CN111397723A - 组合结构的三分量光纤激光微振动传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤微振动传感器，特别公开了一种组合结构的三分量光纤激光微振动传感器及其应用。该传感器包括基座结构，其特征在于：所述基座结构上开设有相互正交的第一安装槽和第二安装槽，以及轴向孔；第一安装槽和第二安装槽内分别安装有一组横向振动敏感结构，轴向孔内安装有一组轴向敏感结构；横向振动敏感结构包括固定在第一安装槽/第二安装槽内、对向安装的两个铰链振子，第一安装槽/第二安装槽内安装有穿过两个铰链振子的第一光纤激光器/第二光纤激光器，轴向孔内安装有穿过轴向敏感结构的第三光纤激光器。本发明拓宽了频率范围，灵敏度高，体积小，在小直径的圆柱结构上实现三分量的集成，适用于小空间安装。

Description

组合结构的三分量光纤激光微振动传感器及其应用

（一）技术领域

本发明涉及一种光纤微振动传感器，特别涉及一种组合结构的三分量光纤激光微振动传感器及其应用。

（二）背景技术

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，在大型地质工程的破坏监测，垮塌、岩爆、突涌水、冲击地压等灾害的预测，以及评估油田压裂效果，优化压裂施工，提高收采率等领域具有广泛的应用。微震传感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，对微震传感器的性能提出了较高的要求。传统电子传感器存在灵敏度低、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。光纤传感器具有灵敏度高、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。

此外，对微震信号进行三维空间的定位，需要三分量的光纤微震传感器。

现有的光纤激光振动传感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，宽频振动传感器灵敏度低，且横向交叉灵敏度降低，指向性变差，不利于微震源的定位，构成三分量传感器体积大、不便于在隧道、油井等狭小空间安装，受限于光纤振动传感器增敏结构在温度变化时对光纤产生附加拉力，温度范围有限。因此，需要一种频率范围宽、灵敏度高、体积小、低温度效应、结构简单、高可靠性、高一致性、便于组网复用的三分量光纤微震传感器

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种频率范围宽、灵敏度高、体积小的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器及其应用。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，包括圆柱状的基座结构，其特征在于：所述基座结构上开设有相互正交的第一安装槽和第二安装槽，以及轴向孔；第一安装槽和第二安装槽内分别安装有一组横向振动敏感结构，轴向孔内安装有一组轴向敏感结构；横向振动敏感结构包括固定在第一安装槽/第二安装槽内、对向安装的两个铰链振子，第一安装槽/第二安装槽内安装有穿过两个铰链振子的第一光纤激光器/第二光纤激光器，轴向孔内安装有穿过轴向敏感结构的第三光纤激光器。

本发明的基座结构通过开设第一安装槽、第二安装槽和轴向孔，从而三分量光纤激光振动传感器的主体结构，第一安装槽和第二安装槽内的横向振动敏感结构可以在横向加速度下发生变形，轴向孔中的轴向敏感结构可以在轴向加速度下发生变形，第一光纤激光器、第二光纤激光器和第三光纤激光器则分别用于感受相应主体内的加速度。

本发明的更优技术方案为：

所述基座结构上加工有光缆孔和光纤舱，分别用于引出光纤和存放余量光纤；基座结构为因瓦合金材料等低膨胀系数合金材料。

所述铰链振子包括通过铰链连接的连接基座和振子，振子上设置有延长杆，延长杆上设置有穿过并连接第一光纤激光器/第二光纤激光器的微通孔，连接基座上设置有对应基座结构的安装孔；两个铰链振子的振子相对安装；铰链振子为一体化结构,通过金属线切割加工而成；在加速度作用下，铰链振子带动延长杆绕铰链发生相对位移，产生形变。

所述轴向敏感结构包括一端开有微孔的圆柱形刚性筒，刚性筒的筒口上安装有中间带通孔的圆柱形组合质量块，组合质量块中间弹性支撑有圆形膜片，第三光纤激光器分别穿过刚性筒、组合质量块，并在两端分别与刚性筒、组合质量块连接；在加速度作用下，组合质量块可以产生相对刚性筒的轴向位移。

所述轴向敏感结构还可以设计为其他结构形式，另一种较佳结构为由底座柱、弹性环、质量块、弹性环和顶盖筒依次连接组成，质量块和顶盖筒的中轴线上均带有通孔，弹性环为金属弹性垫片，第三光纤激光器穿过质量块和顶盖筒的通孔，分别在两端连接；当有轴向振动信号时，质量块在惯性力作用下，相对底座柱和顶盖筒产生振动，引起与之连接的第三光纤激光器的轴向应变，引起其激光波长发生变化，通过光纤激光解调仪检测波长变换，可以获得微震信号。

