CN115015999A - 一种串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器 - Google Patents

一种串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器 Download PDF

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乔学光
姜丽荣
禹大宽
高宏
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    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G01V1/181—Geophones

Abstract

一种串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，L形的基座侧臂内侧设置有第一柔性铰链，第一柔性铰链的端部设置有第一质量块，第一质量块上与第一柔性铰链相对的另一侧设置有第二柔性铰链，第二柔性铰链的端部设置有第二质量块，第一柔性铰链、第一质量块、第二柔性铰链和第二质量块连为一体呈悬空状态，第一质量块的顶部低于基座的侧臂顶部，基座侧臂顶部与第二质量块顶部平齐，基座侧臂顶部与第二质量块顶部中心设置有刻写光栅的光纤，光纤上光栅部分呈悬空状态。本发明使用3D打印一体成型，基座，铰链敏感结构和惯性质量块一体化，使加工简单，整体结构体积小，成本低，可靠性好，还具有测量范围大，抗干扰能力强的优点。

Description

一种串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到一种串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器。
背景技术
油气勘探所使用的地震检波技术中，检波器的性能对勘探精确程度有重要影响。传统电磁类检波器存在易受电磁干扰、不耐高温等问题，而光纤类检波器灵敏度高、安全性高、使用寿命长，优点诸多。其中光纤光栅作为一种波长调制型无源器件，基于此的光纤光栅地震检波器，性能不受光源稳定性影响，并且结构简单容易加工，还可以应用于分布式测量，用途广泛，具有良好的发展前景。
光纤光栅加速度地震检波器主体部分一般由弹性结构、惯性质量块和光纤光栅三个部分组成。检波器接收到加速度信号后，质量块在惯性作用下产生位移，弹性结构发生形变，使得光栅发生形变从而产生应变，中心波长发生变化，通过解调系统得到中心波长变化量来测量加速度信号。
目前，光纤光栅加速度地震检波器主要有梁式、铰链式、膜片式和弹性柱体式等结构，其中铰链式结构测量范围大，精度高，加工简单，是近几年的研究热点。但铰链式结构存在抗干扰能力差的问题，因此为满足实际工作要求，需要设计频带宽，抗干扰能力强且具有较高灵敏度的地震检波器。
发明内容
本发明所要解决的技术在于提供一种结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强、测量范围大的串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，L形的基座侧臂内侧设置有第一柔性铰链，第一柔性铰链的端部设置有第一质量块，第一质量块上与第一柔性铰链相对的另一侧设置有第二柔性铰链，第二柔性铰链的端部设置有第二质量块，第一柔性铰链、第一质量块、第二柔性铰链和第二质量块连为一体呈悬空状态，第一质量块的顶部低于基座的侧臂顶部，基座侧臂顶部与第二质量块顶部平齐，基座侧臂顶部与第二质量块顶部中心设置有刻写光栅的光纤，光纤上光栅部分呈悬空状态。
作为一种优选的技术方案，所述第一柔性铰链、第一质量块、第二柔性铰链和第二质量块的中心线重合。
作为一种优选的技术方案，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链结构相同为椭圆型柔性铰链。
作为一种优选的技术方案，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的长轴为2～3mm、短轴1～1.5mm。
作为一种优选的技术方案，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链凹口处最小厚度t为0.5～1.2mm。
作为一种优选的技术方案，所述第一质量块的重量＜第二质量块的重量，所述第一质量块和第二质量块均为长方体结构。
作为一种优选的技术方案，所述第一质量块与第二质量块的宽度均相等，所述第一质量块的高度＜第二质量块的高度，所述第一质量块的长度＜第二质量块的长度。
