CN112433244B - 一种共质心推挽式三分量光纤地震计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共质心推挽式三分量光纤地震计，包括光纤地震传感器、解调系统、计算机等；其中光纤地震传感器包括三个单轴矢量传感单元、机械框架、外壳、光纤器件盒、光电转换电路等；缠绕有超长敏感光纤的绕纤柱直接与惯性质量两端连接，构成推挽式结构；惯性质量与绕纤柱以及机械框架采用热补偿设计；三个单轴矢量传感单元相互垂直穿插堆叠，质心重合。本发明的优点在于推挽式光纤地震计的测量灵敏度高、横向串扰小，能实现自动温度补偿，抑制机械结构热膨胀引起的随机漂移，三个单轴矢量传感单元在结构上质量共心，可精确探测空间一点的三维振动信息，提升地震反演精度。

Description

一种共质心推挽式三分量光纤地震计

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，更具体地，涉及一种共质心推挽式三分量光纤地震计。

背景技术

地球的地质活动非常活跃，全球每年具有破坏性的地震超过了上百次，对世界人民的生命财产造成了严重的损失。地震观测是关乎人民生命财产安全的前沿领域，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。“高灵敏度、宽频带、超大动态范围”成为地震计的主要发展方向，而加速度计是一种比较常用的地震测量装置，在地震监测中有着独特的优势。

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，利用光纤传感器进行地震前兆观测是一种独具优势的地震监测新手段。光纤传感技术以光纤为媒质、光为载体，是一种全光测量方法，具有本质无源、体小质轻、高精度、抗电磁干扰、抗雷击、不怕漏水漏电、耐腐蚀、耐高温高压、不存在零漂问题，便于组网以及长距离传输等一系列独特的优势。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，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。由于传统加速度计易受电磁干扰、不耐高温、不抗腐蚀，还没有比较成熟的可用于深井环境地震观测的地震计，因此光纤加速度计在深井探测有着极大的优势。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。

丁桂兰等人公开了一种三分量全光纤加速度地震检波器，专利号CN03236643.4，其将单模光纤缠绕刀三个方向的六块顺变柱体上，构成三分量简谐振子，简谐振子与三个迈克尔逊光纤干涉系统和信号处理电路相连。当加速度作用到质量块上时，质量块两侧顺变柱体发生伸缩，导致缠绕其上的单模光纤产生纵向变化，致使传输光波发生相位变化，通过迈克尔逊干涉仪把这种相位变化转化为光强变化，测量光强求解出加速度。张自丽等人公开了一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器，专利号CN201310711632.4，通过粘接在弹性壳体上的基于光纤光栅的光纤干涉仪测量水中声压，内部为两个光栅和之间传感光纤组成的三个一维加速度计，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。杨军等人公开了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，专利号CN202010203945.9，其通过跑道型光纤敏感环粘贴于悬臂梁两面构成推挽式结构，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，能够有效控制探头径向尺寸。上述各种三维光纤加速度计各个单轴加速度计质心并未在空间重合，对于空间单点的三维加速度信息探测及反演还存在偏差，而目前还未有测量空间单点的盘片式矢量加速度计。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种共质心推挽式三分量光纤地震计。

本发明的技术方案如下：

一种共质心推挽式三分量光纤地震计，包括计算机1、解调系统2、光纤地震传感器3，其中：

1)计算机1的电脑通信接口11通过通信线缆27连接至解调系统2的通信接口26；光纤地震传感器3的光电复合缆接口b324通过光电复合缆28连接至解调系统的光电复合缆接口a25；

2)光纤地震传感器3，包括第一传感单元421、第二传感单元422、第三传感单元423、机械框架31、外壳32、光纤器件盒39、光电转换电路41，其中：

第一传感单元421为单轴矢量传感单元，包括垂直向惯性质量331、垂直向绕纤柱1A至垂直向绕纤柱2B341、342、343、344、垂直向敏感光纤A361、垂直向敏感光纤B362、垂直向弹性簧片1A至垂直向弹性簧片2B371、372、373、374。其中垂直向惯性质量331上下两端通过绕纤柱安装位3311分别与垂直向绕纤柱1B342和垂直向绕纤柱2B344相连；垂直向弹性簧片1A至垂直向弹性簧片2B371、372、373、374中心分别安装在垂直向惯性质量331两端的簧片固定螺丝孔3312上，两端则安装在机械框架31的内支撑柱314上；垂直向敏感光纤A361均匀缠绕于垂直向绕纤柱1A341与垂直向绕纤柱1B342之间；垂直向敏感光纤B362均匀缠绕于垂直向绕纤柱2A343与垂直向绕纤柱2B344之间；垂直向绕纤柱1A341和垂直向绕纤柱2A343分别安装在机械框架31的外支撑柱313上；

第一传感单元421的传感光路包括1×3耦合器391、2×2耦合器A392、环形器A395、调制器A398、垂直向敏感光纤A361、垂直向敏感光纤B362、法拉第旋镜1A402、法拉第旋镜1B403，其中：

