CN113624990A - 一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，不锈钢基座侧壁通过螺栓与直圆型铰链结构连接，直圆型铰链结构上表面凹槽内设有一对不锈钢毛细管，超短光纤光栅穿过不锈钢毛细管并由环氧树脂胶两端固定；不锈钢基座通过螺栓连接上盖。直圆型铰链结构用于将外界振动所产生的加速度信号放大并耦合到光纤光栅上，通过实时监测光纤光栅中心波长的变化实现了传感器对外界振动加速度信号的检测。本发明采用超短光纤光栅与机械结构搭配作为传感主体，在地震勘探应用中具有很高的灵敏度，并且根据加速度计原理能够实现地震勘探需求的0‑50 Hz低频振动信号的测量，同时具有结构简单、抗电磁干扰等特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器。
背景技术
我国未探明的石油气资源比较丰富，但油气资源类型与地质条件复杂，非常规油气藏占比高总体勘探难度大，近半个世纪以来，我国油气资源勘探中使用过多种方法、技术和仪器，但大多数是以电磁感应原理的电类检波器，在面对地震信号频率低、强度弱等特点时存在着本质的不足，尤其难以在高温高压的油气井下稳定可靠的工作，并且目前用于地震勘探的技术或仪器均被国外企业所垄断。所以在油气勘探领域，探索自主创新的新方法、新技术和新仪器以来满足地震数据高效采集、精细解释显得尤为重要。
光纤光栅检波器作为一种“无源器件”，本身就具备结构简单、体积小、耐高温高压、耐腐蚀、抗电磁干扰和能够实现分布式检测等特点，在井中地震勘探领域相比于电类检波器具有明显的优势。并且由于光纤光栅检波器测量的是地震波的加速度，从原理上就更加适合低频微弱地震波的检测。但由于光纤光栅检波器原理导致检波器灵敏度与检测带宽相互制约，目前报道的光纤光栅检波器普遍存在灵敏度低检测频带宽或灵敏度高检测频带窄、并且多为实验室测试模型等问题，难以满足地震勘探现场需求，因此现有技术方法仍有待改进。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，结构简单、灵敏度高的基于超短光纤光栅加速度检波器，克服现有光纤光栅检波器灵敏度与检测频带相互制约而导致无法满足地震勘探需求的问题。
为了克服上述现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：
一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，包括不锈钢基座（5），其特征在于，不锈钢基座（5）侧壁通过螺栓（6）与直圆型铰链结构（3）连接，直圆型铰链结构（3）上表面凹槽内设有一对不锈钢毛细管（2），超短光纤光栅（1）穿过不锈钢毛细管（2）并由环氧树脂胶两端固定；不锈钢基座（5）通过螺栓（6）连接上盖（4）。
所述的不锈钢基座（5）侧壁设有4个M2的螺纹孔。
所述的直圆型铰链结构（3）为一体式传感结构。
所述的直圆型铰链结构（3）梁的中心厚度为0.5mm。
所述的直圆型铰链结构（3）的材料为弹性合金3J22。
所述的超短光纤光栅（1）栅区长度为1mm，中心波长为1550.1nm。
所述的超短光纤光栅（1）在与一对不锈钢毛细管（2）固定时施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向漂移2～4nm。
所述的一对不锈钢毛细钢管（2）用来控制超短光纤光栅（1）的封装距离。
所述的直圆型铰链结构（3）的横截面为矩形或半圆形，长度为30～40mm，宽度为10～20mm，高度为5～10mm。
本发明的有益效果如下：
本发明的传感光纤光栅采用超短光纤光栅，并结合一对不锈钢毛细管实现在不改变检测频带宽度的情况下，灵敏度大幅度提高。本发明采用直圆型铰链机械结构，能够对微小的振动信号进行放大，更有利于微弱地震信号的检测。检波器整体结构简单、可靠性高、易于装配成三分量检波器，并且易于组网级联复用。
本发明解决现有光纤光栅检波器灵敏度与检测频带相互制约，灵敏度低或检测频带窄导致无法完全满足地震勘探需求等问题。提高了光纤光栅检波器在地震勘探应用中的灵敏度，并且整体结构的可靠性得到提高，提升了光纤光栅检波器在地震勘探现场使用的可行性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明实施例1基于超短光纤光栅光纤加速度检波器的频率测定图。
图3是本发明实施例1基于超短光纤光栅光纤加速度检波器的振动响应及灵敏度图。
其中，1为超短光纤光栅；2为不锈钢毛细管；3为直圆型铰链结构；4为上盖；5为不锈钢基座；6为螺栓。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进一步叙述。
如图1所示，一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，包括不锈钢基座5，其特征在于，不锈钢基座5侧壁通过螺栓6与直圆型铰链结构3连接，直圆型铰链结构3上表面凹槽内设有一对不锈钢毛细管2，超短光纤光栅1穿过不锈钢毛细管2并由环氧树脂胶两端固定；不锈钢基座5通过螺栓6连接上盖4。
所述的不锈钢基座5侧壁设有4个M2的螺纹孔。
所述的直圆型铰链结构3为一体式传感结构。
所述的直圆型铰链结构3梁的中心厚度为0.5mm。
所述的直圆型铰链结构3的材料为弹性合金3J22。
所述的超短光纤光栅1栅区长度为1mm，中心波长为1550.1nm。
所述的超短光纤光栅1在与一对不锈钢毛细管2固定时施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向漂移2～4nm。
所述的一对不锈钢毛细钢管2用来控制超短光纤光栅1的封装距离。