作为一种优选的技术方案，所述第一质量块的长度e1为5mm、宽度为15～20mm、高度h1为6.2～8.2mm；所述第二质量块的长度e2为7.5mm、宽度为15～20mm、高度为h2为16.5～18.2mm。
作为一种优选的技术方案，所述光纤两端用胶固定在L形基座侧臂顶部与第二质量块顶部，在固定之前施加有一定的预应力。
作为一种优选的技术方案，所述基座、第一柔性铰链、第一质量块、第二柔性铰链和第二质量块通过3D打印一体成型。
本发明的有益效果如下：
本发明的第一柔性铰链、第一质量块、第二柔性铰链和第二质量块连为一体，使加工简单，整体结构体积小，成本低，通过仿真实验可知，本发明主振方向谐振频率为690.87Hz，说明检波器具有较大的测量范围，横向干扰方向频率，为7151.3Hz，远大于主振方向频率，说明本发明具有较强的抗干扰能力，本发明在0～300Hz的频率范围内，灵敏度为40.3pm/g，说明在此频段具有高灵敏度，本发明的光纤采用两点封装的方式，有效避免啁啾。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的结构参数图。
图3是本发明受到加速度后的力学模型图。
图4是本发明实例1的主振方向频率图。
图5是本发明实例1的横向干扰方向频率图。
图6是本发明实例1在主振方向时，光纤上一点的位移与频率关系图。
其中：基座1；第一柔性铰链2；第二柔性铰链3；第一质量块4；第二质量块5；光栅6；光纤7。
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、2中，本实施例的串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器由基座1、第一柔性铰链2、第二柔性铰链3、第一质量块4、第二质量块5、光纤7连接构成。
L形的基座1侧臂内侧加工有第一柔性铰链2，第一柔性铰链2的端部加工有第一质量块4，第一质量块4上与第一柔性铰链2相对的另一侧加工有第二柔性铰链3，第二柔性铰链3的端部加工有第二质量块5，第一柔性铰链2、第一质量块4、第二柔性铰链3和第二质量块5连为一体且中心线重合呈悬空状态，第一柔性铰链2和第二柔性铰链3结构相同为椭圆型柔性铰链，长轴为2.5mm、短轴为1mm、凹口处最小厚度t为1mm，第一质量块4的重量＜第二质量块5的重量，第一质量块4和第二质量块5均为长方体结构，第一质量块4的长度e1为5mm、宽度20mm、高度h1为7mm，第二质量块5的长度e2为7.5mm、宽度20mm、高度h2为17mm，第一质量块4的顶部低于基座1的侧臂顶部，基座1侧臂顶部与第二质量块5顶部平齐，基座1侧臂顶部与第二质量块5顶部中心用胶固定有刻写光栅6的光纤7，光纤7在固定之前施加有一定的预应力，用于提高灵敏度，光栅6的栅区长度为10mm、中心波长为1551.787nm，光纤7的光栅6部分呈悬空状态。
本实施例的基座1、第一柔性铰链2、第一质量块4、第二柔性铰链3和第二质量块5通过3D打印一体成型。
本发明的工作原理如下：
外界加速度信号使第一质量块4和第二质量块5产生惯性力，从而使第一柔性铰链2和第二柔性铰链3敏感结构产生应变，带动光纤光栅产生轴向应变，导致光纤光栅中心波长发生变化，通过解调系统得到中心波长变化量，实现加速度信号的检测。而光纤光栅中心波长漂移量与应变的关系可以表示为:
Figure BDA0003719689160000051
其中，λB是光栅6的中心波长，ΔλB是中心波长漂移量，ε是光栅6的应变，Pe是光纤7的有效弹光系数。
在加速度信号作用下第一质量块4和第二质量块5在惯性力作用下绕第一柔性铰链2做微幅摆动，第二质量块5同时绕第二柔性铰链3做微幅摆动，如图3，整个检波器的动力学方程为：
Figure BDA0003719689160000052
θ是铰链转动角度，因此检波器的谐振频率为:
Figure BDA0003719689160000053
其中，J是整体质量对转动中心轴的转动惯量，kf是光纤的弹性刚度，Ks是柔性铰链的转动刚度，表示为：
Figure BDA0003719689160000054
其中，E是柔性铰链材料的弹性模量，ω是柔性铰链的厚度，t是柔性铰链凹口处的最小厚度，a是椭圆型柔性铰链的长轴，u是与柔性铰链短半轴和铰链凹口处最小厚度之比有关的参数。
光纤7的弹性刚度表示为：
Figure BDA0003719689160000061
其中，Ef是光纤7的弹性模量，Af是光纤7的横截面积，l是光纤7的有效长度。
惯性质量块受到外界激励从而使铰链转动时，光栅6的波长漂移量为：
Figure BDA0003719689160000062
a是外界加速度值，ξ为检波器的阻尼比，γ＝ω/ω0为检波器的频率比。
在工作平坦区，检波器的灵敏度表示为：
Figure BDA0003719689160000063