解调系统2中光源21输出的光经过隔离器22和光电复合缆28连接至1×3耦合器391的输入端口，1×3耦合器391的一个输出端口连接至环形器A395的输入端口；环形器A395的第一个输出端口与2×2耦合器A392的一个输入端口相连；2×2耦合器A392的第一个输出端口与垂直向敏感光纤A361的输入端连接；垂直向敏感光纤A361的输出端与法拉第旋镜1A402相连；2×2耦合器A392的第二个输出端口与垂直向敏感光纤B362的输入端连接，并将其中一段光纤缠绕在调制器A398上；垂直向敏感光纤B362的输出端与法拉第旋镜1B403相连；垂直向敏感光纤A361缠绕于垂直向绕纤柱1A341与垂直向绕纤柱1B342之间，垂直向敏感光纤B362缠绕于垂直向绕纤柱2A343与垂直向绕纤柱2B344之间；2×2耦合器A392的第二个输入端口与光电转换电路41相连；环形器A395的第二个输出端与光电转换电路41相连，光电转换电路41通过调制信号线4131与调制器A398相连；光电转换电路41通过光电复合缆28连接至解调系统2；1×3耦合器391、2×2耦合器A392、环形器A395、调制器A398、垂直向敏感光纤A361、垂直向敏感光纤B362、法拉第旋镜1A402、法拉第旋镜1B403固定于光纤器件盒39内，其中1×3耦合器391是三个传感单元共用的耦合器；

第二传感单元422为单轴矢量传感单元，包括水平向惯性质量A332、水平向绕纤柱1A至水平向绕纤柱2B345、346、347、348、水平向敏感光纤A363、水平向敏感光纤B364、水平向弹性簧片1A至水平向弹性簧片2B375、376、377、378；其传感光路包括2×2耦合器B393、环形器B396、调制器B399、水平向敏感光纤A363、水平向敏感光纤B364、法拉第旋镜2A404、法拉第旋镜2B405，其特征与第一传感单元421相同；

第三传感单元423为单轴矢量传感单元，包括水平向惯性质量B333、水平向绕纤柱3A至水平向绕纤柱4B349、350、351、352、水平向敏感光纤C365、水平向敏感光纤D366、水平向弹性簧片3A至水平向弹性簧片4B379、380、381、382；其传感光路包括2×2耦合器C394、环形器C397、调制器C400、水平向敏感光纤C365、水平向敏感光纤D366、法拉第旋镜3A406、法拉第旋镜3B407，其特征与第一传感单元421相同；

第一传感单元421、第二传感单元422、第三传感单元423相互正交穿插，质心重合；三个传感单元分别按照第一传感单元421、第二传感单元422、第三传感单元423的顺序安装入机械框架31，组成三维传感单元；机械框架31安装于中间隔板323上；中间隔板323上部用保护罩322将机械框架31保护隔离，下部连接固定底盘321用于放置光纤器件盒39和光电转换电路41；固定底盘321侧面开设光电复合端口安装位3213，用于安装光电复合端口；光纤器件盒39的光纤通过中间隔板穿线孔3233连接敏感光纤36；解调系统2的电源模块23通过光电复合缆28中的供电线4111连接到光电转换电路41的供电端口411；采集卡24通过光电复合缆28中的信号传输线4121连接到光电转换电路41的信号传输端口412；光电转换电路41的信号调制端口413通过信号调制线4131连接到调制器A至调制器C398、399、400；

3)机械框架31中处于对角线上的绕纤柱34两端间距为L₁，a₁为机械框架31的热膨胀系数，绕纤柱34间距为L₂，a₂为敏感光纤36热膨胀系数，惯性质量33长度为L₃，a₃为惯性质量33热膨胀系数，其满足温度补偿关系：2L₂a₂＝L₁a₁-L₃a₃。

优选地，解调系统2，包括光源21、隔离器22、电源模块23、采集卡24、光电复合缆接口a25、通信接口26、通信电线缆27、光电复合缆28，其中：

电源模块23通过供电线连接至光源21、采集卡24、通过光电复合缆28连接至光电转换电路41，光源21通过光纤连接至隔离器22的输入端口，隔离器22的输出端口通过光电复合缆28中的传输光纤4141连接至光纤地震传感器3的光信号端口414；三路传感光路的光信号经过光电转换电路41转换为电信号后，从信号传输端口412通过光电复合缆28中的信号传输线4121传递给采集卡24，再通过通信线缆27连接至计算机1进行数据处理。