所述的直圆型铰链结构3的横截面为矩形或半圆形，长度为30～40mm，宽度为10～20mm，高度为5～10mm。
实施例1
直圆型铰链结构3材料为弹性合金3J22，长度为38mm，宽度为15mm，高度为10mm，梁的中心厚度为0.5mm。上表面加工有方形槽，不锈钢毛细管2通过环氧树脂胶固定在方形槽内，两根不锈钢毛细管2间距为3mm，超短光纤光栅1穿过一对不锈钢毛细钢管2，光栅1位于梁的正中间，光栅1的栅区长度为1mm，中心波长为1550.1nm。在使用环氧树脂胶固定光栅1的同时，对光纤光栅1施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向飘逸2nm。传感单元装配完成后，将其整体通过4个M2螺栓6固定在不锈钢基座5内部，不锈钢基座5外径60mm，高度40mm，厚度5mm，上盖4同样通过3个M2螺栓固定在不锈钢基座5上表面，使光纤光栅加速度检波器形成一个封闭的整体，同时起到保护内部传感单元和光纤光栅的作用。
实施例2
直圆型铰链结构3材料为弹性合金3J22，长度为38mm，宽度为15mm，高度为10mm，梁的中心厚度为0.5mm。上表面加工有方形槽，不锈钢毛细管2通过环氧树脂胶固定在方形槽内，两根不锈钢毛细管2间距为5mm，超短光纤光栅1穿过一对不锈钢毛细钢管2，光栅1位于梁的正中间，光栅1的栅区长度为1mm，中心波长为1550.1nm。在使用环氧树脂胶固定光栅1的同时，对光纤光栅1施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向飘逸2nm。传感单元装配完成后，将其整体通过4个M2螺栓6固定在不锈钢基座5内部，不锈钢基座5外径60mm，高度40mm，厚度5mm，上盖4同样通过3个M2螺栓固定在不锈钢基座5上表面，使光纤光栅加速度检波器形成一个封闭的整体，同时起到保护内部传感单元和光纤光栅的作用。
实施例3
直圆型铰链结构3材料为弹性合金3J22，长度为38mm，宽度为15mm，高度为10mm，梁的中心厚度为0.5mm。上表面加工有方形槽，不锈钢毛细管2通过环氧树脂胶固定在方形槽内，两根不锈钢毛细管2间距为9.5mm，超短光纤光栅1穿过一对不锈钢毛细钢管2，光栅1位于梁的正中间，光栅1的栅区长度为1mm，中心波长为1550.1nm。在使用环氧树脂胶固定光栅1的同时，对光纤光栅1施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向飘逸2nm。传感单元装配完成后，将其整体通过4个M2螺栓6固定在不锈钢基座5内部，不锈钢基座5外径60mm，高度40mm，厚度5mm，上盖4同样通过3个M2螺栓固定在不锈钢基座5上表面，使光纤光栅加速度检波器形成一个封闭的整体，同时起到保护内部传感单元和光纤光栅的作用。
为了验证本发明的有益效果，发明人以实施例1进行了如下试验：
基于超短光纤光栅加速度检波器固定在振动台上，将光纤接入微光公司的SM130解调仪，同时测量幅频特性已经灵敏度特性。幅频特性测试频率设置为10-150Hz，加速度为0.1g，结果如图2；灵敏度测试频率设置为30Hz，加速度为0.05-0.5g，最高灵敏度为801.8pm/g，结果如图3。
因此本发明可以实现振动信号的高灵敏度检测，同时频带宽度较宽，满足地震勘探需求；而且系统可靠性高，有利于地震勘探现场的使用，以及对地震信号的高效耦合；并且传感结构简单，易于传感器的级联复用。
Claims (9)
1.一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，包括不锈钢基座（5），其特征在于，不锈钢基座（5）侧壁通过螺栓（6）与直圆型铰链结构（3）连接，直圆型铰链结构（3）上表面凹槽内设有一对不锈钢毛细管（2），超短光纤光栅（1）穿过不锈钢毛细管（2）并由环氧树脂胶两端固定；不锈钢基座（5）通过螺栓（6）连接上盖（4）。
2.根据权利要求1所述的一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，其特征在于，所述的不锈钢基座（5）侧壁设有4个M2的螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，其特征在于，所述的直圆型铰链结构（3）为一体式传感结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，其特征在于，所述的直圆型铰链结构（3）梁的中心厚度为0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，其特征在于，所述的直圆型铰链结构（3）的材料为弹性合金3J22。
6.根据权利要求1所述的一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，其特征在于，所述的超短光纤光栅（1）栅区长度为1mm，中心波长为1550.1nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，其特征在于，所述的超短光纤光栅（1）在与一对不锈钢毛细管（2）固定时施加一定的预紧力，使光栅的中心波长向长波方向漂移2～4nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于超短光纤光栅光纤的加速度传感器，其特征在于，所述的一对不锈钢毛细钢管（2）用来控制超短光纤光栅（1）的封装距离。
9.根据权利要求1所述的直圆型铰链结构（3）的横截面为矩形或半圆形，长度为30～40mm，宽度为10～20mm，高度为5～10mm。
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