间区域3075位置，其中一分三耦合器301是三个加速度计共用的耦合器，通过悬臂梁固定压片308将等强度悬臂梁306的一端3061固定到光纤传感探头主框架307的悬臂梁安装位3073，质量块309固定到等强度悬臂梁306的另一端3063。
2.所述的第一加速度计300包括主框架307、悬臂梁固定压片308、等强度悬臂梁306、质量块309，
1)主框架307包括密封圈安装槽3071，密封接头安装孔位3072，悬臂梁安装位3073，正面中间区域3074，背面中间区域3075，末端支撑柱3076，端盖法兰3077，框架连接孔3078，光纤穿纤孔3079；光纤传感探头主框架307两端呈圆柱形，中间呈长方形3074、3075，密封圈安装槽3071部分的外径和末端支撑柱3076的直径一致，小于外圆筒34的内径；中间长方形3074、3075的宽度小于末端支撑柱3076的直径；端盖法兰3077的直径大于密封圈安装槽3071部分的外径，与外圆筒34的外径一致；悬臂梁安装位3073底部的倾角为θ，其长度和等强度悬臂梁较厚一端3061厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端3061厚度不变区域宽度一致；第一加速度计300、第二加速度计310和第三加速度计320的主框架307、317、327通过框架连接孔3078、3178连接形成一个整体；
2)悬臂梁固定压片308整体呈长方形，其长度和等强度悬臂梁较厚一端3061厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端3061厚度不变区域宽度一致，两个固定孔3081对称分布，间距和安装固定孔3064一致；
3)等强度悬臂梁306整体呈长方形，两端厚度不一致，厚端3061有一段厚度不变的区域，两个安装固定孔3064对称分布，间距和固定孔3081一致，薄端3063有一段厚度不变区域；较厚一端3061与较薄一端3063之间的中间区域3062厚度逐渐变小；
4)质量块309整体呈长方形，长度和等强度悬臂梁较薄一端3063厚度不变区域长度一致；在一侧有一个安装固定槽3091，槽的长度和等强度悬臂梁较薄一端3063厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较薄一端3063厚度不变区域厚度一致，深度和等强度悬臂梁较薄一端3063厚度不变区域宽度一致；
5)密封盖33包括密封盖密封圈安装槽3301、密封盖法兰3302，整体呈圆形；密封盖密封圈安装槽3301部分的外径与光纤传感探头主框架307的密封圈安装槽3071部分的外径一致，密封盖法兰3302直径与外圆筒34的外径一致；
6)外圆筒34整体呈圆筒形，外径与光纤传感探头主框架307的端盖法兰3077外径一致，内径大于光纤传感探头主框架307的密封圈安装槽3071部分的外径；
第二加速度计310和第三加速度计320的组成及特征与第一加速度计300一致。
本发明的井下矢量加速度计包括信号处理系统1、信号采集系统2、矢量光纤传感探头3、光缆4以及数据信号线5，信号处理系统1通过数据信号线5连接至信号采集系统2的通信端口21，矢量光纤传感探头3的防水密封光缆接头32通过光缆4连接至信号采集系统2的光缆连接端口22，矢量光纤传感探头包括第一加速度计300、第二加速度计310、第三加速度计320、密封盖33、外圆筒34、防水密封光缆接头32和内部填充阻尼液35，第一加速度计300、第二加速度计310和第三加速度计320均是单轴加速度计且结构形式相同，三个加速度计主框架首尾固定相连，各加速度计的敏感轴方向与矢量光纤传感探头轴线方向呈夹角θ，三个加速度计分别朝向三个不同方向、120°交叉堆叠放置，每两个加速度计朝向之间夹角为120°，三个加速度计成一体装入外圆筒34内部并与外圆筒固定，外圆筒34通过密封盖33固定密封，防水密封光缆接头32安装到光纤传感探头主框架307的密封接头安装孔位3072，外圆筒34内部填充阻尼液35。
本发明的井下矢量加速度计还可以包括：
1.所述的信号采集系统2包括光源202、隔离器203、第一探测器204、第二探测器205、第三探测器207、第四探测器208、第五探测器209、第六探测器210和采集卡206，采集卡206通过信号线连接至光源202，光源202通过光纤连接至隔离器203的输入端口，隔离器203的输出端口通过光缆4连接至矢量光纤传感探头3内的三路传感光路，传感光路的输出光纤经过光缆4分别连接至第一探测器204、第二探测器205、第三探测器207、第四探测器208、第五探测器209、第六探测器210，第一探测器204至第六探测器210分别通过信号线连接至采集卡206，采集卡206通过数据信号线5连接至信号处理系统1。
2.所述的矢量光纤传感探头3的传感光路包括一分三耦合器301、三个第一耦合器302、312、322、三个第二耦合器303、313、323、三个第一跑道型光纤环304、314、324、三个第二跑道型光纤环305、315、325，信号采集系统2输出的光经过光缆4连接至一分三耦合器301的输入端口，一分三耦合器301的三个输出端口分别连接至三路传感光路，其中第一路，一分三耦合器301的一个输出端口连接至第一个第一耦合器302的输入端口，第一个第一耦合器302的两个输出端口分别与第一个第一跑道型光纤环304的输入端口3041、第一个第二跑道型光纤环305的输入端口3051连接，第一个第一跑道型光纤环304的输出端口3042、第一个第二跑道型光纤环305的输出端口3052分别与第一个第二耦合器303的两个输入端口连接，第一个第二耦合器303的两个输出端口分别通过光缆4连接至信号采集系统2的第一探测器204和第二探测器205；第二和第三路传感光路的连接方式和第一路一致，第二路中第二个第二耦合器313的两个输出端口分别通过光缆4连接至号采集系统2的第三探测器207和第四探测器208；第三路中第三个第二耦合器323的两个输出端口分别通过光缆4连接至号采集系统2的第五探测器209和第六探测器210。
