CN112697255A - 基于无胶封光纤加速度检波器 - Google Patents

基于无胶封光纤加速度检波器 Download PDF

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李双双
乔学光
王若晖
周锐
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    • G—PHYSICS
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Abstract

一种基于无胶封光纤加速度检波器，底座两侧对称设置有倾斜悬臂梁，两个悬臂梁端底部可拆卸设置有相同的质量块、上表面焊接有光纤，光纤上刻有光栅。本发明具有使用寿命长、耐腐蚀、结构简单、灵敏度高的优点，能够广泛应用于各类地震波勘探领域。

Description

基于无胶封光纤加速度检波器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到基于无胶封光纤加速度检波器。
背景技术
自从1966年高锟博士提出可将光纤作为光通信的传输媒介后，光纤在传感领域的应用便飞速发展。经过几十年的发展之后，光纤光栅(FBG)技术的研制日臻完善，已应用在大型民用结构、土木工程、航空航天、电力工业、石油化工、医学、核工业等多个领域。
在光纤光栅传感技术的众多应用领域中，油气资源勘探是其中的一个重要分支。油气资源是国计民生的重要战略资源，开展对油气资源开发及运输过程中的动态监测新方法、新技术、先进仪器装备研究具有十分重要的科学技术意义和广阔的应用前景。在众多油气资源勘探方法中，地震波勘探法是最重要的方法之一。地震波勘探技术是利用人工震动引起的弹性波经岩层分界面发生反射或折射，通过高度灵敏的地震检波器记录其反射或折射信号，从而确定地质构造情况，进而得到油气藏等地下资源精细描述的一种石油探测技术。因此，地震加速度检波器被广泛地应用于石油、金属矿藏、煤炭、工程地质、结构健康检测等领域之中。目前在油气田现场工程生产测试中使用的地震波检测仪器多数是以压电、磁电、涡流机理为主的电类检波器，难以在环境复杂的井下稳定可靠工作。光纤传感器作为一种集传感与传输于一体的元件，由于其尺寸小、结构简单、灵敏度高、耐腐蚀、耐高温高压、抗电磁干扰、可靠性高、可实现分布式检测等特点，深受人们的青睐，非常适合用于制作地震加速度检波器。
目前也报道有使用光纤传感技术测量地震波加速度，但其精度较低、重复性差、可测频带固定，光纤与应变结构之间通过有机胶粘接固定，有机胶自身杨氏模量低，尤其在井下高温环境中，会不可避免地产生软化，蠕变现象明显，甚至会松动失效，对光纤地震加速度检波器的稳定性、重复性、精度和寿命都有很大的影响。因此现有技术还有待于改进和提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有光纤地震加速度检波器的缺点，提供一种精度高、使用寿命长、灵敏度高的基于无胶封光纤加速度检波器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：底座两侧对称设置有倾斜悬臂梁，两个悬臂梁端底部可拆卸设置有相同的质量块、上表面焊接有光纤，光纤上刻有光栅。
作为一种优选的技术方案，所述的悬臂梁的倾角为0°～5°。
作为一种优选的技术方案，所述的光纤通过玻璃焊料焊接在两个悬臂梁端。
作为一种优选的技术方案，所述的玻璃焊料为Pb-Bi-B系玻璃焊料。
作为一种优选的技术方案，所述的光纤在被封装固定前施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向漂移3～5nm。
作为一种优选的技术方案，所述的底座与两侧的悬臂梁连为一体，材料为304不锈钢或弹性合金3J22，所述的质量块的材料为钨。
作为一种优选的技术方案，所述的悬臂梁的横截面为矩形或梯形或三角形或圆形，所述的质量块的横截面为矩形或圆形。
作为一种优选的技术方案，所述的悬臂梁的横截面为矩形，悬臂梁的厚度为0.5～2mm，宽度为5～10mm，长度为20～30mm；所述的质量块横截面为矩形，高度为10～20mm，宽度为5～10mm，长度为5～10mm。
作为一种优选的技术方案，所述的质量块与悬臂梁通过螺栓固定。
作为一种优选的技术方案，所述的光栅的栅区长度为2～5mm，中心波长为1550nm。
本发明的有益效果如下：
本发明的光纤使用玻璃焊接方法进行封装，整个封装过程耗时短，相比传统用有机胶封装省去了有机胶的固化时间，可使本发明稳定在780℃以下长期工作。采用玻璃焊接封装的光纤与金属基底之间的连接强度高，耐腐蚀，不易老化松脱，且由于玻璃焊料自身的杨氏模量高、热膨胀系数小，因此在井中高温环境下可以大幅减小光纤封装处的蠕变，极大地提升了光纤光栅振动加速度检波器的测量精度，保障本发明的重复性。质量块与悬臂梁端可拆卸连接，可以方便地通过更改质量块的材料、尺寸等参数来改变光纤光栅振动加速度检波器的响应频段和灵敏度，使本发明能够广泛应用于各类地震波勘探领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是实施例1基于无胶封光纤加速度检波器的频率测定图。
图3是实施例1基于无胶封光纤加速度检波器的灵敏度及线性度测定图。
图4是实施例1基于无胶封光纤加速度检波器的水平x方向、y方向的横向干扰能力测试图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的基于无胶封光纤加速度检波器由玻璃焊料1、光纤2、悬臂梁3、底座4、质量块5、螺栓6连接构成，底座4两侧对称加工有倾斜悬臂梁3，底座4与两悬臂梁3连为一体，材料为304不锈钢，悬臂梁3的倾角为3°，悬臂梁3的横截面为矩形，悬臂梁3的厚度为1mm，宽度为7mm，长度为25mm，两个悬臂梁3端部均加工有沉头通孔，两螺栓6分别安装在两沉头通孔内，通过螺栓6两个悬臂梁3端底部安装有相同的质量块5，质量块5的材料为钨，质量块5为长方体形状，长度为6mm，宽度为7mm，高度为10mm，由于螺栓头与沉头通孔上表面有一定的距离，将光纤2的两端通过玻璃焊料1焊接在两个悬臂梁3端沉头孔上，玻璃焊料1为Pb-Bi-B系玻璃焊料，光纤2上刻有光栅，光栅的栅区长度为3mm，中心波长为1550nm，在焊接固定前，对光纤2施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向漂移4nm。
本发明的光纤2使用玻璃焊接方法进行封装，整个封装过程耗时短，可使本发明稳定在780℃以下长期工作，光纤2与金属基底之间的连接强度高，耐腐蚀，不易老化松脱，由于玻璃焊料1自身的杨氏模量高、热膨胀系数小，因此，在井中高温环境下可以大幅减小光纤2封装处的蠕变，极大地提升了光纤2光栅振动加速度检波器的测量精度，保障本发明的重复性。
实施例2
在本实施例中，底座4两侧对称加工有倾斜悬臂梁3，底座4与两悬臂梁3连为一体，材料为304不锈钢，悬臂梁3的倾角为2°，悬臂梁3的横截面为矩形，悬臂梁3的厚度为0.5mm，宽度为5mm，长度为20mm，两个悬臂梁3端部均加工有沉头通孔，两螺栓6分别安装在两沉头通孔内，通过螺栓6两个悬臂梁3端底部安装有相同的质量块5，质量块5的材料为钨，质量块5为长方体形状，长度为5mm，宽度为5mm，高度为15mm，由于螺栓头与沉头通孔上表面有一定的距离，将光纤2的两端通过玻璃焊料1焊接在两个悬臂梁3端沉头孔上，玻璃焊料1为Pb-Bi-B系玻璃焊料，光纤2上刻有光栅，光栅的栅区长度为2mm，中心波长为1550nm，在焊接固定前，对光纤2施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向漂移4nm。
实施例3
在本实施例中，底座4两侧对称加工有倾斜悬臂梁3，底座4与两悬臂梁3连为一体，材料为304不锈钢，悬臂梁3的倾角为5°，悬臂梁3的横截面为矩形，悬臂梁3的厚度为2mm，宽度为10mm，长度为30mm，两个悬臂梁3端部均加工有沉头通孔，两螺栓6分别安装在两沉头通孔内，通过螺栓6两个悬臂梁3端底部安装有相同的质量块5，质量块5的材料为钨，质量块5为长方体形状，长度为10mm，宽度为10mm，高度为20mm，由于螺栓头与沉头通孔上表面有一定的距离，将光纤2的两端通过玻璃焊料1焊接在两个悬臂梁3端沉头孔上，玻璃焊料1为Pb-Bi-B系玻璃焊料，光纤2上刻有光栅，光栅的栅区长度为5mm，中心波长为1550nm，在焊接固定前，对光纤2施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向漂移4nm。
实施例4
在上述实施例1～3中，悬臂梁3的横截面也可以为梯形或三角形或圆形，质量块5的横截面也可以是圆形。其他零部件及零部件的连接关系与相应实施例相同。
试验
为了验证本发明的有益效果，发明人以实施例1的技术方案进行了测试试验，具体如下：
将基于无胶封光纤加速度检波器固定到振动台上进行频率范围、灵敏度、线性度以及抗横向干扰测定。
测定结果
该基于无胶封光纤加速度检波器的谐振频率约为80Hz，工作平坦区在0～50Hz，如图2，符合油气资源勘探中的低频段要求，在20Hz振动频率下进行的灵敏度以及线性度测定，该加速度检波器的灵敏度为290pm/g，线性度在99.9％以上，如图3。对加速度检波器水平x方向、y方向的横向干扰能力测试，将测定值与相同条件下的竖直z方向值进行比较，可得出平均横向干扰低于3％，如图4。