优选地，光纤地震传感器3，包括机械框架31、外壳32、惯性质量33、绕纤柱34、敏感光纤36、光纤器件盒39、光电转换电路41，其中：

机械框架31包括机械框架固定底板311、机械框架固定顶板312、外支撑柱313、内支撑柱314；机械框架固定底板311包括外支撑柱固定螺丝孔3111、内支撑柱固定螺丝孔3112、绕纤柱安装位3113、底部固定螺丝孔3114、固定底板穿线孔3115；机械框架固定顶板312包括外支撑柱固定螺丝孔3121、内支撑柱固定螺丝孔3122、绕纤柱安装位3123；外支撑柱314包括外支撑柱A3131、外支撑柱B3132、外支撑柱C3133、外支撑柱D3134，其中外支撑柱A3131包括外支撑柱固定孔31311、绕纤柱安装位31312，其余外支撑柱特征与外支撑柱A3131一致；内支撑柱314包括内支撑柱1A3141、内支撑柱1B3142、内支撑柱2A3143、内支撑柱2B3143，其中内支撑柱1A3141包括内支撑柱固定孔31411、簧片固定螺丝孔31412，内支撑柱1B3142特征同内支撑柱1A3141，内支撑柱2A3143包括内支撑柱固定孔31431、簧片固定螺丝孔31432，内支撑柱2B3143特征与内支撑柱2A3143一致；机械框架31呈正方体，垂直向棱角作倒角处理，四个外支撑柱313固定在机械框架固定底板311和机械框架顶板312的四角，其绕纤柱安装位保持在同一水平面，朝向沿正方形对角线；机械框架31中绕纤柱安装位尺寸一致，均略大于绕纤轴3412长度；底部固定螺丝孔3114直径和位置与中间隔板323隔板螺丝孔保持一致；惯性质量33两端通过绕纤柱安装位与绕纤柱34相连，并通过敏感光纤36与对称固定在机械框架31的两绕纤柱34相连，从而形成一个整体；

外壳32包含固定底盘321、保护罩322、中间隔板323、光电复合缆接口b324；固定底盘包括保护罩固定孔3211、底盘密封槽3212、光电复合端口安装位3213；固定底盘呈圆柱体，内部挖空，截面呈U型，直径同中间隔板323一致；固定底盘321内部安装光纤器件盒38和光电转换电路39；底盘密封槽3212直径略小于中间隔板323直径，底盘侧面为光电复合端口安装位3213，与光电复合缆接口b324连接；保护罩322通过保护罩螺丝孔3221与中间隔板323和固定底盘321连接固定，保护罩密封槽3222直径略大于保护罩上部外壳内直径；

惯性质量33包括垂直向惯性质量331、水平向惯性质量A332、水平向惯性质量B333；垂直向惯性质量331、水平向惯性质量A332与水平向惯性质量B333质量相等；垂直向惯性质量331呈长方体，上下两端有绕纤柱安装位3311用于安装绕纤柱，绕纤柱安装位3311顶端开有簧片固定螺丝孔3312；垂直向惯性质量331侧面边长略小于内支撑柱314间距，内部通过内部镂空3313容纳水平向惯性质量A332与水平向惯性质量B333；水平向惯性质量A332呈长方体，两端为绕纤柱安装位3321，绕纤柱安装位3321顶端开有簧片固定螺丝孔3322，水平向惯性质量A332侧面为矩形内部镂空3323，用于容纳水平向惯性质量B333；水平向惯性质量B333分为质量组件A3331与质量组件B3332，通过连接螺丝孔33313、连接螺丝孔33323连接为一体，沿两组件连接方向两端为绕纤柱安装位33311、绕纤柱安装位33321，绕纤柱安装位33311、绕纤柱安装位33321顶端开有簧片固定螺丝孔33312；

绕纤柱34包括垂直向绕纤柱1A至垂直向绕纤柱2B341、342、343、344，水平向绕纤柱1A至水平向绕纤柱4B345、346、347、348、349、350、351、352；垂直向绕纤柱1A341包括固定螺栓3411、绕纤轴3412和固定螺母3413，固定螺栓直径与绕纤柱安装位一致，绕纤轴3412长度略小于绕纤柱安装位；其余绕纤柱尺寸特征同垂直向绕纤柱1A341；

敏感光纤36包括垂直向敏感光纤A361、垂直向敏感光纤B362、水平向敏感光纤A至水平向敏感光纤D363、364、365、366，其具有一个输入端和一个输出端；敏感光纤36长度相等，缠绕匝数相等，均匀缠绕于两绕纤柱34之间，为单层结构，其与绕纤柱34缠绕宽度小于绕纤轴3412长度；

弹性簧片37包括垂直向弹性簧片1A至垂直向弹性簧片2B371、372、373、374，水平向弹性簧片1A至水平向弹性簧片4B375、376、377、378、379、380、381、382；垂直向弹性簧片1A371呈条状，两端有簧片螺丝孔3711，其直径和间距与簧片固定螺丝孔一致；簧片固定孔3712位于弹性簧片37正中，其直径与簧片螺丝孔3711一致；其余弹性簧片特征与垂直向弹性簧片1A371一致；

光电转换电路41包括供电端口411、信号传输端口412、调制信号端口413、光信号端口414；

优选地，光纤器件盒39，包括1×3耦合器391、2×2耦合器A至2×2耦合器C392、393、394、环形器A至环形器C395、396、397、调制器A至调制器C398、399、400、法拉第旋镜1A至法拉第旋镜3B402、403、404、405、406、407，其中：

