CN112526588B - 一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感领域，具体涉及到一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计。本发明包括计算机、解调系统、光纤地震传感器；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；单轴矢量传感单元中的敏感光纤与双弹性盘片内外表面中间区域复合构成差分式结构；三个单轴矢量传感单元相互垂直交叉堆叠放置，质心重合。本发明的优点是双盘片差分式光纤矢量地震计的灵敏度高，尺寸小，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

一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计

技术领域

本发明设计属于光纤传感领域，具体涉及到一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计。

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。

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。

公开号为:CN2599599Y的中国实用新型专利，于2004年1月14日公开了一种三分量全光纤加速度地震检波器，该专利是将单模光纤缠绕到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。公开号为CN103674219A的中国发明专利，于2014年3月26日公开了一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器，该专利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。公开号为CN111323613A的中国发明专利，于2020年6月23日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，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

本发明的目的在于提供一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计。

本发明提出的一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计，包括计算机1、解调系统2、光纤地震传感器3，具体连接关系为：

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)其中光纤地震传感器3其包括第一传感单元341、第二传感单元342、第三传感单元343、机械框架31、外壳32、光纤器件盒38、光电转换电路40，其中：

第一传感单元341为单轴矢量传感单元，包括垂直向惯性质量331、垂直向弹性盘片a351、垂直向弹性盘片b352、垂直向敏感光纤1A至垂直向敏感光纤2B361、362、363、364；其中垂直向惯性质量331上端与垂直向弹性盘片a351连接，下端与垂直向弹性盘片b352连接；垂直向敏感光纤1A361与垂直向敏感光纤1B362分别与垂直向弹性盘片a351的外侧和内侧两面中间区域复合，垂直向敏感光纤2A363与垂直向敏感光纤2B364分别与垂直向弹性盘片b352的外侧和内侧两面中间区域复合；

第一传感单元341的传感光路包括1×3耦合器381、2×2耦合器A382、环形器A385、调制器A389、垂直向敏感光纤1A至垂直向敏感光纤2B361、362、363、364、法拉第旋镜A392、法拉第旋镜B393，具体连接关系为：

解调系统2输出的光经过光电复合缆28连接至1×3耦合器381的输入端口，1×3耦合器381的一个输出端口连接至环形器A385的输入端口；环形器A385的第一个输出端口与2×2耦合器A382的一个输入端口相连；2×2耦合器A382的第一个输出端口与垂直向敏感光纤1A361的输入端连接；垂直向敏感光纤1A361的输出端与垂直向敏感光纤2B364的输入端连接；垂直向敏感光纤2B364的输出端与法拉第旋镜A392相连；2×2耦合器A382的第二个输出端口与垂直向敏感光纤1B362的输入端连接，并将其中一段光纤缠绕在调制器A389上；垂直向敏感光纤1B362的输出端与垂直向敏感光纤2A363的输入端连接；垂直向敏感光纤2A363的输出端与法拉第旋镜B393相连；2×2耦合器A382的第二个输入端口与光电转换电路40相连；环形器A385的第二个输出端与光电转换电路40相连，光电转换电路40通过调制信号线4031与调制器A389相连，对光路施加调制信号，并将探测的光信号转换为电信号，然后通过光电复合缆28连接至解调系统2的采集卡24；1×3耦合器381、2×2耦合器A382、环形器A385、调制器A389、法拉第旋镜A392、法拉第旋镜B393固定于光纤器件盒38内，其中1×3耦合器381是三个传感单元共用的耦合器；

第二传感单元342为单轴矢量传感单元，包括水平向惯性质量a332、水平向弹性盘片a353、水平向弹性盘片b354、水平向敏感光纤1A至水平向敏感光纤2B365、366、367、368；其传感光路包括1×3耦合器381、2×2耦合器B383、环形器B386、调制器B390、水平向敏感光纤1A至水平向敏感光纤2B365、366、367、368、法拉第旋镜C394、法拉第旋镜D395，其特征与第一传感单元341相同；

