CN1896700B - 纤维光学地震传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有测试体(110)的纤维光学地震传感器(100)，其特征在于，测试体(110)包括几个独立的盘(113、114、115、116)，其围绕着传感器的量测轴方向分布，和第一星形元件(120)、第二星形元件(130)，其设置于盘(113、114、115、116)的两侧，并与该盘(113、114、115、116)机械连接。

Description

纤维光学地震传感器 
技术领域
本发明涉及纤维光学地震传感器(fiber-optic seismic sensor)领域。 
更具体地，本发明涉及基于弹性张力结构的高灵敏度的纤维光学地震传感器。 
本发明特别地涉及纤维光学地震传感器，其是振动传感器(vibrationsensor)，例如加速度计(accelerometer)。 
本发明特别是应用于石油勘探领域，并可用于任何使用地震传感器(seismic sensor)的领域。 
背景技术
本领域技术人员熟知纤维光学地震传感器有很多不同类型。 
纤维光学地震传感器使用干涉测量法来解释施加于光纤的微扰(压力，震动)，该微扰对应一个待测量。由于这些待测量的影响，光纤的某些性质(指数和长度)发生变化。光纤这些性质的改变造成在其中传播的光学信号的传播时间发生变化。通过干涉测量法来解释光学信号的传播时间的变化，便可以表示待测的微扰量。 
某些基于测量应变和/或光纤的指数变化的纤维光学地震传感器由光纤制成，该光纤直接或间接通过一种测试体对待测量敏感并受待测量影响。 
本领域技术人员提出过多种将待测量的影响传输到该光纤的测试体。文献US 5369485公开了一种纤维光学地震传感器，包括一对敏感的光纤，其中每条光纤都以扁平的螺旋形分别固定在一个盘上。这些形成测试体的盘都是有弹性的，因此可以通过其应变将待测量传输到该光纤对。在该类型的地震传感器中，直接固定在该测试体(盘)上的光纤所产生的应变与测试体产生的应变直接相关，而且可以证明并不是很灵敏的。因此人们提出了具有更高灵敏度的纤维光学地震传感器。 
这些非常灵敏的纤维光学地震传感器通常由一种测试体形成，该测试体形成一种弹性张力结构。这种弹性张力结构包括第一部件，其经受待测量支配，和第二部件，其连接到第一部件并直接与光纤接触。 
文献US 6 049 511公开了一种纤维光学地震传感器，更确切地说，是一种水听器(声学压力传感器)，其中测试体的弹性张力结构使力被放大。作用于形成该结构的第一部件表面的压力，将其所受应力传输到该结构的第二部件，第二部件通过一个支撑点大致与第一部件垂直。直接接触光纤的第二部件偏离支撑点时，不发生任何位移和进一步的形变。 
文献WO 2004/042425公开了一种纤维光学地震传感器，更确切地说，是一种振动传感器(或加速度计)，其中测试体的弹性张力结构可以对力进行放大。该结构的受到待测量作用的第一部件包括一个椭圆形元件。沿着椭圆形元件短轴作用的量被传输到该结构的第二部件，该第二部件包括两个圆形元件，分别设置在椭圆形元件的长轴两侧。这样，这种振动传感器按照椭圆形元件长轴和短轴的长度比来放大待测量的作用力。由此产生的放大的力在光纤内产生更大的应力，因此得到更高的灵敏度。 
因此，基于弹性张力结构的纤维光学地震传感器能提高沿传感器的量测轴方向的灵敏度。然而，对于振动传感器，提出的大量结构显示出不希望有的、除了沿传感器的量测轴方向以外、沿轴方向的副振荡模式(spurious vibration modes)。 
因为需要高灵敏的纤维光学地震传感器，因此目前的纤维光学地震传感器、压力传感器和振动传感器必须改良。特别对于振动传感器，现在需要一种对于副振荡模式(spurious vibration modes)更加不灵敏的传感器。 
发明内容
本发明提供了一种具有测试体的纤维光学地震传感器，解决了上述问题，其特征在于，该测试体包括几个独立的盘，围绕着传感器的量测轴方向分布，和第一星形元件、第二星形元件，其设置于盘的两侧，与该盘机械地连接。 
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点通过参照附图对于实施例的描述变得清楚，但其并不构成对本发明的限制。 
图1是根据本发明的一种纤维光学地震传感器的立体图； 
图2是图1中纤维光学地震传感器的剖面图； 
图3是本发明的纤维光学地震传感器所用的星形元件的示意图，对应图2的剖面图； 
图4是根据本发明的一种纤维光学地震传感器的剖面图，其具有附加弹簧。 
具体实施方式
图1和2分别以立体图和剖面图(A-A剖面)显示本发明纤维光学地震传感器100的优选实施例。该光学地震传感器100包括剖面大致呈圆形的底座101。底座101的宽度保证光学地震传感器100的良好稳定性，且优选大于测试体110的宽度。 
测试体110优选为围绕轴Z(即传感器的量测轴)的轴对称体。测试体110包括震动块111，盘113、114、115、116，以及第一星形元件120、第二星形元件130，测量体110的震动块111大致呈圆柱形，盘113、114、115、116彼此独立且围绕震动块111分布，也因此围绕传感器量测轴方向分布，第一星形元件120固定于盘113、114、115、116的上表面，第二星形元件130与第一星形元件120形状相似，固定于盘113、114、115、116的下表面。 