3.三个第一跑道型光纤环304、314、324具有一个输入端口3041、3141、3241和一个输出端口3042、3142、3242，由光纤绕制而成，为多层结构，两端为半圆形，中间为直线形；三个第二跑道型光纤环305、315、325与第一跑道型光纤环304、314、324一致。
本发明提供了一种基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计，其设计思想是：利用双跑道型光纤环与等强度悬臂梁结合的形式构成推挽式结构，能够提升加速度计的灵敏度和分辨率，其中等宽变厚度等强度悬臂梁作为光纤加速度计的弹性单元，跑道型光纤环由光纤缠绕固化而成，并粘贴在等强度悬臂梁的表面；悬臂梁较厚的一端固定，另一端连接质量块，当加速度作用到质量块上时，质量块带动悬臂梁和光纤环产生变形，使得光纤的工作状态发生变化，如长度等发生变化，从而导致光纤中光相位发生变化，通过计算相位变化即可得到加速度信号。相比普通悬臂梁，使用等宽变厚度等强度悬臂梁可以保证在集中力载荷的作用下，悬臂梁表面各处的应变基本一致，使光纤环整体形变量更大，提升光纤环的利用率，能够获得更高的加速度灵敏度；同时，通过向传感探头内部填充阻尼液的方式增加阻尼，还可以消除谐振对传感探头性能的影响。而且三个加速度计采用120°交叉堆叠放置的方式组成一个长圆柱形的矢量传感探头，相比于三维正交布放的形式，这种布放方式可以很大程度上减小矢量光纤传感探头的径向尺寸，可以满足很多对尺寸有较大限制的测量场景，特别适用于深井环境的地震观测。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)相比于普通悬臂梁，等宽度变厚度等强度悬臂梁在集中力载荷作用下表面应变在各处基本保持一致，能够提升光纤环的利用率，即光纤环整体形变量更大，从而能够提高光纤传感探头的灵敏度；
2)相比于圆环形光纤环和三维正交布放方式，采用跑道型光纤敏感环，同时配合120°交叉堆叠放置的矢量传感形式，可以将光纤传感探头的径向尺寸控制在较小的水平，可以适应更多对尺寸有限制的测量场景，特别是深井地震观测；
3)相比于传统机电式，光纤传感探头内部采用全光纤结构，不含电子设备，具有耐高温、抗电磁干扰的优点，能够承受如深井地震观测等更恶劣的工作环境。
附图说明
图1是一种基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计的系统结构图；
图2是一种基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计的原理图；
图3是光纤传感探头的结构示意图；
图4是光纤传感探头第一加速度计300的正面示意图；
图5是光纤传感探头第一加速度计300的背面示意图；
图6是光纤传感探头主框架307的结构示意图；
图7a至图7b是第一、二跑道型光纤敏感环的示意图；
图8是等宽度变厚度等强度悬臂梁示意图；
图9a至图9b是等宽度变厚度等强度悬臂梁尺寸示意图，其中9a为俯视，图9b为主视。
图10是等宽度变厚度等强度悬臂梁盘片厚度与距离关系图。
图11是120°交叉堆叠放置的矢量传感形式的示意图。
图12是基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计在深井地震观测中的应用示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计，包括信号处理系统1、信号采集系统2、矢量光纤传感探头3、光缆4以及数据信号线5，
1)信号处理系统1通过数据信号线5连接至信号采集系统2的通信端口21；矢量光纤传感探头3的防水密封光缆接头32通过光缆4连接至信号采集系统2的光缆连接端口22；
2)其中，矢量光纤传感探头3包括第一加速度计300、第二加速度计310和第三加速度计320，密封盖33、外圆筒34、防水密封光缆接头32，内部填充阻尼液35，
第一加速度计300、第二加速度计310和第三加速度计320均是单轴加速度计，具有相同的结构形式；三个加速度计主框架首尾相连，通过螺丝连接固定；加速度计的敏感轴方向与矢量光纤传感探头3轴线方向夹角为θ，三个加速度计分别朝向三个不同方向，120°交叉堆叠放置，每两个加速度计朝向之间夹角为120°，共同组成矢量传感探头；矢量传感探头从外圆筒34的一侧装入外圆筒34内部，并用螺丝固定；密封盖33装到外圆筒34的另一侧，用螺丝固定；防水密封光缆接头32安装到光纤传感探头主框架307的密封接头安装孔位3072；内部填充阻尼液35充满整个矢量光纤传感探头3；
其中第一加速度计300包括第一跑道型光纤环304、第二跑道型光纤环305、等强度悬臂梁306、一分三耦合器301、第一耦合器302、第二耦合器303、光纤传感探头主框架307、悬臂梁固定压片308、质量块309，第一跑道型光纤环304和第二跑道型光纤环305分别用胶水粘贴于等强度悬臂梁306的上下两表面的中间区域3062位置；一分三耦合器301、第一耦合器302和第二耦合器303固定于光纤传感探头主框架307的背面中间区域3075位置，其中一分三耦合器301是三个加速度计共用的耦合器；用悬臂梁固定压片308将等强度悬臂梁306的较厚一端3061固定到光纤传感探头主框架307的悬臂梁安装位3073，通过螺丝固定；用胶水将质量块309固定到等强度悬臂梁306的较薄一端3063；