第三传感单元343为单轴矢量传感单元，包括水平向惯性质量b333、水平向弹性盘片c355、水平向弹性盘片d356、水平向敏感光纤3A至水平向敏感光纤4B369、370、371、372；其传感光路包括1×3耦合器381、2×2耦合器C384、环形器C387、调制器C391、水平向敏感光纤3A至水平向敏感光纤4B369、370、371、372、法拉第旋镜E396、法拉第旋镜F397，其特征与第一传感单元341相同；

第一传感单元341、第二传感单元342、第三传感单元343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341、第二传感单元342、第三传感单元343的顺序安装入机械框架311，并用螺丝固定；机械框架311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311保护隔离，下部连接固定底盘321用于放置光纤器件盒38和光电转换电路40；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38的光纤穿过中间隔板穿线孔3231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4011连接到光电转换电路40的供电端口401；采集卡24通过光电复合缆28中的信号传输线4021连接到光电转换电路40的信号传输端口402；光电转换电路40的信号调制端口403通过调制信号线4031连接到调制器A至调制器C389、390、391；

所述的解调系统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，其特征是：

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40，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连接光纤地震传感器内的三路传感光路；三路传感光路的光信号经过光电转换电路40转换为电信号后，将电信号通过光电复合缆28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；

所述的光纤地震传感器3，其中包括机械框架31、外壳32、惯性质量33、弹性盘片35、敏感光纤36、光纤器件盒38、光电转换电路40，其中：

机械框架31包括三维机械框架311、盘片固定圆环312；三维机械框架311包括弹性盘片安装位3111、弹性盘片安装位螺丝孔3112、底部固定螺丝孔3113；盘片固定圆环312包括固定圆环螺丝孔3121；三维机械框架311呈正方体，垂直向棱边作倒角处理，六个面均打通圆柱通孔，用于放置质量块，且通孔靠近侧面处留出槽口作为弹性盘片安装位3111，其水平向对角线长度略小于外壳保护罩322的内径，垂直高度略低于外壳保护罩322内部高度；弹性盘片安装位3111的内径略大于弹性盘片35直径和盘片固定圆环312的外径，深度等于弹性盘片35厚度和盘片固定圆环312厚度之和；底部固定螺丝孔3113的外径与中间隔板323的机械框架固定孔3232的外径一致；惯性质量33通过盘片安装位3311、3321、3331在两端连接弹性盘片35，弹性盘片35嵌入机械框架的弹性盘片安装位3111，并通过盘片固定圆环312和弹性盘片安装位螺丝孔3112连接形成一个整体；

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；中间隔板323包括中间隔板穿线孔3231、机械框架固定孔3232、隔板螺丝孔3233；

惯性质量33包含垂直向惯性质量331、水平向惯性质量a332、水平向惯性质量b333、惯性质量紧固螺母334；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整体呈圆柱体，直径略小于机械框架内部圆形通孔，质量块侧面形成相互垂直的矩形内部镂空a3312用于容纳水平向惯性质量a332与水平向惯性质量b333，上下两侧轴心处有垂直向盘片安装位3311；水平向惯性质量a332截面呈圆角矩形，较宽一面中心开有内部镂空b3322，两端面中心有水平向盘片安装位a3321；水平向惯性质量b333呈圆角矩形柱，两端面中心为水平向盘片安装位b3331；惯性质量紧固螺母334用于将弹性盘片安装于质量块上；

弹性盘片35包括垂直向弹性盘片a351、垂直向弹性盘片b352、水平向弹性盘片a至水平向弹性盘片d353、354、355、356；垂直向弹性盘片a351包含垂直向弹性盘片a螺丝孔3511、垂直向惯性质量安装孔3512、过纤孔3513；弹性盘片35内径略大于垂直向盘片安装位3311，外径略小于弹性盘片安装位3111；垂直向弹性盘片a螺丝孔3511尺寸与弹性盘片安装位螺丝孔3112一致；其余弹性盘片特征与垂直向弹性盘片a351一致；