所述第一光纤激光器、第二光纤激光器和第三光纤激光器为光纤激光器、相移光栅、光纤布拉格光栅、长周期光栅、光纤珐珀腔中的一种；第一光纤激光器、第二光纤激光器和第三光纤激光器均具有0.1-0.5N的预紧力；上述光纤激光器通过焊接或环氧胶粘结与横向振动敏感结构/轴向敏感结构连接。。

所述第一光纤激光器、第二光纤激光器和第三光纤激光器依次串联，且三者具有不同的中心波长，串联后的激光器串经过波分复用器组网。

本发明的光纤激光微振动传感器还包括一端开口的圆柱状外壳，外壳在开口端与基座结构螺纹连接形成密闭腔体，密闭腔体内填充有硅油。

本发明还公开了上述光纤激光微振动传感器的应用，该应用分为两种方式：

（1）基座结构与被测物体耦合，第一光纤激光器、第二光纤激光器和第三光纤激光器串联成激光器串，泵浦光源经波分复用器连接激光器串，激光器串的返回光经过波分复用器连接光纤干涉仪进行干涉，然后连接密集波分复用器，将激光器串的三个波长分开，并分别连接光纤激光解调仪的光电探测器，进行探测和解调，进而获得微震信号。；

（2）基座结构与被测物体耦合，第一光纤激光器、第二光纤激光器和第三光纤激光器通过并联方式与光纤激光解调仪连接并解调波长变化，进而获得微震信号。

基座结构与被测物体的耦合为刚性耦合，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；三个光纤激光器通过串联或并联方式与相应的解调仪器连接并解调波长变化。

本发明采用质量块-铰链的横向分量结构和质量块-膜片的轴向分量结构有效结合，通过光纤激光器波分复用、支撑体与敏感元件温度补偿，实现了：

（1）拓宽频率范围，灵敏度高，配合干涉式解调可实现极高的分辨率；

（2）体积小，在小直径的圆柱结构上实现三分量的集成，适用于小空间安装；

（3）利用支撑体和振动增敏元件配合进行温度补偿，避免了额外温度补偿结构导致结构复杂、可靠性降低；

（4）结构简化，易于加工，一致性高，可靠性高。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明另一方向侧的结构示意图；

图3为本发明带外壳的剖视结构示意图；

图4为本发明铰链振子的结构示意图；

图5为实施例1中轴向敏感结构的结构示意图；

图6为实施例2中轴向敏感结构的结构示意图；

图7为本发明应用于解调光路的原理示意图。

图中，100泵浦光源，101波分复用器，102光纤干涉仪，103密集波分复用器，104光纤激光解调仪，010基座结构，0101光缆孔，0201光纤舱，011第一安装槽，012第二安装槽，013轴向孔，020铰链振子，021连接基座，022铰链，023振子，024延长杆，025安装孔，026微通孔，030轴向敏感结构，031刚性筒，032组合质量块，033膜片，034底座柱，035弹性环，036质量块，037顶盖筒，041第一光纤激光器，042第二光纤激光器，043第三光纤激光器，050外壳。

（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，图2，图3，本发明提供的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，包括：基座结构010，铰链振子020，轴向敏感结构030，第一光纤激光器041，第二光纤激光器042，第三光纤激光器043，外壳050。

基座结构010，为圆柱刚性结构，由低膨胀系数合金材料加工而成，较佳的，采用Invar合金；基座结构010加工有相互正交的第一槽安装槽011和第二安装槽012，以及轴向孔013，为三分量光纤激光微振动传感器的主体结构；参考图3，基座结构010还加工有光缆孔0101和光纤舱0102，分别用于引出光纤和存放余量光纤。

两组横向振动敏感结构，通过螺纹固定或焊接分别安装在第一槽安装槽011和第二安装槽012中的，每组横向振动敏感结构包含两个对向安装的铰链振子020，可以在横向加速度下发生变形；参考图4，铰链振子020包括连接基座021，铰链022，振子023，延长杆024，安装孔025，微通孔026，铰链振子020为一体化结构，通过金属线切割加工而成；基座021上的安装孔025通过螺栓可以将铰链振子020安装在基座结构010，形成刚性连接；在加速度作用下，振子023带动延长杆024绕铰链022发生相对位移，产生形变。