其中第二加速度计310包括第一跑道型光纤环314、第二跑道型光纤环315、等强度悬臂梁316、第一耦合器312、第二耦合器313、光纤传感探头主框架317、悬臂梁固定压片318、质量块319，其特征与第一加速度计300类似；
其中第三加速度计320包括第一跑道型光纤环324、第二跑道型光纤环325、等强度悬臂梁326、第一耦合器322、第二耦合器323、光纤传感探头主框架327、悬臂梁固定压片328、质量块329，其特征与第一加速度计300类似。
所述的信号采集系统2，包括光源202、隔离器203、第一探测器204、第二探测器205、第三探测器207、第四探测器208、第五探测器209、第六探测器210、采集卡206，
采集卡206通过信号线连接至光源202，给光源202施加调制信号，光源202通过光纤连接至隔离器203的输入端口，隔离器203的输出端口通过光缆4连接至矢量光纤传感探头3内的三路传感光路；传感光路的输出光纤经过光缆4分别连接至第一探测器204、第二探测器205、第三探测器207、第四探测器208、第五探测器209、第六探测器210；第一探测器204至第六探测器210分别通过信号线连接至采集卡206，采集卡206通过数据信号线5连接至信号处理系统1。
所述的矢量光纤传感探头3，其传感光路部分包括一分三耦合器301、第一耦合器302、312、322、第二耦合器303、313、323、第一跑道型光纤环304、314、324、第二跑道型光纤环305、315、325，
信号采集系统2输出的光经过光缆4连接至一分三耦合器301的输入端口，一分三耦合器301的三个输出端口分别连接至三路传感光路；其中第一路，一分三耦合器301的一个输出端口连接至第一耦合器302的输入端口；第一耦合器302的两个输出端口分别与第一跑道型光纤环304的输入端口3041、第二跑道型光纤环305的输入端口3051连接；第一跑道型光纤环304的输出端口3042、第二跑道型光纤环305的输出端口3052分别与第二耦合器303的两个输入端口连接；第二耦合器303的两个输出端口分别通过光缆4连接至信号采集系统2的第一探测器204和第二探测器205；第二和第三路传感光路的连接方式和第一路一致，第二路中第二耦合器313的两个输出端口分别通过光缆4连接至号采集系统2的第三探测器207和第四探测器208；第三路中第二耦合器323的两个输出端口分别通过光缆4连接至号采集系统2的第五探测器209和第六探测器210。
所述的矢量光纤传感探头3，其中第一加速度计300包括光纤传感探头主框架307、悬臂梁固定压片308、等强度悬臂梁306、质量块309，第二加速度计310和第三加速度计320的组成及特征与第一加速度计300一致，
1)光纤传感探头主框架307包括密封圈安装槽3071，密封接头安装孔位3072，悬臂梁安装位3073，正面中间区域3074，背面中间区域3075，末端支撑柱3076，端盖法兰3077，框架连接孔3078，光纤穿纤孔3079；光纤传感探头主框架307两端呈圆柱形，中间呈长方形3074、3075，密封圈安装槽3071部分的外径和末端支撑柱3076的直径一致，略小于外圆筒34的内径；中间长方形3074、3075的宽度小于末端支撑柱3076的直径；端盖法兰3077的直径大于密封圈安装槽3071部分的外径，与外圆筒34的外径一致；悬臂梁安装位3073底部的倾角为θ，其长度和等强度悬臂梁较厚一端3061厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端3061厚度不变区域宽度一致；第一加速度计300、第二加速度计310和第三加速度计320的主框架307、317、327通过框架连接孔3078、3178连接形成一个整体；
2)悬臂梁固定压片308整体呈长方形，其长度和等强度悬臂梁较厚一端3061厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端3061厚度不变区域宽度一致，两个固定孔3081对称分布，间距和安装固定孔3064一致；
3)等强度悬臂梁306整体呈长方形，两端厚度不一致，较厚一端3061有一段厚度不变的区域，两个安装固定孔3064对称分布，间距和固定孔3081一致，较薄一端3063有一段厚度不变区域；较厚一端3061与较薄一端3063之间的中间区域3062厚度逐渐变小；
4)质量块309整体呈长方形，长度和等强度悬臂梁较薄一端3063厚度不变区域长度一致；在一侧有一个安装固定槽3091，槽的长度和等强度悬臂梁较薄一端3063厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较薄一端3063厚度不变区域厚度一致，深度和等强度悬臂梁较薄一端3063厚度不变区域宽度一致；
5)密封盖33包括密封盖密封圈安装槽3301、密封盖法兰3302，整体呈圆形；密封盖密封圈安装槽3301部分的外径与光纤传感探头主框架307的密封圈安装槽3071部分的外径一致，密封盖法兰3302直径与外圆筒34的外径一致；
6)外圆筒34整体呈圆筒形，外径与光纤传感探头主框架307的端盖法兰3077外径一致，内径略大于光纤传感探头主框架307的密封圈安装槽3071部分的外径；
7)在光纤传感探头3组装完成之后，向内部灌装阻尼液，使内部填充阻尼液35充满整个探头，并排尽探头内部的气泡。
所述的一分三耦合器301、第一耦合器302、312、322、第二耦合器303、313、323、第一跑道型光纤环304、314、324、第二跑道型光纤环305、315、325，