第一星形元件120由称为顶板的板121和称为上薄片的薄片122、123、124、125构成，第一星形元件120通过薄片固定在盘113、114、115、116上。相似地，第二星形元件130由称为底板的板131和称为下薄片的薄片132、133、135构成，下薄片和上薄片的数量相等(图2中只能见到三块下薄片)，第二星形元件130通过薄片固定在盘113、114、115、116上。因此，盘113、114、115、116通过设置在盘两侧(下部和上部)的第一星形元件120、第二星形元件130而机械地连接在一起。由图2可见，盘116和下薄片135不在剖面A-A内，因此用阴影表示。 
第一星形元件120将震动块111分别与盘113、114、115、116的上表面机械地连接。更确切地说，第一星形元件120将震动块111的上表面分别与盘113、114、115、116的上表面机械地连接。为此，可以用任何 合适的方式将顶板121固定到震动块111上。 
相似地，第二星形元件130将盘113、114、115、116的下表面与底座101机械地连接。更确切地说，可以用任何合适的方式将底板131和底座101固定在一起。 
用任何合适的方式可将上薄片122、123、124、125和下薄片132、133、135(图中未示的下薄片)分别固定到盘113、114、115、116的上下表面。一个非限制性的例子是，可以提供螺钉141、142、143、144，在其下端有螺纹以结合螺母145、146。 
盘113、114、115、116和震动块111不直接接触，因此底座探测到的轴向震动(即沿着传感器量测轴方向的震动)通过下薄片132、133和上薄片122、123、124、125被横向传输到盘113、114、115、116。 
每个盘113、114、115、116的在传感器径向的外表面113a、114a、115a、116a是圆形的。光纤200缠绕盘113、114、115、116，更确切地说，是与外表面113a、114a、115a、116a接触。这些径向外表面113a、114a、115a、116a的圆形状使光纤200由于缠绕而应力最小化，也使光损失最小化。盘113、114、115、116所选用的材料的性质以及表面的粗糙度也使光纤的应力和光损失最小化。优选地，径向外表面113a、114a、115a、116a是半圆形的，盘113、114、115、116的径向内表面平坦，于是每个盘形成半圆柱体。 
图3是元件120沿剖面A-A的示意图。在该剖面图中，可以看到元件120的两个上薄片122和123、以及顶板121。更确切地说，薄片122、123包括固定到一个盘上的水平的第一部分(是垂直于传感器量测轴方向的部件，因此垂直于Z轴)，以及倾斜的第二部分(或斜面)，与水平方向的夹角为A，该部分连接板121和水平的第一部分。 
当向顶板121施加垂直于顶板121的力Fa，薄片将力Fa分解为水平分力Fb，该力的作用点分别位于固定薄片122、123的螺钉141、142处。力Fb/Fa的比与长度b/a成比例。长度a和b分别为假想的直角三角形P1P2P3的顶点P2的两条边P2P3和P1P2的长度，该三角形的斜边正是薄片123的相对水平面倾斜的部分。所选的b/a的比例提供了一种力的放大，也就是说当b/a＞1，则加大了光纤200中的应力。换句话说，选择比例b/a＞1就相 当于倾角A小于45°。 
在振动传感器中，当测试体110受到来自底座101的简正振动时，在震动块111和底座101之间发生相对位移。底座101和震动块111之间的相对位移的主要分量是沿Z轴的移动(传感器的量测轴)，使盘113、114、115、116更容易沿径向互相靠近或分开，从而使光纤200形变。然而，除了主要的震动模式还有其它的震动模式，即横向震动模式，其可以证明是有问题的。 
第一星形元件120、第二星形元件130中所含的薄片数量不限于图1到4所示的四个。在本发明的范围内，在第一星形元件120、第二星形元件130上完全可以有两个到无数个薄片，其围绕测试体内的传感器的量测轴(Z轴)分布。优选地，薄片(如盘一样)围绕传感器的量测轴均匀分布，也就是说它们之间的间隔角相等，分隔两个连续的薄片(或盘)的角等于2π/n，n是星形元件的薄片的数量(或盘的数量)。然而，可以想象薄片(如盘一样)围绕传感器的量测轴不是均匀分布。 
然而，事实上第一星形元件120、第二星形元件130所需的薄片数量至少是四个，这样传感器的副振荡模式对主要的震动模式(其沿着传感器的量测轴，即Z轴)中所做的测量质量的影响很小。 
通常，当使用第一星形元件120、第二星形元件130时，薄片数量n越大，传感器就越对称，传感器对副振荡模式也就越不灵敏。对于振动传感器而言，这样传感器只响应于主要的震动模式，该模式是要测量的模式。 
通常，当使用第一星形元件120、第二星形元件130时，薄片数量n越大，光纤200的应力也越大(对于同样的力而言)，因此提高了地震传感器的灵敏度。此外，薄片数量越大，盘之间的距离越近。这有助于光纤200的缠绕，使其更容易在光纤200的全长上施加恒定的预拉伸力。 
图4显示了能提高传感器横向不敏感度的设备。图4是本发明的一种振动传感器的剖面图，其中能提高传感器横向不敏感度的设备是附加弹簧410、420。特别地，对于一个振动传感器，可以想象在震动块111的底座处安设一个第一附加弹簧410和/或在震动块111上面安设一个第二附加弹簧420。 
