CN208367227U - 二轴光纤传感地震波检波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种二轴光纤传感地震波检波器，涉及光纤传感技术领域，其包括窄线宽激光器、X轴光电探测器、Y轴光电探测器、第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、第三3dB耦合器、第四3dB耦合器、第五3dB耦合器，还包括质量体，该质量体的四周分别连接有第一螺旋环形光纤、第二螺旋环形光纤、第三螺旋环形光纤和第四螺旋环形光纤。本实用新型不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在超前预报、石油勘测等方面应用前景十分广阔。

Description

二轴光纤传感地震波检波器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体来讲是一种二轴光纤传感地震波检波器。

背景技术

随着地震勘探技术的发展，特别是高分辨率勘探的深入，对地震勘探数据采集的精度和质量要求也越来越高，要求采集数据具有宽频、高保真、高信噪比、高动态，以便更好地识别地质结构、岩性、流体、裂缝油藏，改进油藏定位、储集特征、油藏连通性的描述和提高采收率等。作为野外数据采集关键的部件之一的地震检波器，其性能的好与坏，将直接关系到采集数据质量和地质分析的效果。

在常规反射地震勘探中，接收地震有效波的频率范围一般在3Hz～300Hz之间，并要求传感器在此频率范围内对振动的相位和振幅响应是线性的、稳定的。在目前地震勘探领域使用的检波器中，从工作原理来讲可分为电磁感应式检波器、压敏检波器和数字传感器或叫数字检波器，目前，用量最大的是电磁感应式检波器，这其中还可分常规检波器和超级检波器等。

电磁感应原理是利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上，组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与检波器外壳固定在一起。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动，两线圈产生感应电动势，随着检波器外壳振动的大小变化，感应电动势也随之变化，速度越大，感应电势也大，检波器震动时，在检波器的输出端输出相应的电信号，传输给地震仪器。两个线圈的接法应满足：在绕制线圈时，一个线圈正绕另一线圈反绕，并把上线圈的终端与下线圈的起端联在一起(反向连接)，把上下线圈的另外两个端头做为输出端。当线圈相对磁钢运动时，由于两线圈的磁场方向相反，所以连接的两线圈的感应电势是同向相加的。对于外界磁场干扰，反向连接的两线圈的感应电势是反向抵消的，这样就提高了抗干扰能力。

电磁感应式检波器的永磁体由于受温度、地磁影响大、易氧化且磁场不稳定，地震检波器的灵敏度低、稳定性及重复性差。现场工作量大，自然频率选择较多、需要大量的检波器组合，排列复杂，强度大。实际的探测工作中,地质勘探人员需要携带大量的测量器材，特别是布设探测器阵列时，沉重的电缆和众多的探测器令人不堪负荷。而探测地点又常在深山大林之中，工作量大，同时,检波器电缆易受外界电磁场的干扰，影响数据的可靠性。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种二轴光纤传感地震波检波器，不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在超前预报、石油勘测等方面应用前景十分广阔。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：一种二轴光纤传感地震波检波器，包括窄线宽激光器、X轴光电探测器、Y轴光电探测器、第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、第三3dB耦合器、第四3dB耦合器、第五3dB耦合器，其中，第一3dB耦合器的输入端通过第一光纤与窄线宽激光器连接；第二3dB耦合器的输入端通过第二光纤与第一3dB耦合器的一输出端连接；第三3dB耦合器的输入端通过第三光纤与第一3dB耦合器的另一输出端连接；第四3dB耦合器的输出端通过第四光纤与X轴光电探测器连接；第五3dB耦合器的输出端通过第五光纤与Y轴光电探测器连接；还包括质量体，该质量体的四周分别连接有第一螺旋环形光纤、第二螺旋环形光纤、第三螺旋环形光纤和第四螺旋环形光纤，且第一螺旋环形光纤和第三螺旋环形光纤沿X轴方向设置，第二螺旋环形光纤和第四螺旋环形光纤沿Y轴方向设置；所述第二3dB耦合器的一输出端通过第六光纤与第三螺旋环形光纤的输入端连接，第二3dB耦合器的另一输出端通过第七光纤与第一螺旋环形光纤的输入端连接；所述第三3dB耦合器的一输出端通过第八光纤与第四螺旋环形光纤的输入端连接，第三3dB耦合器的另一输出端通过第九光纤与第二螺旋环形光纤的输入端连接；所述第四3dB耦合器的一输入端通过第十光纤与第三螺旋环形光纤的输出端连接，所述第四3dB耦合器的另一输入端通过第十一光纤与第一螺旋环形光纤的输出端连接；所述第五3dB耦合器的一输入端通过第十二光纤与第四螺旋环形光纤的输出端连接，所述第五3dB耦合器的另一输入端通过第十三光纤与第二螺旋环形光纤的输出端连接。