1)一分三耦合器301是1×3耦合器，具有一个输入端口和三个输出端口；第一耦合器302、312、322是1×2耦合器，具有一个输入端口和两个输出端口；第二耦合器303、313、323是2×2耦合器，具有两个输入端口和两个输出端口；
2)第一跑道型光纤环304、314、324具有一个输入端口3041、3141、3241和一个输出端口3042、3142、3242，由光纤绕制而成，为多层结构，使用胶水固化，整体呈跑道型，即两端为半圆形，中间为直线形；第二跑道型光纤环305、315、325具有一个输入端口3051、3151、3251和一个输出端口3052、3152、3252，其绕制方法、光纤种类、胶水种类及外形尺寸和第一跑道型光纤环304、314、324一致。
本发明是一种推挽式的基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计，光源202发出的光依次经过隔离器203、光缆4和一分三耦合器301，然后分别进入三路具有相同光路结构的传感光路：其中第一路经过第一耦合器302的两臂进入第一、二跑道型光纤环304、305，然后经过第二耦合器303的两臂汇合于第二耦合器303，由第一、二耦合器302、303和第一、二跑道型光纤环304、305共同组成了非平衡马赫泽德干涉仪结构；最后三路传感光路的干涉信号经过光缆4进入到第一至第六探测器204、205、207、208、209、210，并转换成电信号，然后由采集卡206接收，最终由信号处理系统1对干涉信号进行处理；信号处理方法采用PGC调制技术，使用内调制的方式，通过采集卡206给光源202施加调制信号，然后由信号处理系统1对干涉信号进行解调，最终得到加速度信号。为了提升矢量光纤传感探头3的灵敏度，第一加速度计300采用了双光纤环第一、二跑道型光纤环304、305和等强度悬臂梁306结合组成推挽式结构的方式；双光纤环结构是将第一、二跑道型光纤环304、305分别用胶水粘贴于等强度悬臂梁306的上下两表面的中间区域3062位置，当悬臂梁弯曲变形时，凸的一面的光纤环被拉伸，光纤长度变长，凹的一面的光纤环被压缩，光纤长度变短，由此形成推挽式结构，相当于非平衡马赫泽德干涉仪的两个干涉臂一个伸长一个缩短，提升了干涉仪的灵敏度；同时悬臂梁采用了等强度悬臂梁306的形式，相比于普通悬臂梁，等强度悬臂梁306在集中力载荷作用下表面应变在各处基本保持一致，整体形变量更大，使用等强度悬臂梁306可以提升光纤环的利用率，增加光纤环的形变量，即光纤长度变化更明显，从而进一步提升光纤传感探头3的灵敏度；第二加速度计320和第三加速度计320采用的结构和第一加速度计300一致；同时，通过向传感探头内部填充阻尼液的方式可以增加阻尼，消除谐振对传感探头性能的影响。
前面提到的等宽变厚度等强度悬臂梁306的尺寸计算过程如下：
根据材料力学特性，等强度悬臂梁可以采用两种形式，分别是等厚度变宽度的等强度悬臂梁和等宽度变厚度的等强度悬臂梁，因为需要在悬臂梁的两侧面粘贴光纤环，而等厚度变宽度的等强度悬臂梁的盘片表面不规则且面积较小，不利于粘贴光纤环，所以决定采用等宽度变厚度的等强度悬臂梁形式。
如图9所示，假设悬臂梁宽度为a，长度为l，悬臂梁固定端厚度为h，距离固定端x位置处的厚度为h(x)，悬臂梁自由端连接质量为m的质量块，悬臂梁水平放置，重力方向垂直于悬臂梁盘片表面，建立坐标系如图所示。根据材料力学及悬臂梁截面特性，截面厚度h(x)与距离x关系计算过程如下：(忽略悬臂梁重量，只考虑质量块重量)
悬臂梁自由端受力：P＝mg
悬臂梁弯矩方程：M(x)＝P(l-x)
截面对Z轴的惯性矩：
Figure BDA0002420308570000091
固定端截面的惯性矩：
Figure BDA0002420308570000101
等强度悬臂梁表面最大应力处处相等：
Figure BDA0002420308570000102
截面厚度与距离关系：
Figure BDA0002420308570000103
根据上式可知，厚度与距离的关系不是线性的，所以在实际使用过程中需要对厚度进行近似。
假设盘片长度84mm，固定端厚度为2mm，可得厚度h(x)与距离x的关系如图10中虚线所示，考虑实际使用情况去除点(84，0)，对剩余曲线进行线性拟合，得到关系如下：
h(x)＝-0.015x+2.1323
拟合曲线如图10中实线所示，其趋势线拟合程度R2为0.9289。
由于采用了线性拟合的方式，拟合结果和实际需求会有一定差异，所以在设计等宽度变厚度的等强度悬臂梁时，需要对悬臂梁的参数进行优化，以达到理想的最优效果，即盘片表面各处应变基本一致。
矢量光纤传感探头3采用的120°交叉堆叠放置的矢量传感形式，可以通过以下方式换算成三维正交的形式：
如图11所示，PA、PB、PC方向分别是第一、二、三加速度计300、310、320的悬臂梁平面所在方向，OAax、OBax、OCax方向分别是三个悬臂梁的法线方向，即加速度计的敏感轴方向；其中Z轴方向为矢量光纤传感探头3的轴线方向，指向上(垂直向)，X轴方向与第一加速度计300的朝向重合，且指向N方向(南北向)，Y轴方向指向E方向(东西向)；PA、PB、PC与Z轴的夹角为θ，在XOY平面内的投影为OA、OB、OC，且三者相互夹角为120°，根据几何关系，令地面振动信号在直角坐标空间以及传感探头敏感方向张成的矢量空间中分别表示为矢量m，n，且有：
Figure BDA0002420308570000104
则根据坐标变换关系，可以得到向量的变换矩阵T：
Figure BDA0002420308570000111
满足关系：