敏感光纤36包括垂直向敏感光纤1A至垂直向敏感光纤2B361、362、363、364、水平向敏感光纤1A至水平向敏感光纤4B365、366、367、368、369、370、371、372，其与弹性盘片35两侧中心区域复合，具有一个输入端和一个输出端，为单层平铺结构；敏感光纤36与弹性盘片35轴心保持重合，其两端尾纤穿过弹性盘片过纤孔3513；敏感光纤36内径大于弹性盘片35内径，敏感光纤36外径小于于弹性盘片35外径；

光纤地传感器光电转换电路40包括供电端口401、信号传输端口402、调制信号端口403、光信号端口404；

所述的光纤器件盒38，包括1×3耦合器381、2×2耦合器A至2×2耦合器C382、383、384、环形器A至环形器C385、386、387、调制器A至调制器C389、390、391、法拉第旋镜A至法拉第旋镜F392、393、394、395、396、397，其中：

1×3耦合器381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C382、383、384具有两个输入端口和两个输出端口，输出端口输出光强一致；

环形器A至环形器C385、386、387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C389、390、391为环型，内外接正负电极用于产生微弱形变；

法拉第旋镜A至法拉第旋镜F392、393、394、395、396、397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双盘片差分式光纤矢量地震计，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381，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A385的输入端口，环形器A385的第一个输出端口连接2×2耦合器A382的一个输入端口；2×2耦合器A382的一个输入端口输出光经垂直向敏感光纤1A361、垂直向敏感光纤2B364、法拉第旋镜A392后返回；2×2耦合器A382的另一个输入端口光经垂直向敏感光纤1B362、垂直向敏感光纤2A363、法拉第旋镜B393后返回，并由调制器A389产生调制信号；两路光经2×2耦合器A382汇合构成迈克尔逊干涉仪结构，由2×2耦合器A382的第二个输入端口和环形器A385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40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40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，采用双盘片的形式：双盘片式结构是将惯性质量的两端均连接弹性盘片，当有沿惯性质量方向的加速度时，惯性质量将带动弹性盘片产生变形，一边的弹性盘片变凹，另一边弹性盘片变凸，每个弹性盘片两面均与敏感光纤复合，当弹性盘片变形时，弹性盘片两边的敏感光纤产生变形，凸的一面的敏感光纤被拉伸，光纤长度变长，凹的一面的敏感光纤被压缩，光纤长度变短，由此形成差分式结构，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，通过将光纤一个弹性盘片的内侧敏感光纤与另一个弹性盘片的外侧敏感光纤相连，使得光纤长度变化更加明显，即可再次提升干涉仪的灵敏度；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，弹性盘片上的质量块在加速度作用下会带动弹性盘片发生径向应变和环向应变。根据广义胡克定律，弹性盘片上表面半径r处的径向应变与环向应变分别为：

其中ω为弹性盘片挠度，P为加载在弹性盘片内圆周的均布力P＝MA，M代表中心质量块的质量，A代表加速度。D′为弹性盘片的弯曲刚度,E为弹性盘片材料的杨氏模量，t为弹性盘片厚度，μ′为弹性盘片材料的泊松比。a，b为弹性盘片外、内半径。

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)，

设敏感光纤复合区域内外半径为c、d，光纤直径D。在径向应变ε_r、环向应变ε_θ作用下，单层敏感光纤的长度变化为：

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 (9)

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。

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，共质心双盘片差分式光纤矢量地震计的三个传感单元质心重合，能够探测空间某点的三维振动信息，可大幅度提升地震反演精度；

2)与普通盘式推挽结构加速度计相比，双盘片差分式传感单元能够在同等尺寸下增大一倍干涉臂长，在惯性质量作用下，两边的弹性盘片同时发生形变，能够增大干涉光路的光程变化，大大提高加速度计传感探头的灵敏度；