1×3耦合器391具有一个输入端口和三个输出端口，三个输出端口输出光强一致；2×2耦合器A至2×2耦合器C392、393、394具有两个输入端口和两个输出端口，输出端口输出光强相同；

环形器A至环形器C395、396、397具有一个输入端口、两个输出端口，光从输入端口进入，从第一个输出端口输出，从第一个输出端口返回的光仅能够从第二个输出端口输出；

调制器A至调制器C398、399、400为环型，内外可接正负电极用于产生微弱形变；

法拉第旋镜1A至法拉第旋镜3B402、403、404、405、406、407具有一个输入端口，同时也是其输出端口。

本发明是一种共质心推挽式三分量光纤地震计，光源21发出的光依次经过隔离器22、光电复合缆28和1×3耦合器391，然后分别进入三路具有相同光路结构的传感光路：其中一路连接至环形器A395的输入端口，环形器A395的第一个输出端口连接2×2耦合器A392的一个输入端口；2×2耦合器A392的一个输入端口输出光经垂直向敏感光纤A361和法拉第旋镜1A402后返回；2×2耦合器A392的另一个输入端口光经垂直向敏感光纤B362和法拉第旋镜1B403后返回，并由调制器A398产生调制信号；两路光经2×2耦合器A392汇合构成迈克尔逊干涉仪结构，由2×2耦合器A392的第二个输入端口和环形器A395的第二个输出端口输出；最后三路传感光路的干涉信号经过光电转换电路41转换为电信号，经过光电复合缆28后连接至解调系统2的采集卡24，最终传输至计算机1对信号进行处理；信号处理方法采用PGC调制解调技术，通过采集卡24和光电转换电路41对调制器施加调制信号，然后由计算机1对干涉信号进行处理，最终得到加速度信号。为了提升光纤地震传感器3的灵敏度，采用敏感光纤直接与惯性质量复合的形式：惯性质量两端均与缠绕有敏感光纤的绕纤柱相连，能够能够提升传递效率；当加速度作用在惯性质量上时，惯性质量带动缠绕有敏感光纤的绕纤柱运动，使得两端的敏感光纤一端伸长一端收缩，由此构成推挽式结构，相当于非平衡迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂一个伸长一个缩短，可以提升干涉光路的灵敏度，第二路传感光路和第三路传感光路采用的结构和第一路传感光路一致。

加速度测量原理：

迈克尔逊干涉仪用于测量轴向加速度变化，当惯性质量33在加速度作用下带动缠绕有敏感光纤的绕纤柱时，会使得光纤工作状态发生变化，引起干涉仪相位发生变化，干涉仪因外界因素引起的相位变化可简单表示为：

β＝2π·n/λ为光波在光纤中的传播常数，第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)，第二项表示折射率变化产生的相位延迟(弹光效应)，

弹光效应可表示为：

μ为光纤材料的泊松比，p₁₁，p₁₂分别为光纤材料的弹光系数，ε₃＝ΔL/L为光纤的纵向应变。将单模光纤参数带入可得：

Δφ＝0.79×2β×ΔL (3)

利用调制器对迈克尔逊干涉仪进行调制，可以得到干涉光输出信号形式为：

其中I₁，I₂分别为两束干涉光光强，A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，φ(t)为干涉相位的变化值。利用光电探测器与AD转换器对光信号进行电信号转换与采集，经过PGC调制解调即可解出干涉信号的相位，根据干涉信号相位变化即可得到加速度的解。

传递效率提升：

将加速度测量装置的推挽式结构简化，简化模型见图11，长方形板簧两端固支在框架上，板簧中间位置安装有质量块，质量块上固定有绕线轴，与之对应的框架上也有一个绕线轴，两个绕线轴之间缠绕敏感光纤，假设光纤与绕线轴接触的部分使用胶水完全固定，在质量块移动拉伸过程中不发生形变。

加速度信号作用于质量块使其运动，根据能量守恒，质量块的动能全部转化为敏感光纤和板簧的弹性势能，令x为质量块的位移，l为绕纤轴间距，N为光纤匝数，E_f为光纤杨氏模量，A_f为光纤截面积，k为光波数，p_e为光纤弹光系数，n为光纤折射率，L为弹性盘片长度，b为弹性簧片宽度，h为弹性簧片厚度，E为簧片杨氏模量，μ为簧片泊松比，计算过程如下：

单侧单根光纤的刚度系数：

单侧单根光纤的弹性势能：

N圈光纤的弹性势能：(2N是指双侧光纤)

两端固支的长方形板簧受中间集中力F作用时，挠度等于质量块的位移x，根据罗氏应力应变手册，其挠度计算公式如下：

其等效刚度为：

则长方形板簧在中间集中力F作用下的弹性势能为：

根据敏感光纤和板簧的弹性势能，可以得到本结构中敏感光纤的能量分配比值：

而在常见的芯轴式加速度计中，光纤中的弹性势能的占比为：

由以上计算结果可知，在顺变柱体结构中，有将近一小半的能量分配在了硅胶柱体上，而本发明装置中质量块的能量绝大部分传递给了敏感光纤，传递效率提升了1.4倍，实现了更高的应变传递效率。