T×m＝n，T-1×n＝m
式中，kA、kB、kC是加速度计三个灵敏轴的灵敏度系数。通过转换矩阵T可以将矢量光纤传感探头探测到的加速度信号转换成正交坐标系上的信号。
为清楚地说明本发明基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施案例——基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计在深井地震观测中的应用
基于光纤干涉仪的悬臂梁式井下矢量加速度计如图2、3所示，加速度计应用到深井时的观测系统如图1所示，观测系统包括信号处理系统1、信号采集系统2、光纤传感探头3、光缆4、数据信号线5、光缆绞盘机6、滑轮支架7、井壁固定装置8和深井钻孔9及外围设备。各部分器件参数及结构尺寸如下：
1)光源202为激光光源，中心波长为1550nm，半谱宽度小于20nm，功率10mW，调制频率不小于20K；
2)隔离器203工作波长1550nm，插入损耗<0.8dB，隔离度>35dB；
3)一分三耦合器301是1×3耦合器，工作波长为1550nm，分光比为33：33：33；第一耦合器302、312、322是1×2耦合器，工作波长为1550nm，分光比为50：50；第二耦合器303、313、323是2×2耦合器，工作波长为1550nm，分光比为50：50；
4)第一跑道型光纤环304、314、324、第二跑道型光纤环305、315、325的内圆直径为10mm，外圆直径为30mm，厚度小于3mm；
5)第一探测器204、第二探测器205、第三探测器207、第四探测器208、第五探测器209、第六探测器210的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，响应度大于0.85；
6)等强度悬臂梁306总长度为100mm，宽度为34mm，较厚一端3061区域厚度为2mm，宽6mm，较薄一端3063区域厚度为0.65mm，宽6mm，中间区域3062部分厚度逐渐变小，渐变区长度为84mm；
7)密封圈安装槽3071、密封盖密封圈安装槽3101的尺寸为宽度3mm，深度为2mm，适用直径3mm的圆形密封圈；
8)外圆筒311外径为50mm，内径为40mm，长度为390mm；
9)光缆芯数不少于8芯，耐压防水深度大于1000m，内有抗拉加强筋；
10)光缆绞盘机6盘线长度大于1000m；
11)滑轮支架7的滑轮高度不小于3m；
12)井壁固定装置8收缩时外径尺寸小于深井钻孔9的内径，张开时外径尺寸大于深井钻孔9的内径。
测量装置的工作原理如下：
光源202发出的光依次经过隔离器203、光缆4和一分三耦合器301，然后分别进入三路具有相同光路结构的传感光路：其中第一路经过第一耦合器302的两臂进入第一、二跑道型光纤环304、305，然后经过第二耦合器303的两臂汇合于第二耦合器303，由第一、二耦合器302、303和第一、二跑道型光纤环304、305共同组成了非平衡马赫泽德干涉仪结构；当有加速度作用到质量块309时，带动等强度悬臂梁306发生变形，进而使得第一、二跑道型光纤环304、305发生形变，非平衡马赫泽德干涉仪的两个干涉臂的光纤一个伸长一个缩短，从而在第二耦合器303处产生干涉信号；最后三路传感光路的干涉信号经过光缆4进入到第一至第六探测器204、205、207、208、209、210，并转换成电信号，然后由采集卡206接收，最终由信号处理系统1对干涉信号进行处理；信号处理方法采用PGC调制技术，使用内调制的方式，通过采集卡206给光源202施加调制信号，然后由信号处理系统1对干涉信号进行解调，最终得到加速度信号。
测量装置应用于深井地震观测时的工作过程如下：
进行深井观测时，将信号处理系统1与信号采集系统2通过数据信号线5连接，将光纤传感探头3与信号采集系统2通过光缆4连接；光缆4盘绕在光缆绞盘机6上，然后通过滑轮支架7将光纤传感探头3放入深井钻孔9中；启动光缆绞盘机6，逐渐释放光缆，将光纤传感探头3下放到指定深度，然后启动井壁固定装置8将光纤传感探头3固定到深井钻孔9的内壁上，然后将光缆固定住，防止干扰光纤传感探头3；检测加速度计观测系统的工作状态，一切正常之后即可进行深井地震观测工作。

Claims (10)

1.一种基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头，其特征是：包括第一加速度计(300)、第二加速度计(310)、第三加速度计(320)、密封盖(33)、外圆筒(34)、防水密封光缆接头(32)和内部填充阻尼液(35)，第一加速度计(300)、第二加速度计(310)和第三加速度计(320)均是单轴加速度计且结构形式相同，三个加速度计主框架首尾固定相连，各加速度计的敏感轴方向与矢量光纤传感探头轴线方向呈夹角θ，三个加速度计分别朝向三个不同方向、120°交叉堆叠放置，每两个加速度计朝向之间夹角为120°，三个加速度计成一体装入外圆筒(34)内部并与外圆筒固定，外圆筒(34)通过密封盖(33)固定密封，防水密封光缆接头(32)安装到光纤传感探头主框架(307)的密封接头安装孔位(3072)，外圆筒(34)内部填充阻尼液(35)。