实施例1：

轴向敏感结构030，参考图5，安装在轴向孔013中，在轴向加速度下发生变形；轴向敏感结构030包括刚性筒031、组合质量块032、膜片033；刚性筒031为圆柱筒，一端有允许光纤穿过的微孔，由Invar合金加工而成，具有极低的膨胀系数，组合质量块032为金属圆柱，中间带有通孔，膜片033为中间带有孔的圆形金属弹性薄片，组合质量块032被膜片033弹性支撑，在加速度作用下，组合质量块032可以产生相对刚性筒031的轴向位移。

第一光纤激光器041，第二光纤激光器042，第三光纤激光器043，为分布反馈式光纤激光器，分别安装在两组横向振动敏感结构上和轴向敏感结构030上，用于感受加速度。其中，第一光纤激光器041穿过一组横向振动敏感结构铰链振子020的微通孔026，且在微通孔026与铰链振子020连接，连接方式为环氧胶粘接或焊接，连接时保持一定的预紧力，较佳的，预紧力为0.1-0.5N；第二光纤激光器042的安装方式与第一光纤激光器041类似，安装在另一组横向振动敏感结构上；第三光纤激光器043分别穿过轴向敏感结构030的刚性筒031，组合质量块032，在刚性筒031一端的微孔处与刚性筒031连接，连接方式为焊接或环氧胶粘接，在组合质量块032的通孔处与组合质量块032连接，连接方式为焊接或环氧胶粘接，连接时保持一定的预紧力，较佳的，预紧力为0.1-0.5N。

第一光纤激光器041，第二光纤激光器042，第三光纤激光器043串联，且具有不同的中心波长，通过波分复用进行组网。串联后，尾纤通过基座结构010上的光缆孔0101引出，并通过光缆与光纤激光解调仪器连接。参考图7，为本发明提供的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器串联解调光路，其中，泵浦光源100为980nm半导体光源，经980nm/1550nm波分复用器101，连接由第一光纤激光器041、第二光纤激光器042、第三光纤激光器043串联构成的激光器串，其返回光经过波分复用器101，连接光纤干涉仪102进行干涉，然后连接密集波分复用器103，将光纤激光器的三个波长分开，并分别连接光纤激光解调仪104的光电探测器，进行探测和解调。

本发明提供的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器可进一步包含外壳050，为一端开口的金属圆柱筒，在开口端与基座结构010通过螺纹连接，与基座结构010形成密闭腔体，较佳的，密闭腔体内填充硅油。

本发明提供的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器的工作原理如下：

基座结构010与被测物体耦合，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。当有横向振动信号时，以沿第一光纤激光器041所安装的横向振动敏感结构的敏感方向为例，振子023在惯性力作用下，相对连接基座021产生振动，振动的相对位移通过铰链022和延长杆024放大为第一光纤激光器041的轴向应变，引起其激光波长发生变化，通过光纤激光器的波长解调仪器检测波长变化，可以获得微震信号；当有轴向振动信号时，组合质量块032在惯性力作用下，相对刚性筒031产生振动，引起与之连接的第三光纤激光器043的轴向应变，引起其激光波长发生变化，通过光纤激光解调仪器检测波长变化，可以获得微震信号。

本发明提供的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器可以通过改变铰链022的厚度、振子023的质量，调整传感器的横向灵敏度和谐振频率；通过改变膜片033的厚度、组合质量块032的质量，调整检波器的轴向灵敏度和谐振频率。

对于横向振动信号，由于在铰链振子020中具有延长杆024放大，因此提高了横向灵敏度。

在横向振动敏感结构中，通过铰链022对振子023的振动方向进行了限制，从而保证对非振动敏感方向的不敏感；在轴向振动敏感结构中，通过膜片033对组合质量块032的振动方向进行了限制，从而保证对非振动敏感方向的不敏感。

本发明提供的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器由于基座结构010和刚性筒031采用低热膨胀系数的材料，在温度变化时，基座结构010、刚性筒031的热膨胀和光纤激光器的热膨胀近似匹配，从而降低结构热膨胀对光纤激光器的拉伸，使传感器具有较低的温度灵敏度。

实施例2：

参考图6，轴向敏感结构030包括底座柱034，弹性环035，质量块036，顶盖筒037；其中，座柱034为金属圆柱，较佳的，采用Invar合金加工而成，质量块036、顶盖筒037为中轴线上带有通孔的金属圆柱，较佳的，采用Invar合金加工而成，弹性环035为金属弹性垫片；底座柱034、弹性环035、质量块036、顶盖筒037通过环氧胶粘接或焊接依次连接，三光纤激光器043穿过质量块036、顶盖筒037的通孔，分别在两端连接，连接方式为环氧胶粘接或焊接。当有轴向振动信号时，质量块036在惯性力作用下，相对底座柱034和顶盖筒037产生振动，引起与之连接的第三光纤激光器043的轴向应变，引起其激光波长发生变化，通过光纤激光解调仪器检测波长变化，可以获得微震信号。