热补偿设计：

热膨胀效应主要由安装绕线轴框架、质量块以及敏感光纤产生，热补偿主要是通过材料选择、尺寸结构设计使得安装绕线轴框架的热膨胀幅度等于质量块以及两侧敏感光纤的热膨胀幅度之和，即在热胀冷缩过程中，机械结构不对敏感光纤产生多余的热应力，保证敏感光纤处于自由热膨胀状态，热膨胀模型见图12。

根据热补偿，有如下关系：

2L₂a₂＝L₁a₁-L₃a₃ (13)

其中L₁为安装绕纤柱框架的长度，a₁为框架的热膨胀系数，L₂为绕纤柱间距，a₂为光纤热膨胀系数，L₃为惯性质量长度，a₃为惯性质量热膨胀系数。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1)与普通三维光纤加速度计相比，共质心推挽式矢量加速度计的三个传感单元质心重合，能够探测空间同一点的三维震动信息，可大幅度提升地震反演精度；

2)质量块的位移量直接作用于敏感光纤使其伸长或缩短，相比普通间接应变传递具有更高的传递效率，且高传递效率有利于实现高灵敏度；

3)通过结构热补偿设计可以实现被动热补偿，消除因机械结构热膨胀对光纤产生的应力，提升加速度计的温度稳定性；

4)质量块两端采用双弹性簧片结构，提升震动的指向性，可以抑制横向串扰。

附图说明

图1是一种共质心推挽式三分量光纤地震计系统结构图；

图2是一种共质心推挽式三分量光纤地震计系统原理图；

图3是光纤地震传感器结构图；

图4是光纤地震传感器机械框架；

图5是光纤地震传感器三维传感单元；

图6是光纤地震传感器惯性质量；

图7是光纤地震传感器单轴矢量传感单元；

图8是光纤地震传感器敏感光纤和绕纤柱；

图9是光纤地震传感器中间隔板；

图10是光电转换电路和光纤器件盒；

图11是加速度测量装置简化模型；

图12是加速度测量装置热膨胀模型。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

共质心推挽式三分量光纤加速度计在地震观测中的应用：

共质心推挽式三分量光纤加速度计如图2、3所示，加速度计应用于地震探测时的观测系统如图1所示，观测系统包括计算机1、解调系统2、光纤地震传感器3。各部分器件参数及尺寸结构如下：

1)光源21为激光光源，中心波长1550nm，半谱宽度小于20nm，功率10mW，调制频率不小于20KHz；

2)隔离器22工作波长1550nm，插入损耗＜0.8dB，隔离度＞35dB；

3)1×3耦合器391工作波长为1550nm，分光比为33:33:33；2×2耦合器A至2×2耦合器C392、393、394工作波长为1550nm，分光比为50:50；环形器A至环形器C395、396、397工作波长1550nm，隔离度＞30dB，插入损耗小于0.8dB；法拉第旋镜1A至法拉第旋镜3B402、403、404、405、406、407工作波长1550nm，插入损耗＜0.85dB，旋转角90°；调制器A至调制器C398、399、400内径18mm，外径20mm，高11mm；

4)垂直向敏感光纤A361、垂直向敏感光纤B362、水平向敏感光纤A至水平向敏感光纤D363、364、365、366长1500cm；垂直向绕纤柱1A至垂直向绕纤柱2B341、342、343、344、水平向绕纤柱1A至水平向绕纤柱4B345、346、347、348、349、350、351、352直径14mm，长度40mm，间距40mm；垂直向惯性质量331、水平向惯性质量A332、水平向惯性质量B333重200g；

5)垂直向弹性簧片1A至垂直向弹性簧片2B371、372、373、374、水平向弹性簧片1A至水平向弹性簧片4B375、376、377、378、379、、380、381、382长50mm，宽6mm，厚度为1.25mm；

6)底盘密封槽3212、保护罩密封槽3222的宽度为3mm，深度为2mm，适用于直径为3mm的圆型密封圈；

7)保护罩322外径为108mm，内径为100mm，高度为82.5mm；

8)光电复合缆中光纤芯数不少于2芯，电线芯数不少于16芯，内有抗拉加强筋。

测量装置的工作原理如下：

光源21发出的光依次经过隔离器22、光电复合缆28和1×3耦合器391，然后分别进入三路具有相同光路结构的传感光路：其中一路连接至环形器A395的输入端口，环形器A395的第一个输出端口连接2×2耦合器A392的一个输入端口；2×2耦合器A392的一个输入端口输出光经垂直向敏感光纤A361和法拉第旋镜1A402后返回；2×2耦合器A392的另一个输入端口光经垂直向敏感光纤B362和法拉第旋镜1B403后返回，并由调制器A398产生调制信号；两路光经2×2耦合器A392汇合构成迈克尔逊干涉仪结构，由2×2耦合器A392的第二个输入端口和环形器A395的第二个输出端口输出；最后三路传感光路的干涉信号经过光电转换电路41转换为电信号，经过光电复合缆28后连接至解调系统2的采集卡24，最终传输至计算机1对信号进行处理；信号处理方法采用PGC调制解调技术，通过采集卡24和光电转换电路41对调制器施加调制信号，然后由计算机1对干涉信号进行处理，最终得到加速度信号。