在上述技术方案的基础上，还包括不锈钢桶形外壳，该不锈钢桶形外壳的内部为真空，所述质量体、第一螺旋环形光纤、第二螺旋环形光纤、第三螺旋环形光纤和第四螺旋环形光纤均封装于不锈钢桶形外壳内。

在上述技术方案的基础上，所述不锈钢桶形外壳的四周分别设置有第一保护护套、第二保护护套、第三保护护套和第四保护护套；所述第一螺旋环形光纤的输入端和输出端均穿入第一保护护套内，分别与第七光纤和第十一光纤连接；所述第二螺旋环形光纤的输入端和输出端均穿入第二保护护套内，分别与第九光纤和第十三光纤连接；所述第三螺旋环形光纤的输入端和输出端均穿入第三保护护套内，分别与第六光纤和第十光纤连接；所述第四螺旋环形光纤的输入端和输出端均穿入第四保护护套内，分别与第八光纤和第十二光纤连接。

在上述技术方案的基础上，所述质量体为具有中心空腔的球体。

在上述技术方案的基础上，所述第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤、第九光纤、第十光纤、第十一光纤、第十二光纤和第十三光纤均为单模光纤。

在上述技术方案的基础上，所述窄线宽激光器用于发出波长为1550nm的40毫瓦连续激光。

在上述技术方案的基础上，所述第二光纤和第三光纤的内部光功率均是20毫瓦。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型采用马赫曾德光纤干涉原理，设计地震波加速度传感器，传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。随着光电科技的飞速发展，光纤干涉地震传感器己成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，并在传感器应用中占据着重要的地位，其中在非接触式测量领域更是扮演者无法替代的角色。光电传感器工作时，光电器件负责将光能(红外辐射、可见光及紫外辐射)信号转换为电学信号。这种传感器不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在超前预报、石油勘测等方面应用前景十分广阔。

附图说明

图1为本实用新型实施例中二轴光纤传感地震波检波器的结构示意图。

附图标记：

1-第一螺旋环形光纤；2-第二螺旋环形光纤；3-第三螺旋环形光纤；4-第四螺旋环形光纤；5-窄线宽激光器；6-第一光纤；7-第一3dB耦合器；8-第二光纤；9-第三光纤；10-第二3dB耦合器；11-第六光纤；12-第三保护护套；13-第七光纤；14-不锈钢桶形外壳；15-第四保护护套；16-第三3dB耦合器；17-第八光纤；18-第十光纤；19-第九光纤；20-第四3dB耦合器；21-第十一光纤；22-第一保护护套；23-质量体；25-第二保护护套；26-第十三光纤；27-第五3dB耦合器；28-第五光纤；29-第十二光纤；30-第四光纤；31-X轴光电探测器；32-Y轴光电探测器。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本实用新型描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下面结合说明书的附图，通过对本实用新型的具体实施方式作进一步的描述，使本实用新型的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

参见图1所示，本实用新型实施例提供了一种二轴光纤传感地震波检波器，包括窄线宽激光器5、X轴光电探测器31、Y轴光电探测器32、第一3dB耦合器7、第二3dB耦合器10、第三3dB耦合器16、第四3dB耦合器20、第五3dB耦合器27，其中，第一3dB耦合器7的输入端通过第一光纤6与窄线宽激光器5连接；第二3dB耦合器10的输入端通过第二光纤8与第一3dB耦合器7的一输出端连接；第三3dB耦合器16的输入端通过第三光纤9与第一3dB耦合器7的另一输出端连接；第四3dB耦合器20的输出端通过第四光纤30与X轴光电探测器31连接；第五3dB耦合器27的输出端通过第五光纤28与Y轴光电探测器32连接；还包括质量体23，该质量体23的四周分别连接有第一螺旋环形光纤1、第二螺旋环形光纤2、第三螺旋环形光纤3和第四螺旋环形光纤4，且第一螺旋环形光纤1和第三螺旋环形光纤3沿X轴方向设置，第二螺旋环形光纤2和第四螺旋环形光纤4沿Y轴方向设置；具体的，质量体23为具有中心空腔的球体。质量体23感知X方向和Y方向地震信号，第一螺旋环形光纤1和第三螺旋环形光纤3组成马赫曾德干涉仪的两个差动光臂，采用第二3dB耦合器10和第四3dB耦合器20连接，主要感知水平方向的地震波；第二螺旋环形光纤2、和第四螺旋环形光纤4组成马赫曾德干涉仪的两个差动光臂，采用第三3dB耦合器16和第五3dB耦合器27连接，主要感知垂直方向的地震波。