在其他实施例中，实施例1中的第一光纤激光器041，第二光纤激光器042，第三光纤激光器043通过并联方式与光纤激光解调仪器连接并解调波长变化；实施例1中的第一光纤激光器041，第二光纤激光器042，第三光纤激光器043也可以是光纤激光器、相移光栅、光纤布拉格光栅、长周期光栅、光纤法珀腔等，通过串联或并联方式与相应的解调仪器连接并解调波长变化。

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，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，包括圆柱状的基座结构（010），其特征在于：所述基座结构（010）上开设有相互正交的第一安装槽（011）和第二安装槽（012），以及轴向孔（013）；第一安装槽（011）和第二安装槽（012）内分别安装有一组横向振动敏感结构，轴向孔（013）内安装有一组轴向敏感结构（030）；横向振动敏感结构包括固定在第一安装槽（011）/第二安装槽（012）内、对向安装的两个铰链振子（020），第一安装槽（011）/第二安装槽（012）内安装有穿过两个铰链振子（020）的第一光纤激光器（041）/第二光纤激光器（042），轴向孔（013）内安装有穿过轴向敏感结构（030）的第三光纤激光器（043）。

2.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，其特征在于：所述基座结构（010）上加工有光缆孔（0101）和光纤舱（0102），基座结构（010）为因瓦合金材料。

3.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，其特征在于：所述铰链振子（020）包括通过铰链（022）连接的连接基座（021）和振子（023），振子（023）上设置有延长杆（024），延长杆（024）上设置有穿过并连接第一光纤激光器（041）/第二光纤激光器（042）的微通孔（026），连接基座（021）上设置有对应基座结构（010）的安装孔（025）；两个铰链振子（020）的振子（023）相对安装；铰链振子（020）为一体化结构。

4.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，其特征在于：所述轴向敏感结构（030）包括一端开有微孔的圆柱形刚性筒（031），刚性筒（031）的筒口上安装有中间带通孔的圆柱形组合质量块（032），组合质量块（032）中间弹性支撑有圆形膜片（033），第三光纤激光器（043）分别穿过刚性筒（031）、组合质量块（032），并在两端分别与刚性筒（031）、组合质量块（032）连接。

5.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，其特征在于：所述轴向敏感结构（030）由底座柱（034）、弹性环（035）、质量块（036）、弹性环（035）和顶盖筒（037）依次连接组成，质量块（036）和顶盖筒（037）的中轴线上均带有通孔，弹性环（035）为金属弹性垫片，第三光纤激光器（043）穿过质量块（036）和顶盖筒（037）的通孔，分别在两端连接。

6.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，其特征在于：所述第一光纤激光器（041）、第二光纤激光器（042）和第三光纤激光器（043）为光纤激光器、相移光栅、光纤布拉格光栅、长周期光栅、光纤珐珀腔中的一种；第一光纤激光器（041）、第二光纤激光器（042）和第三光纤激光器（043）均具有0.1-0.5N的预紧力。

7.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，其特征在于：所述第一光纤激光器（041）、第二光纤激光器（042）和第三光纤激光器（043）依次串联，且三者具有不同的中心波长，串联后的激光器串经过波分复用器（101）组网。

8.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器，其特征在于：还包括一端开口的圆柱状外壳（050），外壳（050）在开口端与基座结构（010）螺纹连接形成密闭腔体，密闭腔体内填充有硅油。

9.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器的应用，其特征在于：基座结构（010）与被测物体耦合，第一光纤激光器（041）、第二光纤激光器（042）和第三光纤激光器（043）串联成激光器串，泵浦光源（100）经波分复用器（101）连接激光器串，激光器串的返回光经过波分复用器（101）连接光纤干涉仪（102）进行干涉，然后连接密集波分复用器（103），将激光器串的三个波长分开，并分别连接光纤激光解调仪（104）的光电探测器，进行探测和解调，进而获得微震信号。

10.根据权利要求1所述的组合结构的三分量光纤激光微振动传感器的应用，其特征在于：基座结构（010）与被测物体耦合，第一光纤激光器（041）、第二光纤激光器（042）和第三光纤激光器（043）通过并联方式与光纤激光解调仪（104）连接并解调波长变化，进而获得微震信号。

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