测量装置应用于地震观测时的工作过程如下：

进行地震观测时，将计算机1与解调系统2通过通信线缆27连接，将光纤地震传感器3与解调系统2通过光电复合缆28连接；将光纤地震传感器放置于指定探测位置，检测光纤地震传感器的工作状态，一切正常工作之后即可进行地震观测工作。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种共质心推挽式三分量光纤地震计，其特征在于，包括计算机(1)、解调系统(2)、光纤地震传感器(3)，其中：

1)计算机(1)的电脑通信接口(11)通过通信线缆(27)连接至解调系统(2)的通信接口(26)；光纤地震传感器(3)的光电复合缆接口b(324)通过光电复合缆(28)连接至解调系统(2)的光电复合缆接口a(25)；

2)所述光纤地震传感器(3)，包括第一传感单元(421)、第二传感单元(422)、第三传感单元(423)、机械框架(31)、外壳(32)、光纤器件盒(39)、光电转换电路(41)，其中：

第一传感单元(421)为单轴矢量传感单元，包括垂直向惯性质量(331)、垂直向绕纤柱1A至垂直向绕纤柱2B(341、342、343、344)、垂直向敏感光纤A(361)、垂直向敏感光纤B(362)、垂直向弹性簧片1A至垂直向弹性簧片2B(371、372、373、374)；其中垂直向惯性质量(331)上下两端通过绕纤柱安装位(3311)分别与垂直向绕纤柱1B(342)和垂直向绕纤柱2B(344)连接；垂直向弹性簧片1A至垂直向弹性簧片2B(371、372、373、374)中心分别安装在垂直向惯性质量(331)两端的簧片固定螺丝孔(3312)上，两端则安装在机械框架(31)的内支撑柱(314)上；垂直向敏感光纤A(361)均匀缠绕于垂直向绕纤柱1A(341)与垂直向绕纤柱1B(342)之间；垂直向敏感光纤B(362)均匀缠绕于垂直向绕纤柱2A(343)与垂直向绕纤柱2B(344)之间；垂直向绕纤柱1A(341)和垂直向绕纤柱2A(343)分别安装在机械框架(31)的外支撑柱(313)上；

第一传感单元(421)的传感光路包括1×3耦合器(391)、2×2耦合器A(392)、环形器A(395)、调制器A(398)、垂直向敏感光纤A(361)、垂直向敏感光纤B(362)、法拉第旋镜1A(402)、法拉第旋镜1B(403)，其中：

解调系统(2)中光源(21)输出的光经过隔离器(22)和光电复合缆(28)连接至1×3耦合器(391)的输入端口，1×3耦合器(391)的一个输出端口连接至环形器A(395)的输入端口；环形器A(395)的第一个输出端口与2×2耦合器A(392)的一个输入端口连接；2×2耦合器A(392)的第一个输出端口与垂直向敏感光纤A(361)的输入端连接；垂直向敏感光纤A(361)的输出端与法拉第旋镜1A(402)连接；2×2耦合器A(392)的第二个输出端口与垂直向敏感光纤B(362)的输入端连接，并将其中一段光纤缠绕在调制器A(398)上；垂直向敏感光纤B(362)的输出端与法拉第旋镜1B(403)连接；2×2耦合器A(392)的第二个输入端口与光电转换电路(41)连接；环形器A(395)的第二个输出端与光电转换电路(41)连接，光电转换电路(41)通过调制信号线(4131)与调制器A(398)连接；光电转换电路(41)通过光电复合缆(28)连接至解调系统(2)；1×3耦合器(391)、2×2耦合器A(392)、环形器A(395)、调制器A(398)、垂直向敏感光纤A(361)、垂直向敏感光纤B(362)、法拉第旋镜1A(402)、法拉第旋镜1B(403)固定于光纤器件盒(39)内，其中1×3耦合器(391)是三个传感单元共用的耦合器；

第二传感单元(422)为单轴矢量传感单元，包括水平向惯性质量A(332)、水平向绕纤柱1A至水平向绕纤柱2B(345、346、347、348)、水平向敏感光纤A(363)、水平向敏感光纤B(364)、水平向弹性簧片1A至水平向弹性簧片2B(375、376、377、378)；其传感光路包括2×2耦合器B(393)、环形器B(396)、调制器B(399)、水平向敏感光纤A(363)、水平向敏感光纤B(364)、法拉第旋镜2A(404)、法拉第旋镜2B(405)，其特征与第一传感单元(421)相同；