第二3dB耦合器10的一输出端通过第六光纤11与第三螺旋环形光纤3的输入端连接，第二3dB耦合器10的另一输出端通过第七光纤13与第一螺旋环形光纤1的输入端连接；

第三3dB耦合器16的一输出端通过第八光纤17与第四螺旋环形光纤4的输入端连接，第三3dB耦合器16的另一输出端通过第九光纤19与第二螺旋环形光纤2的输入端连接；

第四3dB耦合器20的一输入端通过第十光纤18与第三螺旋环形光纤3的输出端连接，第四3dB耦合器20的另一输入端通过第十一光纤21与第一螺旋环形光纤1的输出端连接；

第五3dB耦合器27的一输入端通过第十二光纤29与第四螺旋环形光纤4的输出端连接，第五3dB耦合器27的另一输入端通过第十三光纤26与第二螺旋环形光纤2的输出端连接。

第一螺旋环形光纤1、第二螺旋环形光纤2、第三螺旋环形光纤3、第四螺旋环形光纤4和质量体23构成马赫曾德干涉仪传感器，微弱振动信号会使质量体23产生滑移运动，拉伸或压缩第一螺旋环形光纤1、第二螺旋环形光纤2、第三螺旋环形光纤3、第四螺旋环形光纤4产生往复微运动，马赫曾德干涉仪会产生干涉信号。

具体的，还包括不锈钢桶形外壳14，该不锈钢桶形外壳14的内部为真空，质量体23、第一螺旋环形光纤1、第二螺旋环形光纤2、第三螺旋环形光纤3和第四螺旋环形光纤4均封装于不锈钢桶形外壳14内，在传感器内部进行隔离。

具体的，不锈钢桶形外壳14的四周分别设置有第一保护护套22、第二保护护套25、第三保护护套12和第四保护护套15；

第一螺旋环形光纤1的输入端和输出端均穿入第一保护护套22内，分别与第七光纤13和第十一光纤21连接；

第二螺旋环形光纤2的输入端和输出端均穿入第二保护护套25内，分别与第九光纤19和第十三光纤26连接；

第三螺旋环形光纤3的输入端和输出端均穿入第三保护护套12内，分别与第六光纤11和第十光纤18连接；

第四螺旋环形光纤4的输入端和输出端均穿入第四保护护套15内，分别与第八光纤17和第十二光纤29连接。

具体的，第一光纤6、第二光纤8、第三光纤9、第四光纤30、第五光纤28、第六光纤11、第七光纤13、第八光纤17、第九光纤19、第十光纤18、第十一光纤21、第十二光纤29、第十三光纤26、第一螺旋环形光纤1、第二螺旋环形光纤2、第三螺旋环形光纤3和第四螺旋环形光纤4均为单模光纤。

具体的，窄线宽激光器5用于发出波长为1550nm的40毫瓦连续激光。具体的，第二光纤8和第三光纤9的内部光功率均是20毫瓦。

本实用新型的工作原理为：

窄线宽激光器5发出波长为1550nm的40毫瓦连续激光进入第一光纤6，第一光纤6内部的连续激光进入第一3dB耦合器7以后产生分束，分出功率各50％的激光，进入第二光纤8和第三光纤9，第二光纤8和第三光纤9内部光功率是20毫瓦。

第二光纤8与第二3dB耦合器10连接，激光输入到第二3dB耦合器10，第二3dB耦合器10与第四3dB耦合器20构成一对马赫曾德干涉仪，用来感知X轴的地震波，干涉仪的一个光臂是由第六光纤11，第三螺旋环形光纤3以及第十光纤18构成；干涉仪的另一个光臂是由第七光纤13，第一螺旋环形光纤1以及第十一光纤21构成；第一螺旋环形光纤1和第三螺旋环形光纤3构成差动干涉光臂，即当第一螺旋环形光纤1受拉伸时，第三螺旋环形光纤3受压缩，反之亦然。连续窄线宽激光通过第二3dB耦合器10分束，经过参考光臂和传感光臂进入第四3dB耦合器20，微弱地震信号使第一螺旋环形光纤1和第三螺旋环形光纤3产生形变，激光汇聚第四3dB耦合器20会产生干涉，干涉光通过第四光纤30传输到X轴光电探测器31，将光学信号转换成电信号输出。

