CN202133785U - 一种光纤检波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光纤检波器，该光纤检波器包括：缠绕有传感臂光纤(50)和参考臂光纤(60)的支撑梁(20)；安装于支撑梁(20)两侧用于安装膜片(30)的端架(10)；安装于端架(10)上能够在外界振动信号激励下产生形变的膜片(30)；与膜片(30)一起在外界振动信号激励下振动，拉动传感臂光纤(50)产生形变的质量块(40)；以及用于使传感臂光纤(50)和参考臂光纤(60)中的光发生干涉的耦合器(70)。利用本实用新型，通过在支撑梁和质量块上缠绕光纤，并利用膜片作为弹性元件，有效地减小了光纤检波器的体积，通过利用膜片来限制质量块的振动方式，有效地减小了横向灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种光纤检波器。
背景技术
光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。
光纤检波器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，探测地表、地下、以及液体中的地震波信号的仪器。它与传统的压电类传感器相比，有以下主要优势：频带宽、声压灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。
鉴于光纤检波器的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。
曾楠等人(一种可用于油藏监测的3分量光纤加速度传感器，光电子·激光，第16卷第8期)、D.L.GARDNER等人(A fiber-opticinterferometric seismometer，Jour.Lightwave Tech.LT-5(7)，953-960，1987)都对光纤检波器进行了报道，其中的光纤检波器均是由一个质量块和一个顺变柱体构成，光纤缠绕在由橡胶等材料做成的顺变柱体上，质量块产生的惯性位移使顺变柱体发生形变，从而使光纤的长度发生变化。
另外一类光纤检波器采用膜片式结构，如王永杰等(盘片式光纤传感器灵敏度计算方法，光学学报27(08)：1387-1392)、Cranch等(High-responsivity fiber-optic flexural disk accelerometers，Jour.LightwaveTech.18(9)，2000)对膜片式加速度计进行了报道。该光纤检波器将光纤缠绕在膜片上，通过在加速度作用下膜片的变形带动光纤产生形变，从而引起光程差发生变化。
在上述技术方案中存在以下共同问题。首先，检波器体积较大，由于要制作顺变柱体或膜片，并留有一定的空间安装质量块等，传感器的体积不能做得很小，一般尺寸都要大于50mm×50mm×40mm。第二，横向灵敏度较大，由橡胶制作的顺变柱体很容易在横向振动下变形，膜片也有不可忽视的横向灵敏度。从目前报道的结果看很容易说明这个问题。第三，制作工艺复杂。顺变柱体类检波器的制作要经历模具设计、浇注、固化、缠绕光纤、组装等多个环节；而膜片类检波器将光纤缠绕在膜片上的难度也较大(王永杰，ZL 200610171659.9，一种光纤应变盘及其制作方法)，这些工艺难度将降低传感器的一致性。第四，上述各种技术方案的传感器单元均不适用于在水下工作的情况，尤其是在深水中当水压比较大的时候，顺变柱体受压变形将使其不能正常工作。虽然可以在检波器外面加耐压护罩，但这无疑增加了系统的复杂程度。
因此，如何减小传感器的体积，减小横向灵敏度的影响，降低制作工艺难度，并使传感器可以工作在陆地和水下是该类光纤检波器目前尚未解决的技术问题，而此类技术问题将很大程度上限制传感器的应用范围。