第三传感单元(423)为单轴矢量传感单元，包括水平向惯性质量B(333)、水平向绕纤柱3A至水平向绕纤柱4B(349、350、351、352)、水平向敏感光纤C(365)、水平向敏感光纤D(366)、水平向弹性簧片3A至水平向弹性簧片4B(379、380、381、382)；其传感光路包括2×2耦合器C(394)、环形器C(397)、调制器C(400)、水平向敏感光纤C(365)、水平向敏感光纤D(366)、法拉第旋镜3A(406)、法拉第旋镜3B(407)，其特征与第一传感单元(421)相同；

第一传感单元(421)、第二传感单元(422)、第三传感单元(423)相互正交穿插，质心重合；三个传感单元分别按照第一传感单元(421)、第二传感单元(422)、第三传感单元(423)的顺序安装入机械框架(31)，组成三维传感单元；机械框架(31)安装于中间隔板(323)上；中间隔板(323)上部用保护罩(322)将机械框架(31)保护隔离，下部连接固定底盘(321)用于放置光纤器件盒(39)和光电转换电路(41)；固定底盘(321)侧面开设光电复合端口安装位(3213)，用于安装光电复合端口；光纤器件盒(39)的光纤通过中间隔板穿线孔(3233)连接敏感光纤(36)；解调系统(2)的电源模块(23)通过光电复合缆(28)中的供电线(4111)连接到光电转换电路(41)的供电端口(411)；采集卡(24)通过光电复合缆(28)中的信号传输线(4121)连接到光电转换电路(41)的信号传输端口(412)；光电转换电路(41)的信号调制端口(413)通过调制信号线(4131)连接到调制器A至调制器C(398、399、400)；

3)机械框架(31)中处于对角线上的绕纤柱(34)两端间距为L₁，a₁为机械框架(31)的热膨胀系数，绕纤柱(34)间距为L₂，a₂为敏感光纤(36)热膨胀系数，惯性质量(33)长度为L₃，a₃为惯性质量(33)热膨胀系数，其满足温度补偿关系：2L₂a₂＝L₁a₁-L₃a₃。

2.根据权利要求1所述的一种共质心推挽式三分量光纤地震计，其特征在于，解调系统(2)包括光源(21)、隔离器(22)、电源模块(23)、采集卡(24)、光电复合缆接口a(25)、通信接口(26)、通信线缆(27)、光电复合缆(28)；其中：

电源模块(23)通过供电线连接至光源(21)、采集卡(24)、通过光电复合缆(28)中供电线(4111)连接至光电转换电路(41)的供电端口(411)，光源(21)通过光纤连接至隔离器(22)的输入端口，隔离器(22)的输出端口通过光电复合缆(28)中的传输光纤(4141)连接至光纤地震传感器(3)的光信号端口(414)；传感单元的光信号经过光电转换电路(41)转换为电信号后，从信号传输端口(412)通过光电复合缆(28)中的信号传输线(4121)传递给采集卡(24)，再通过通信线缆(27)连接至计算机(1)进行数据处理。

3.根据权利要求1所述的一种共质心推挽式三分量光纤地震计，其特征在于，光纤地震传感器(3)包括机械框架(31)、外壳(32)、惯性质量(33)、绕纤柱(34)、敏感光纤(36)、弹性簧片(37)、光纤器件盒(39)、光电转换电路(41)，其中：

1)机械框架(31)包括机械框架固定底板(311)、机械框架固定顶板(312)、外支撑柱(313)、内支撑柱(314)；机械框架固定底板(311)包括外支撑柱固定螺丝孔(3111)、内支撑柱固定螺丝孔(3112)、绕纤柱安装位(3113)、底部固定螺丝孔(3114)、固定底板穿线孔(3115)；机械框架固定顶板(312)包括外支撑柱固定螺丝孔(3121)、内支撑柱固定螺丝孔(3122)、绕纤柱安装位(3123)；外支撑柱(314)包括外支撑柱A(3131)、外支撑柱B(3132)、外支撑柱C(3133)、外支撑柱D(3134)，其中外支撑柱A(3131)包括外支撑柱固定孔(31311)、绕纤柱安装位(31312)，其余外支撑柱特征与外支撑柱A(3131)相同；内支撑柱(314)包括内支撑柱1A(3141)、内支撑柱1B(3142)、内支撑柱2A(3143)、内支撑柱2B(3143)，其中内支撑柱1A(3141)包括内支撑柱固定孔(31411)、簧片固定螺丝孔(31412)，内支撑柱1B(3142)特征与内支撑柱1A(3141)相同，内支撑柱2A(3143)包括内支撑柱固定孔(31431)、簧片固定螺丝孔(31432)，内支撑柱2B(3143)特征与内支撑柱2A(3143)相同；机械框架(31)呈正方体，垂直向棱角作倒角处理，四个外支撑柱(313)固定在机械框架固定底板(311)和机械框架顶板(312)的四角，其绕纤柱安装位保持在同一水平面，朝向沿正方形对角线；机械框架(31)中绕纤柱安装位尺寸一致，均略大于绕纤轴(3412)长度；底部固定螺丝孔(3114)直径和位置与中间隔板(323)隔板螺丝孔保持一致；惯性质量(33)两端通过绕纤柱安装位与绕纤柱(34)连接，并通过敏感光纤(36)与对称固定在机械框架(31)的两绕纤柱(34)连接，从而形成一个整体；