Claims (10)

1.一种基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：底座两侧对称设置有倾斜悬臂梁，两个悬臂梁端底部可拆卸设置有相同的质量块、上表面焊接有光纤，光纤上刻有光栅。
2.根据权利要求1所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的悬臂梁的倾角为0°～5°。
3.根据权利要求1所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的光纤通过玻璃焊料焊接在两个悬臂梁端。
4.根据权利要求3所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的玻璃焊料为Pb-Bi-B系玻璃焊料。
5.根据权利要求1所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的光纤在被封装固定前施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向漂移3～5nm。
6.根据权利要求1所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的底座与两侧的悬臂梁连为一体，材料为304不锈钢或弹性合金3J22，所述的质量块的材料为钨。
7.根据权利要求1或6所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的悬臂梁的横截面为矩形或梯形或三角形或圆形，所述的质量块的横截面为矩形或圆形。
8.根据权利要求7所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的悬臂梁的横截面为矩形，悬臂梁的厚度为0.5～2mm，宽度为5～10mm，长度为20～30mm；所述的质量块横截面为矩形，高度为10～20mm，宽度为5～10mm，长度为5～10mm。
9.根据权利要求1所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的质量块与悬臂梁通过螺栓固定。
10.根据权利要求1所述的基于无胶封光纤加速度检波器，其特征在于：所述的光栅的栅区长度为2～5mm，中心波长为1550nm。
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