2.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头，其特征是：第一加速度计(300)包括第一跑道型光纤环(304)、第二跑道型光纤环(305)、等强度悬臂梁(306)、一分三耦合器(301)、第一耦合器(302)、第二耦合器(303)、光纤传感探头主框架(307)、悬臂梁固定压片(308)、质量块(309)，第一跑道型光纤环(304)和第二跑道型光纤环(305)粘贴于等强度悬臂梁(306)的上下两表面的中间区域(3062)位置，一分三耦合器(301)、第一耦合器(302)和第二耦合器(303)固定于光纤传感探头主框架(307)的背面中间区域(3075)位置，其中一分三耦合器(301)是三个加速度计共用的耦合器，通过悬臂梁固定压片(308)将等强度悬臂梁(306)的一端(3061)固定到光纤传感探头主框架(307)的悬臂梁安装位(3073)，质量块(309)固定到等强度悬臂梁(306)的另一端(3063)。
3.根据权利要求2所述的基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头，其特征是：所述的第一加速度计(300)包括主框架(307)、悬臂梁固定压片(308)、等强度悬臂梁(306)、质量块(309)，
1)主框架(307)包括密封圈安装槽(3071)，密封接头安装孔位(3072)，悬臂梁安装位(3073)，正面中间区域(3074)，背面中间区域(3075)，末端支撑柱(3076)，端盖法兰(3077)，框架连接孔(3078)，光纤穿纤孔(3079)；光纤传感探头主框架(307)两端呈圆柱形，中间呈长方形(3074、3075)，密封圈安装槽(3071)部分的外径和末端支撑柱(3076)的直径一致，小于外圆筒(34)的内径；中间长方形(3074、3075)的宽度小于末端支撑柱(3076)的直径；端盖法兰(3077)的直径大于密封圈安装槽(3071)部分的外径，与外圆筒(34)的外径一致；悬臂梁安装位(3073)底部的倾角为θ，其长度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域宽度一致；第一加速度计(300)、第二加速度计(310)和第三加速度计(320)的主框架(307、317、327)通过框架连接孔(3078、3178)连接形成一个整体；
2)悬臂梁固定压片(308)整体呈长方形，其长度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域宽度一致，两个固定孔(3081)对称分布，间距和安装固定孔(3064)一致；
3)等强度悬臂梁(306)整体呈长方形，两端厚度不一致，厚端(3061)有一段厚度不变的区域，两个安装固定孔(3064)对称分布，间距和固定孔(3081)一致，薄端(3063)有一段厚度不变区域；较厚一端(3061)与较薄一端(3063)之间的中间区域(3062)厚度逐渐变小；
4)质量块(309)整体呈长方形，长度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域长度一致；在一侧有一个安装固定槽(3091)，槽的长度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域厚度一致，深度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域宽度一致；
5)密封盖(33)包括密封盖密封圈安装槽(3301)、密封盖法兰(3302)，整体呈圆形；密封盖密封圈安装槽(3301)部分的外径与光纤传感探头主框架(307)的密封圈安装槽(3071)部分的外径一致，密封盖法兰(3302)直径与外圆筒(34)的外径一致；
6)外圆筒(34)整体呈圆筒形，外径与光纤传感探头主框架(307)的端盖法兰(3077)外径一致，内径大于光纤传感探头主框架(307)的密封圈安装槽(3071)部分的外径；
第二加速度计(310)和第三加速度计(320)的组成及特征与第一加速度计(300)一致。
4.一种井下矢量加速度计，包括信号处理系统(1)、信号采集系统(2)、矢量光纤传感探头(3)、光缆(4)以及数据信号线(5)，其特征是：信号处理系统(1)通过数据信号线(5)连接至信号采集系统(2)的通信端口(21)，矢量光纤传感探头(3)的防水密封光缆接头(32)通过光缆(4)连接至信号采集系统(2)的光缆连接端口(22)，矢量光纤传感探头包括第一加速度计(300)、第二加速度计(310)、第三加速度计(320)、密封盖(33)、外圆筒(34)、防水密封光缆接头(32)和内部填充阻尼液(35)，第一加速度计(300)、第二加速度计(310)和第三加速度计(320)均是单轴加速度计且结构形式相同，三个加速度计主框架首尾固定相连，各加速度计的敏感轴方向与矢量光纤传感探头轴线方向呈夹角θ，三个加速度计分别朝向三个不同方向、120°交叉堆叠放置，每两个加速度计朝向之间夹角为120°，三个加速度计成一体装入外圆筒(34)内部并与外圆筒固定，外圆筒(34)通过密封盖(33)固定密封，防水密封光缆接头(32)安装到光纤传感探头主框架(307)的密封接头安装孔位(3072)，外圆筒(34)内部填充阻尼液(35)。
5.根据权利要求4所述的井下矢量加速度计，其特征是：所述的信号采集系统(2)包括光源(202)、隔离器(203)、第一探测器(204)、第二探测器(205)、第三探测器(207)、第四探测器(208)、第五探测器(209)、第六探测器(210)和采集卡(206)，采集卡(206)通过信号线连接至光源(202)，光源(202)通过光纤连接至隔离器(203)的输入端口，隔离器(203)的输出端口通过光缆(4)连接至矢量光纤传感探头(3)内的三路传感光路，传感光路的输出光纤经过光缆(4)分别连接至第一探测器(204)、第二探测器(205)、第三探测器(207)、第四探测器(208)、第五探测器(209)、第六探测器(210)，第一探测器(204)至第六探测器(210)分别通过信号线连接至采集卡(206)，采集卡(206)通过数据信号线(5)连接至信号处理系统(1)。