2)外壳(32)包含固定底盘(321)、保护罩(322)、中间隔板(323)、光电复合缆接口b(324)；固定底盘包括保护罩固定孔(3211)、底盘密封槽(3212)、光电复合端口安装位(3213)；固定底盘(321)呈圆柱体，内部挖空，截面呈U型，直径同中间隔板(323)一致；固定底盘(321)内部安装光纤器件盒(39)和光电转换电路(41)；底盘密封槽(3212)直径略大于中间隔板(323)直径，底盘侧面为光电复合端口安装位(3213)，与光电复合缆接口b(324)连接；保护罩(322)通过保护罩螺丝孔(3221)与中间隔板(323)和固定底盘(321)连接固定，保护罩密封槽(3222)直径略大于保护罩上部外壳内直径；

3)惯性质量(33)包括垂直向惯性质量(331)、水平向惯性质量A(332)、水平向惯性质量B(333)；垂直向惯性质量(331)、水平向惯性质量A(332)与水平向惯性质量B(333)质量相等；垂直向惯性质量(331)呈长方体，上下两端有绕纤柱安装位(3311)用于安装绕纤柱，绕纤柱安装位(3311)顶端开有簧片固定螺丝孔(3312)；垂直向惯性质量(331)侧面边长略小于内支撑柱(314)间距，内部通过内部镂空(3313)容纳水平向惯性质量A(332)与水平向惯性质量B(333)；水平向惯性质量A(332)呈长方体，两端为绕纤柱安装位(3321)，绕纤柱安装位(3321)顶端开有簧片固定螺丝孔(3322)，水平向惯性质量A(332)侧面为矩形内部镂空(3323)，用于容纳水平向惯性质量B(333)；水平向惯性质量B(333)分为质量组件A(3331)与质量组件B(3332)，通过连接螺丝孔(33313)、连接螺丝孔(33323)连接为一体，沿两组件连接方向两端为绕纤柱安装位(33311)、绕纤柱安装位(33321)，绕纤柱安装位(33311)、绕纤柱安装位(33321)顶端开有簧片固定螺丝孔(33312)；

4)绕纤柱(34)包括垂直向绕纤柱1A至垂直向绕纤柱2B(341、342、343、344)、水平向绕纤柱1A至水平向绕纤柱4B(345、346、347、348、349、350、351、352)；垂直向绕纤柱1A(341)包括固定螺栓(3411)、绕纤轴(3412)和固定螺母(3413)，固定螺栓直径与绕纤柱安装位一致，绕纤轴(3412)长度略小于绕纤柱安装位；其余绕纤柱尺寸特征同垂直向绕纤柱1A(341)；

5)敏感光纤(36)包括垂直向敏感光纤A(361)、垂直向敏感光纤B(362)、水平向敏感光纤A至水平向敏感光纤D(363、364、365、366)，其具有一个输入端和一个输出端；敏感光纤(36)长度相等，缠绕匝数相等，均匀缠绕于两绕纤柱(34)之间，为单层结构，其与绕纤柱(34)缠绕宽度小于绕纤轴(3412)长度；

6)弹性簧片(37)包括垂直向弹性簧片1A至垂直向弹性簧片2B(371、372、373、374)，水平向弹性簧片1A至水平向弹性簧片4B(375、376、377、378、379、380、381、382)；垂直向弹性簧片1A(371)呈条状，两端有簧片螺丝孔(3711)，其直径和间距与簧片固定螺丝孔一致；簧片固定孔(3712)位于弹性簧片(37)正中，其直径与簧片螺丝孔(3711)一致；其余弹性簧片特征与垂直向弹性簧片1A(371)一致；

7)光电转换电路(41)包括供电端口(411)、信号传输端口(412)、调制信号端口(413)、光信号端口(414)。

4.根据权利要求3所述的一种共质心推挽式三分量光纤地震计，其特征在于，光纤器件盒(39)，包括1×3耦合器(391)、2×2耦合器A至2×2耦合器C(392、393、394)、环形器A至环形器C(395、396、397)、调制器A至调制器C(398、399、400)、法拉第旋镜1A至法拉第旋镜3B(402、403、404、405、406、407)，其中：

1)1×3耦合器(391)具有一个输入端口和三个输出端口，三个输出端口输出光强一致；2×2耦合器A至2×2耦合器C(392、393、394)具有两个输入端口和两个输出端口，输出端口输出光强相同；

2)环形器A至环形器C(395、396、397)具有一个输入端口、两个输出端口，光从输入端口进入，从第一个输出端口输出，从第一个输出端口返回的光仅能够从第二个输出端口输出；

3)调制器A至调制器C(398、399、400)为环型，内外接正负电极用于产生微弱形变；

4)法拉第旋镜1A至法拉第旋镜3B(402、403、404、405、406、407)具有一个输入端口，同时也是其输出端口。

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