例如，在井下石油勘探作业中，井口直径不大于110mm，因此传感器的体积必须细小，以保证可以顺利安装于井下。又如，在石油勘探作业中应用时，为了获得清晰的地层剖面成像，一方面，要求检波器的横向灵敏度越低越好，这样才可以分辨不同方向的地震波信号；另一方面，要求检波器必须有很高的一致性。再如，当进行井下和海底石油勘探作业时，要求传感器能够耐静水压，在某些情况下，静水压可达80MPa以上。如上这些应用领域，都对地震检波器提出了苛刻的性能要求，这也是本实用新型提出的技术背景。
因此，本实用新型提出一种光纤检波器，用于在军事领域和石油勘探等民用领域的地震波勘探，重点解决传感器的体积、横向灵敏度、水下静压平衡等问题。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种光纤检波器，以解决传感器的体积、横向灵敏度、工艺难度及一致性、耐水下静压等问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本实用新型提供了一种光纤检波器，该光纤检波器包括：
缠绕有传感臂光纤50和参考臂光纤60的支撑梁20；
安装于支撑梁20两侧用于安装膜片30的端架10；
安装于端架10上能够在外界振动信号激励下产生形变的膜片30；
与膜片30一起在外界振动信号激励下振动，拉动传感臂光纤50产生形变的质量块40；以及
用于使传感臂光纤50和参考臂光纤60中的光发生干涉的耦合器70。
上述方案中，所述传感臂光纤50缠绕于支撑梁20和质量块40上，质量块40和膜片30在外界振动信号激励下，拉动传感臂光纤50产生光程变化。
上述方案中，所述参考臂光纤60缠绕于支撑梁20上，以提供参考光程。
上述方案中，所述支撑梁20为圆柱形，以便于缠绕光纤。
上述方案中，所述质量块40用于缠绕光纤的侧面为一圆柱面，以便于缠绕光纤。
上述方案中，所述膜片30被加工成不同的形状，以调整检波器的灵敏度和自振频率。所述膜片30中部开孔32，用于通过螺栓安装质量块40，膜片30端部开有孔31，用于与端架10通过螺钉安装。所述膜片30为三角形梁的形状，以增加灵敏度。
上述方案中，该光纤检波器通过端架10以螺纹或粘接的方式安装于一底座80上，并在底座80上通过螺栓或粘接安装一保护罩81。在所述保护罩81上开有孔82以引出耦合器70的尾纤71。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：
1、本实用新型提供的这种光纤检波器，通过在支撑梁和质量块上缠绕光纤，并利用膜片作为弹性元件，有效地减小了光纤检波器的体积。
2、本实用新型提供的这种光纤检波器，通过利用膜片来限制质量块的振动方式，有效地减小了横向灵敏度。
3、本实用新型提供的这种光纤检波器，没有采用橡胶等顺变柱体或膜片，而是采用光纤在构件上缠绕的方法，简化了结构设计，有效地降低了工艺难度，并提高了检波器的一致性。
4、本实用新型提供的这种光纤检波器，没有采用橡胶等易压缩的弹性体，除光纤外的主要部件均为金属机加工而成，具有天然的耐静压能力。
附图说明
图1为本实用新型提供的光纤检波器的结构图；
图2为本实用新型提供的光纤检波器的侧视图(剖视图)；
图3为本实用新型提供的光纤检波器的质量块40的示意图；
图4为本实用新型提供的光纤检波器的膜片30的示意图；
图5为本实用新型提供的光纤检波器带保护罩的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
请参照图1，该光纤检波器包括：缠绕有传感臂光纤50和参考臂光纤60的支撑梁20；安装于支撑梁20两侧用于安装膜片30的端架10；安装于端架10上能够在外界振动信号激励下产生形变的膜片30；与膜片30一起在外界振动信号激励下振动，拉动传感臂光纤50产生形变的质量块40；以及用于使传感臂光纤50和参考臂光纤60中的光发生干涉的耦合器70。
其中，传感臂光纤50缠绕于支撑梁20和质量块40上，质量块40和膜片30在外界振动信号激励下，拉动传感臂光纤50产生光程变化。参考臂光纤60缠绕于支撑梁20上，以提供参考光程。质量块40用于缠绕光纤的侧面为一圆柱面，以便于缠绕光纤。膜片30可被加工成不同的形状，以调整检波器的灵敏度和自振频率。所述膜片30中部开孔32，用于通过螺栓安装质量块40，膜片30端部开有孔31，用于与端架10通过螺钉安装。所述膜片30为三角形梁的形状，以增加灵敏度。