6.根据权利要求4或5所述的井下矢量加速度计，其特征是：所述的矢量光纤传感探头(3)的传感光路包括一分三耦合器(301)、三个第一耦合器(302、312、322)、三个第二耦合器(303、313、323)、三个第一跑道型光纤环(304、314、324)、三个第二跑道型光纤环(305、315、325)，信号采集系统(2)输出的光经过光缆(4)连接至一分三耦合器(301)的输入端口，一分三耦合器(301)的三个输出端口分别连接至三路传感光路，其中第一路，一分三耦合器(301)的一个输出端口连接至第一个第一耦合器(302)的输入端口，第一个第一耦合器(302)的两个输出端口分别与第一个第一跑道型光纤环(304)的输入端口(3041)、第一个第二跑道型光纤环(305)的输入端口(3051)连接，第一个第一跑道型光纤环(304)的输出端口(3042)、第一个第二跑道型光纤环(305)的输出端口(3052)分别与第一个第二耦合器(303)的两个输入端口连接，第一个第二耦合器(303)的两个输出端口分别通过光缆(4)连接至信号采集系统(2)的第一探测器(204)和第二探测器(205)；第二和第三路传感光路的连接方式和第一路一致，第二路中第二个第二耦合器(313)的两个输出端口分别通过光缆(4)连接至号采集系统(2)的第三探测器(207)和第四探测器(208)；第三路中第三个第二耦合器(323)的两个输出端口分别通过光缆(4)连接至号采集系统(2)的第五探测器(209)和第六探测器(210)。
7.根据权利要求6所述的井下矢量加速度计，其特征是：三个第一跑道型光纤环(304、314、324)具有一个输入端口(3041、3141、3241)和一个输出端口(3042、3142、3242)，由光纤绕制而成，为多层结构，两端为半圆形，中间为直线形；三个第二跑道型光纤环(305、315、325)与第一跑道型光纤环(304、314、324)一致。
8.根据权利要求4或5所述的井下矢量加速度计，其特征是：所述的第一加速度计(300)包括主框架(307)、悬臂梁固定压片(308)、等强度悬臂梁(306)、质量块(309)，
1)主框架(307)包括密封圈安装槽(3071)，密封接头安装孔位(3072)，悬臂梁安装位(3073)，正面中间区域(3074)，背面中间区域(3075)，末端支撑柱(3076)，端盖法兰(3077)，框架连接孔(3078)，光纤穿纤孔(3079)；光纤传感探头主框架(307)两端呈圆柱形，中间呈长方形(3074、3075)，密封圈安装槽(3071)部分的外径和末端支撑柱(3076)的直径一致，小于外圆筒(34)的内径；中间长方形(3074、3075)的宽度小于末端支撑柱(3076)的直径；端盖法兰(3077)的直径大于密封圈安装槽(3071)部分的外径，与外圆筒(34)的外径一致；悬臂梁安装位(3073)底部的倾角为θ，其长度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域宽度一致；第一加速度计(300)、第二加速度计(310)和第三加速度计(320)的主框架(307、317、327)通过框架连接孔(3078、3178)连接形成一个整体；
2)悬臂梁固定压片(308)整体呈长方形，其长度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域宽度一致，两个固定孔(3081)对称分布，间距和安装固定孔(3064)一致；
3)等强度悬臂梁(306)整体呈长方形，两端厚度不一致，厚端(3061)有一段厚度不变的区域，两个安装固定孔(3064)对称分布，间距和固定孔(3081)一致，薄端(3063)有一段厚度不变区域；较厚一端(3061)与较薄一端(3063)之间的中间区域(3062)厚度逐渐变小；
4)质量块(309)整体呈长方形，长度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域长度一致；在一侧有一个安装固定槽(3091)，槽的长度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域厚度一致，深度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域宽度一致；
5)密封盖(33)包括密封盖密封圈安装槽(3301)、密封盖法兰(3302)，整体呈圆形；密封盖密封圈安装槽(3301)部分的外径与光纤传感探头主框架(307)的密封圈安装槽(3071)部分的外径一致，密封盖法兰(3302)直径与外圆筒(34)的外径一致；
6)外圆筒(34)整体呈圆筒形，外径与光纤传感探头主框架(307)的端盖法兰(3077)外径一致，内径大于光纤传感探头主框架(307)的密封圈安装槽(3071)部分的外径；第二加速度计(310)和第三加速度计(320)的组成及特征与第一加速度计(300)一致。
9.根据权利要求6所述的井下矢量加速度计，其特征是：所述的第一加速度计(300)包括主框架(307)、悬臂梁固定压片(308)、等强度悬臂梁(306)、质量块(309)，