更确切地说，大致圆形的第一附加弹簧410在中心区411处固定到传 感器的底座101。第一附加弹簧410的中心区411不和震动块111接触，为此在震动块111中设有空腔112。然而，弹簧410的周缘412与震动块111固定。震动块111和第一附加弹簧410只在弹簧410的周缘412处接触。 
第二附加弹簧420只在中心区421处与第一星形元件120的顶板121固定，该元件120本身与震动块111固定。弹簧420只通过周缘422处与盘104固定，该盘与传感器底座101构成一个整体。 
这些弹簧410和/或420沿着传感器的量测轴(Z轴)方向引导测试体110，因此提高了传感器的横向不敏感度。这是由于这些弹簧在某个方向(在这里是传感器的量测轴方向)的硬度低，而由于其呈近似圆形，所以在所有其它的径向方向上具有高硬度。 
当测量体110受到来自底座101的简正振动时，在震动块111和底座101之间发生的相对位移不受附加弹簧410，420的影响，这些弹簧在传感器的量测轴方向上的硬度低。然而，当测量体110经受横向振荡，也就是指震动方向与传感器的量测轴方向不同，附加弹簧410，420的任务就是提供径向硬度，使震动块111的横向位移最小化。结果，光纤在横向振荡时，长度变化很小或不发生变化。 
由于降低了横向振荡模式的影响，从而防止了横穿量测轴方向的副振荡被传输到震动块111。 
使用这些弹簧时，振动传感器必须提供一个盖子。实施本发明时并不一定要使用上述弹簧。另外，若没有弹簧410，420，振动传感器可以具有盖子，也可以没有。 
通常，在用于地震测量时，本发明的振动传感器是一种加速度计。 

Claims (13)

1.一种具有测试体(110)的纤维光学地震传感器(100)，其特征在于，测试体(110)包括几个独立的盘(113、114、115、116)，其围绕所述传感器的量测轴方向分布，和第一星形元件(120)、第二星形元件(130)，其设置于所述盘(113、114、115、116)的两侧，与所述盘(113、114、115、116)机械连接；
所述第一星形元件(120)由顶板(121)和几块上薄片(122、123、124、125)构成，所述顶板与震动块(111)的上表面机械连接，每块所述上薄片分别固定在所述盘(113、114、115、116)的上表面上；
所述第二星形元件(130)由底板(131)和几块下薄片(132、133、135)构成，所述底板与底座(101)的下表面机械连接，每块所述下薄片分别固定在所述盘(113、114、115、116)的下表面上。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，包括在所述传感器(100)中的光纤(200)缠绕在所述盘(113、114、115、116)上。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述上薄片(122、123、124、125)和下薄片(132、133、135)均包括斜面，所述斜面与水平方向的夹角A小于45°。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述盘(113、114、115、116)具有径向的圆形外表面(113a、114a、115a、116a)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述盘(113、114、115、116)形成半圆柱形。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述盘(113、114、115、116)围绕着所述震动块(111)设置。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述震动块(111)形状为圆柱形，所述圆柱形的轴与所述传感器量测轴重合。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述盘(113、114、115、116)围绕量测轴方向以相等间隔角设置。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，其包括第一附加弹簧(410)，其位于所述震动块(111)的底座处，而且只通过其周缘(412)与所述震动块(111)接触，以及只通过中心区(411)与所述底座(101)接触并借此固定在所述底座(101)上。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，其包括第二附加弹簧(420)，其位于所述震动块(111)的顶部，而且只在其中心区(421)固定到所述震动块(111)，并在其周缘(422)固定到盖子(104)，所述盖子与底座(101)构成一个整体。
11.根据权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述第二附加弹簧(420)被固定到所述第一星形元件(120)的顶板(121)，所述第二附加弹簧(420)、顶板(121)和震动块(111)被固定在一起。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，其是一种振动传感器。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于，其是一种加速度计。
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