支撑梁20为圆柱形，以便于缠绕光纤；参考图3，质量块40一般可由一圆柱体沿母线方向加工出一平面41获得，所保留的圆柱面42为缠绕光纤方便一般大于半个圆柱面。缠绕光纤的侧面为一圆柱面42，以便于缠绕光纤。
参考图4，膜片30可加工成不同的形状，以调整检波器的灵敏度、自振频率等特性。在本实施例中，膜片30中部开孔32，用于通过螺栓安装质量块40；膜片30端部开孔31，用于和端架10通过螺钉安装。膜片30为三角形梁的形状，以增加灵敏度。
本实用新型提供的光纤检波器的工作原理为，检波器通过端架10以螺纹连接或粘接的方式安装于被测物体上。当有地震波信号时，质量块40在膜片30的约束下沿垂直于膜片的方向振动，从而带动缠绕在支撑梁20和质量块40上的传感臂光纤50产生应变，引起光程发生变化。传感臂光纤50中的光与参考臂光纤60中的光发生干涉后，干涉相位将随外界振动信号而变化，通过解调设备检测相位变化从而解调出地震波信号。
如图5所示，为了进一步保护光纤，可将本实用新型提供的光纤检波器通过端架10以螺纹或粘接的方式安装于一底座80上，并在底座80上安装一保护罩81，安装方式可为螺栓或粘接。在保护罩81上开孔82用于引出耦合器70的尾纤71。由于本实用新型提供的光纤检波器不含橡胶等弹性体材料，故具有天然的耐静压能力，可以工作在海底等深水高压区域，因此保护罩81的密封要求大大降低。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤检波器，其特征在于，该光纤检波器包括：
缠绕有传感臂光纤(50)和参考臂光纤(60)的支撑梁(20)；
安装于支撑梁(20)两侧用于安装膜片(30)的端架(10)；
安装于端架(10)上能够在外界振动信号激励下产生形变的膜片(30)；
与膜片(30)一起在外界振动信号激励下振动，拉动传感臂光纤(50)产生形变的质量块(40)；以及
用于使传感臂光纤(50)和参考臂光纤(60)中的光发生干涉的耦合器(70)。
2.根据权利要求1所述的光纤检波器，其特征在于，所述传感臂光纤(50)缠绕于支撑梁(20)和质量块(40)上，质量块(40)和膜片(30)在外界振动信号激励下，拉动传感臂光纤(50)产生光程变化。
3.根据权利要求1所述的光纤检波器，其特征在于，所述参考臂光纤(60)缠绕于支撑梁(20)上，以提供参考光程。
4.根据权利要求1所述的光纤检波器，其特征在于，所述支撑梁(20)为圆柱形，以便于缠绕光纤。
5.根据权利要求1所述的光纤检波器，其特征在于，所述质量块(40)用于缠绕光纤的侧面为一圆柱面，以便于缠绕光纤。
6.根据权利要求1所述的光纤检波器，其特征在于，所述膜片(30)被加工成不同的形状，以调整检波器的灵敏度和自振频率。
7.根据权利要求6所述的光纤检波器，其特征在于，所述膜片(30)中部开孔(32)，用于通过螺栓安装质量块(40)，膜片(30)端部开有孔(31)，用于与端架(10)通过螺钉安装。
8.根据权利要求6所述的光纤检波器，其特征在于，所述膜片(30)为三角形梁的形状，以增加灵敏度。
9.根据权利要求1所述的光纤检波器，其特征在于，该光纤检波器通过端架(10)以螺纹或粘接的方式安装于一底座(80)上，并在底座(80)上通过螺栓或粘接安装一保护罩(81)。
10.根据权利要求9所述的光纤检波器，其特征在于，在所述保护罩(81)上开有孔(82)以引出耦合器(70)的尾纤(71)。
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|---|---|---|---|---|
| CN102353982A (zh) * | 2011-07-12 | 2012-02-15 | 中国科学院半导体研究所 | 推挽式光纤检波器 |
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