如图4～6所示为实施例1仿真结果。图4为检波器主振方向谐振频率，为690.87Hz，说明检波器具有较大的测量范围；图5为检波器横向干扰方向频率，为7151.3Hz，远大于主振方向频率，说明检波器具有较强的抗干扰能力。图6为主振方向振动时，光纤上一点位移与频率的关系图，计算可得，0～300Hz的平坦区内，检波器的灵敏度为40.3pm/g，说明检波器在此频段内具有较高的灵敏度。
实施例2
在本实施例中，L形的基座1侧臂内侧设置有第一柔性铰链2，第一柔性铰链2的端部加工有第一质量块4，第一质量块4上与第一柔性铰链2相对的另一侧加工有第二柔性铰链3，第二柔性铰链3的端部加工有第二质量块5，第一柔性铰链2和第二柔性铰链3结构相同为椭圆型柔性铰链，长轴为2mm，短轴为1mm，第一柔性铰链2和第二柔性铰链3凹口处最小厚度t为0.5mm，第一质量块4和第二质量块5均为长方体结构，第一质量块4的长度为5mm、宽度为15mm、高度为6.5mm，第二质量块5的长度为7.5mm、宽度为15mm、高度为16.5mm。其他零部件及零部件的连接关系、参数与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，L形的基座1侧臂内侧设置有第一柔性铰链2，第一柔性铰链2的端部加工有第一质量块4，第一质量块4上与第一柔性铰链2相对的另一侧加工有第二柔性铰链3，第二柔性铰链3的端部加工有第二质量块5，第一柔性铰链2和第二柔性铰链3结构相同为椭圆型柔性铰链，长轴为3mm，短轴为1.5mm，第一柔性铰链2和第二柔性铰链3凹口处最小厚度t为1.2mm，第一质量块4和第二质量块5均为长方体结构，第一质量块4的长度为5mm、宽度为18mm、高度为8.2mm，第二质量块5的长度为7.5mm、宽度为18mm、高度为18.2mm。其他零部件及零部件的连接关系、参数与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：L形的基座侧臂内侧设置有第一柔性铰链，第一柔性铰链的端部设置有第一质量块，第一质量块上与第一柔性铰链相对的另一侧设置有第二柔性铰链，第二柔性铰链的端部设置有第二质量块，第一柔性铰链、第一质量块、第二柔性铰链和第二质量块连为一体呈悬空状态，第一质量块的顶部低于基座的侧臂顶部，基座侧臂顶部与第二质量块顶部平齐，基座侧臂顶部与第二质量块顶部中心设置有刻写光栅的光纤，光纤上光栅部分呈悬空状态。
2.根据权利要求1所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述第一柔性铰链、第一质量块、第二柔性铰链和第二质量块的中心线重合。
3.根据权利要求1所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述第一柔性铰链和第二柔性铰链结构相同为椭圆型柔性铰链。
4.根据权利要求3所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的长轴为2～3mm、短轴1～1.5mm。
5.根据权利要求1～3所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述第一柔性铰链和第二柔性铰链凹口处最小厚度t为0.5～1.2mm。
6.根据权利要求1所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述第一质量块的重量＜第二质量块的重量，所述第一质量块和第二质量块均为长方体结构。
7.根据权利要求6所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述第一质量块与第二质量块的宽度均相等，所述第一质量块的高度＜第二质量块的高度，所述第一质量块的长度＜第二质量块的长度。
8.根据权利要求7所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述第一质量块的长度e1为5mm、宽度为15～20mm、高度h1为6.2～8.2mm；所述第二质量块的长度e2为7.5mm、宽度为15～20mm、高度为h2为16.5～18.2mm。
9.根据权利要求1所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述光纤两端用胶固定在L形基座侧臂顶部与第二质量块顶部，在固定之前施加有一定的预应力。
10.根据权利要求1所述串联柔性铰链式光纤光栅加速度地震检波器，其特征在于：所述基座、第一柔性铰链、第一质量块、第二柔性铰链和第二质量块通过3D打印一体成型。
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