3)惯性质量采用三维穿插正交布放的方式，能够有效提升传感器内部空间利用率，从而减小传感器整体尺寸，可以适应更多对尺寸有限制的测量场景。

附图说明

图1是一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计系统结构图；

图2是一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计系统原理图；

图3是光纤地震传感器结构图；

图4是光纤地震传感器的机械框架和盘片固定圆环结构示意图；

图5是光纤地震传感器的中间隔板结构示意图；

图6是光纤地震传感器的传感单元结构示意图；

图7是光纤地震传感器的惯性质量结构示意图；

图8是光纤地震传感器的敏感光纤和弹性盘片结构示意图；

图9是光电转换电路和光纤器件盒结构示意图。

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

共质心双盘片差分式光纤矢量地震计在地震观测中的应用

共质心双盘片差分式光纤矢量地震计如图1-图9所示，其中，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381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C382、383、384工作波长为1550nm，分光比为50:50；环形器A至环形器C385、386、387工作波长1550nm，隔离度＞30dB，插入损耗小于0.8dB；法拉第旋镜A至法拉第旋镜F392、393、394、395、396、397工作波长1550nm，插入损耗＜0.85dB，旋转角90°；调制器A至调制器C389、390、391内径18mm，外径20mm，高11mm；

4)垂直向敏感光纤1A至垂直向敏感光纤2B361、362、363、364、水平向敏感光纤1A至水平向敏感光纤4B365、366、367、368、369、370、371、372为复合区域内径40mm，外径50mm的圆环；

5)弹性盘片35内直径为10mm，外直径为60mm，厚度为0.5mm；

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381，然后分别进入三路具有相同光路结构的传感光路：其中一路连接至连接至环形器A385的输入端口，经环形器A385的第一个输出端口输出至2×2耦合器A382；2×2耦合器A382一个输出端输出光一路经垂直向敏感光纤1A361、垂直向敏感光纤2B364、法拉第旋镜A392后返回；2×2耦合器A382另一路光经垂直向敏感光纤1B362、垂直向敏感光纤2A363、法拉第旋镜B393后返回；两路光经2×2耦合器A382汇合构成迈克尔逊干涉仪结构；当有加速度作用到惯性质量时，惯性质量带动两端弹性盘片发生变形，进而使得与盘片复合的敏感光纤发生形变，非平衡迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂的光纤一个伸长一个缩短，从而在2×2耦合器处产生干涉信号；最后三路传感光路的干涉信号经过光电转换电路40转换为电信号，然后通过光电复合缆28连接至解调系统2的采集卡24，最终由计算机1对干涉信号进行处理；采用PGC调制解调技术，通过采集卡24和光电转换电路40对调制器A至调制器C389、390、391施加调制信号，然后由计算机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)

1.一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计，其特征在于，包括计算机(1)、解调系统(2)、光纤地震传感器(3)，具体连接关系为：

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)所述的光纤地震传感器(3)，其包括第一传感单元(341)、第二传感单元(342)、第三传感单元(343)、机械框架(31)、外壳(32)、光纤器件盒(38)、光电转换电路(40)，其中：

第一传感单元(341)为单轴矢量传感单元，包括垂直向惯性质量(331)、垂直向弹性盘片a(351)、垂直向弹性盘片b(352)、垂直向敏感光纤1A至垂直向敏感光纤2B(361、362、363、364)；其中垂直向惯性质量(331)上端与垂直向弹性盘片a(351)连接，下端与垂直向弹性盘片b(352)连接；垂直向敏感光纤1A(361)与垂直向敏感光纤1B(362)分别与垂直向弹性盘片a(351)的外侧和内侧两面中间区域复合，垂直向敏感光纤2A(363)与垂直向敏感光纤2B(364)分别与垂直向弹性盘片b(352)的外侧和内侧两面中间区域复合；

第一传感单元(341)的传感光路包括1×3耦合器(381)、2×2耦合器A(382)、环形器A(385)、调制器A(389)、垂直向敏感光纤1A至垂直向敏感光纤2B(361、362、363、364)、法拉第旋镜A(392)、法拉第旋镜B(393)，具体连接为：