1)主框架(307)包括密封圈安装槽(3071)，密封接头安装孔位(3072)，悬臂梁安装位(3073)，正面中间区域(3074)，背面中间区域(3075)，末端支撑柱(3076)，端盖法兰(3077)，框架连接孔(3078)，光纤穿纤孔(3079)；光纤传感探头主框架(307)两端呈圆柱形，中间呈长方形(3074、3075)，密封圈安装槽(3071)部分的外径和末端支撑柱(3076)的直径一致，小于外圆筒(34)的内径；中间长方形(3074、3075)的宽度小于末端支撑柱(3076)的直径；端盖法兰(3077)的直径大于密封圈安装槽(3071)部分的外径，与外圆筒(34)的外径一致；悬臂梁安装位(3073)底部的倾角为θ，其长度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域宽度一致；第一加速度计(300)、第二加速度计(310)和第三加速度计(320)的主框架(307、317、327)通过框架连接孔(3078、3178)连接形成一个整体；
2)悬臂梁固定压片(308)整体呈长方形，其长度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域宽度一致，两个固定孔(3081)对称分布，间距和安装固定孔(3064)一致；
3)等强度悬臂梁(306)整体呈长方形，两端厚度不一致，厚端(3061)有一段厚度不变的区域，两个安装固定孔(3064)对称分布，间距和固定孔(3081)一致，薄端(3063)有一段厚度不变区域；较厚一端(3061)与较薄一端(3063)之间的中间区域(3062)厚度逐渐变小；
4)质量块(309)整体呈长方形，长度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域长度一致；在一侧有一个安装固定槽(3091)，槽的长度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域厚度一致，深度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域宽度一致；
5)密封盖(33)包括密封盖密封圈安装槽(3301)、密封盖法兰(3302)，整体呈圆形；密封盖密封圈安装槽(3301)部分的外径与光纤传感探头主框架(307)的密封圈安装槽(3071)部分的外径一致，密封盖法兰(3302)直径与外圆筒(34)的外径一致；
6)外圆筒(34)整体呈圆筒形，外径与光纤传感探头主框架(307)的端盖法兰(3077)外径一致，内径大于光纤传感探头主框架(307)的密封圈安装槽(3071)部分的外径；第二加速度计(310)和第三加速度计(320)的组成及特征与第一加速度计(300)一致。
10.根据权利要求7所述的井下矢量加速度计，其特征是：所述的第一加速度计(300)包括主框架(307)、悬臂梁固定压片(308)、等强度悬臂梁(306)、质量块(309)，
1)主框架(307)包括密封圈安装槽(3071)，密封接头安装孔位(3072)，悬臂梁安装位(3073)，正面中间区域(3074)，背面中间区域(3075)，末端支撑柱(3076)，端盖法兰(3077)，框架连接孔(3078)，光纤穿纤孔(3079)；光纤传感探头主框架(307)两端呈圆柱形，中间呈长方形(3074、3075)，密封圈安装槽(3071)部分的外径和末端支撑柱(3076)的直径一致，小于外圆筒(34)的内径；中间长方形(3074、3075)的宽度小于末端支撑柱(3076)的直径；端盖法兰(3077)的直径大于密封圈安装槽(3071)部分的外径，与外圆筒(34)的外径一致；悬臂梁安装位(3073)底部的倾角为θ，其长度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域宽度一致；第一加速度计(300)、第二加速度计(310)和第三加速度计(320)的主框架(307、317、327)通过框架连接孔(3078、3178)连接形成一个整体；
2)悬臂梁固定压片(308)整体呈长方形，其长度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较厚一端(3061)厚度不变区域宽度一致，两个固定孔(3081)对称分布，间距和安装固定孔(3064)一致；
3)等强度悬臂梁(306)整体呈长方形，两端厚度不一致，厚端(3061)有一段厚度不变的区域，两个安装固定孔(3064)对称分布，间距和固定孔(3081)一致，薄端(3063)有一段厚度不变区域；较厚一端(3061)与较薄一端(3063)之间的中间区域(3062)厚度逐渐变小；
4)质量块(309)整体呈长方形，长度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域长度一致；在一侧有一个安装固定槽(3091)，槽的长度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域长度一致，宽度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域厚度一致，深度和等强度悬臂梁较薄一端(3063)厚度不变区域宽度一致；
5)密封盖(33)包括密封盖密封圈安装槽(3301)、密封盖法兰(3302)，整体呈圆形；密封盖密封圈安装槽(3301)部分的外径与光纤传感探头主框架(307)的密封圈安装槽(3071)部分的外径一致，密封盖法兰(3302)直径与外圆筒(34)的外径一致；
6)外圆筒(34)整体呈圆筒形，外径与光纤传感探头主框架(307)的端盖法兰(3077)外径一致，内径大于光纤传感探头主框架(307)的密封圈安装槽(3071)部分的外径；第二加速度计(310)和第三加速度计(320)的组成及特征与第一加速度计(300)一致。
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