解调系统(2)输出的光经过光电复合缆(28)连接至1×3耦合器(381)的输入端口，1×3耦合器(381)的一个输出端口连接至环形器A(385)的输入端口；环形器A(385)的第一个输出端口与2×2耦合器A(382)的一个输入端口相连；2×2耦合器A(382)的第一个输出端口与垂直向敏感光纤1A(361)的输入端连接；垂直向敏感光纤1A(361)的输出端与垂直向敏感光纤2B(364)的输入端连接；垂直向敏感光纤2B(364)的输出端与法拉第旋镜A(392)相连；2×2耦合器A(382)的第二个输出端口与垂直向敏感光纤1B(362)的输入端连接，并将其中一段光纤缠绕在调制器A(389)上；垂直向敏感光纤1B(362)的输出端与垂直向敏感光纤2A(363)的输入端连接；垂直向敏感光纤2A(363)的输出端与法拉第旋镜B(393)相连；2×2耦合器A(382)的第二个输入端口与光电转换电路(40)相连；环形器A(385)的第二个输出端与光电转换电路(40)相连，光电转换电路(40)通过调制信号线(4031)与调制器A(389)相连，对光路施加调制信号，并将探测的光信号转换为电信号，然后通过光电复合缆(28)连接至解调系统(2)的采集卡(24)；1×3耦合器(381)、2×2耦合器A(382)、环形器A(385)、调制器A(389)、法拉第旋镜A(392)、法拉第旋镜B(393)固定于光纤器件盒(38)内，其中1×3耦合器(381)是三个传感单元共用的耦合器；

第二传感单元(342)为单轴矢量传感单元，包括水平向惯性质量a(332)、水平向弹性盘片a(353)、水平向弹性盘片b(354)、水平向敏感光纤1A至水平向敏感光纤2B(365、366、367、368)；其传感光路包括1×3耦合器(381)、2×2耦合器B(383)、环形器B(386)、调制器B(390)、水平向敏感光纤1A至水平向敏感光纤2B(365、366、367、368)、法拉第旋镜C(394)、法拉第旋镜D(395)，其特征与第一传感单元(341)相同；

第三传感单元(343)为单轴矢量传感单元，包括水平向惯性质量b(333)、水平向弹性盘片c(355)、水平向弹性盘片d(356)、水平向敏感光纤3A至水平向敏感光纤4B(369、370、371、372)；其传感光路包括1×3耦合器(381)、2×2耦合器C(384)、环形器C(387)、调制器C(391)、水平向敏感光纤3A至水平向敏感光纤4B(369、370、371、372)、法拉第旋镜E(396)、法拉第旋镜F(397)，其特征与第一传感单元(341)相同；

第一传感单元(341)、第二传感单元(342)、第三传感单元(343)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(341)、第二传感单元(342)、第三传感单元(343)的顺序安装入机械框架(31)，并用螺丝固定；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(38)和光电转换电路(40)；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(38)的光纤穿过中间隔板穿线孔(3231)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(4011)连接到光电转换电路(40)的供电端口(401)；采集卡(24)通过光电复合缆(28)中的信号传输线(4021)连接到光电转换电路(40)的信号传输端口(402)；光电转换电路(40)的信号调制端口(403)通过调制信号线(4031)连接到调制器A至调制器C(389、390、391)。

2.根据权利要求1所述的一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计，其特征在于，

1)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)；

2)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(40)，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)连接至光纤地震传感器(3)的三路传感光路；三路传感光路的光信号经过光电转换电路(40)转换为电信号后，将电信号通过光电复合缆(28)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所述的一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计，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)、弹性盘片(35)、敏感光纤(36)、光纤器件盒(38)、光电转换电路(40)，其中：

1)机械框架(31)包括三维机械框架(311)、盘片固定圆环(312)；三维机械框架(311)包括弹性盘片安装位(3111)、弹性盘片安装位螺丝孔(3112)、底部固定螺丝孔(3113)；盘片固定圆环(312)包括固定圆环螺丝孔(3121)；三维机械框架(311)呈正方体，垂直向棱边作倒角处理，六个面均打通圆柱通孔，用于放置质量块，且通孔靠近侧面处留出槽口作为弹性盘片安装位(3111)，其水平向对角线长度略小于外壳保护罩(322)的内径，垂直高度略低于外壳保护罩(322)内部高度；弹性盘片安装位(3111)的内径略大于弹性盘片(35)直径和盘片固定圆环(312)的外径，深度等于弹性盘片(35)厚度和盘片固定圆环(312)厚度之和；底部固定螺丝孔(3113)的外径与中间隔板(323)的机械框架固定孔(3232)的外径一致；惯性质量(33)通过盘片安装位(3311、3321、3331)在两端连接弹性盘片(35)，弹性盘片(35)嵌入机械框架的弹性盘片安装位(3111)，并通过盘片固定圆环(312)和弹性盘片安装位螺丝孔(3112)连接形成一个整体；

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(38)和光电转换电路(39)；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；中间隔板(323)包括中间隔板穿线孔(3231)、机械框架固定孔(3232)、隔板螺丝孔(3233)；

3)惯性质量(33)包含垂直向惯性质量(331)、水平向惯性质量a(332)、水平向惯性质量b(333)、惯性质量紧固螺母(334)；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)整体呈圆柱体，直径略小于机械框架内部圆形通孔，质量块侧面形成相互垂直的矩形内部镂空a(3312)用于容纳水平向惯性质量a(332)与水平向惯性质量b(333)，上下两侧轴心处有垂直向盘片安装位(3311)；水平向惯性质量a(332)截面呈圆角矩形，较宽一面中心开有内部镂空b(3322)，两端面中心有水平向盘片安装位a(3321)；水平向惯性质量b(333)呈圆角矩形柱，两端面中心为水平向盘片安装位b(3331)；惯性质量紧固螺母(334)用于将弹性盘片安装于质量块上；

4)弹性盘片(35)包括垂直向弹性盘片a(351)、垂直向弹性盘片b(352)、水平向弹性盘片a至水平向弹性盘片d(353、354、355、356)；垂直向弹性盘片a(351)包含垂直向弹性盘片a螺丝孔(3511)、垂直向惯性质量安装孔(3512)、过纤孔(3513)；弹性盘片(35)内径略大于垂直向盘片安装位(3311)，外径略小于弹性盘片安装位(3111)；垂直向弹性盘片a螺丝孔(3511)尺寸与弹性盘片安装位螺丝孔(3112)一致；其余弹性盘片特征与垂直向弹性盘片a(351)一致；

5)敏感光纤(36)包括垂直向敏感光纤1A至垂直向敏感光纤2B(361、362、363、364)、水平向敏感光纤1A至水平向敏感光纤4B(365、366、367、368、369、370、371、372)，其与弹性盘片(35)两侧中心区域复合，具有一个输入端和一个输出端，为单层平铺结构；敏感光纤(36)与弹性盘片(35)轴心保持重合，其两端尾纤穿过弹性盘片过纤孔(3513)；敏感光纤(36)内径大于弹性盘片(35)内径，敏感光纤(36)外径小于于弹性盘片(35)外径；

6)光纤地传感器光电转换电路(40)包括供电端口(401)、信号传输端口(402)、调制信号端口(403)、光信号端口(404)。

4.根据权利要求3所述的一种共质心双盘片差分式光纤矢量地震计，其特征在于，光纤器件盒(38)，包括1×3耦合器(381)、2×2耦合器A至2×2耦合器C(382、383、384)、环形器A至环形器C(385、386、387)、调制器A至调制器C(389、390、391)、法拉第旋镜A至法拉第旋镜F(392、393、394、395、396、397)，其中：

1)1×3耦合器(381)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(382、383、384)具有两个输入端口和两个输出端口，输出端口输出光强一致；

2)环形器A至环形器C(385、386、387)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(389、390、391)为环型，内外接正负电极用于产生微弱形变；

4)法拉第旋镜A至法拉第旋镜F(392、393、394、395、396、397)具有一个输入端口，同时也是其输出端口。

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