第三光纤9与第三3dB耦合器16连接，激光输入到第三3dB耦合器16，第三3dB耦合器16与第五3dB耦合器27构成一对马赫曾德干涉仪，用来感知Y轴的地震波，干涉仪的一个光臂是由第八光纤17，第四螺旋环形光纤4以及第十二光纤29构成；干涉仪的另一个光臂是由第九光纤19，第二螺旋环形光纤2以及第十三光纤26构成；第二螺旋环形光纤2和第四螺旋环形光纤4构成差动干涉光臂，即当第二螺旋环形光纤2受拉伸时，第四螺旋环形光纤4受压缩，反之亦然。连续窄线宽激光通过第三3dB耦合器16分束，经过参考光臂和传感光臂进入第五3dB耦合器27，微弱地震信号使第二螺旋环形光纤2和第四螺旋环形光纤4产生形变，激光汇聚第五3dB耦合器27会产生干涉，干涉光通过第五光纤28传输到Y轴光电探测器32，将光学信号转换成电信号输出。

地震波与XY轴存在夹角时，X轴光电探测器31和Y轴光电探测器32都会有电压输出。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“优选地”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点，包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中，在本说明书中对于上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或者示例中以合适方式结合。

本实用新型不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种二轴光纤传感地震波检波器，包括窄线宽激光器(5)、X轴光电探测器(31)、Y轴光电探测器(32)、第一3dB耦合器(7)、第二3dB耦合器(10)、第三3dB耦合器(16)、第四3dB耦合器(20)、第五3dB耦合器(27)，其中，第一3dB耦合器(7)的输入端通过第一光纤(6)与窄线宽激光器(5)连接；第二3dB耦合器(10)的输入端通过第二光纤(8)与第一3dB耦合器(7)的一输出端连接；第三3dB耦合器(16)的输入端通过第三光纤(9)与第一3dB耦合器(7)的另一输出端连接；第四3dB耦合器(20)的输出端通过第四光纤(30)与X轴光电探测器(31)连接；第五3dB耦合器(27)的输出端通过第五光纤(28)与Y轴光电探测器(32)连接；其特征在于：还包括质量体(23)，该质量体(23)的四周分别连接有第一螺旋环形光纤(1)、第二螺旋环形光纤(2)、第三螺旋环形光纤(3)和第四螺旋环形光纤(4)，且第一螺旋环形光纤(1)和第三螺旋环形光纤(3)沿X轴方向设置，第二螺旋环形光纤(2)和第四螺旋环形光纤(4)沿Y轴方向设置；

所述第二3dB耦合器(10)的一输出端通过第六光纤(11)与第三螺旋环形光纤(3)的输入端连接，第二3dB耦合器(10)的另一输出端通过第七光纤(13)与第一螺旋环形光纤(1)的输入端连接；

所述第三3dB耦合器(16)的一输出端通过第八光纤(17)与第四螺旋环形光纤(4)的输入端连接，第三3dB耦合器(16)的另一输出端通过第九光纤(19)与第二螺旋环形光纤(2)的输入端连接；

所述第四3dB耦合器(20)的一输入端通过第十光纤(18)与第三螺旋环形光纤(3)的输出端连接，所述第四3dB耦合器(20)的另一输入端通过第十一光纤(21)与第一螺旋环形光纤(1)的输出端连接；

所述第五3dB耦合器(27)的一输入端通过第十二光纤(29)与第四螺旋环形光纤(4)的输出端连接，所述第五3dB耦合器(27)的另一输入端通过第十三光纤(26)与第二螺旋环形光纤(2)的输出端连接。

2.如权利要求1所述的二轴光纤传感地震波检波器，其特征在于：还包括不锈钢桶形外壳(14)，该不锈钢桶形外壳(14)的内部为真空，所述质量体(23)、第一螺旋环形光纤(1)、第二螺旋环形光纤(2)、第三螺旋环形光纤(3)和第四螺旋环形光纤(4)均封装于不锈钢桶形外壳(14)内。

3.如权利要求2所述的二轴光纤传感地震波检波器，其特征在于：所述不锈钢桶形外壳(14)的四周分别设置有第一保护护套(22)、第二保护护套(25)、第三保护护套(12)和第四保护护套(15)；

所述第一螺旋环形光纤(1)的输入端和输出端均穿入第一保护护套(22)内，分别与第七光纤(13)和第十一光纤(21)连接；

所述第二螺旋环形光纤(2)的输入端和输出端均穿入第二保护护套(25)内，分别与第九光纤(19)和第十三光纤(26)连接；

所述第三螺旋环形光纤(3)的输入端和输出端均穿入第三保护护套(12)内，分别与第六光纤(11)和第十光纤(18)连接；

所述第四螺旋环形光纤(4)的输入端和输出端均穿入第四保护护套(15)内，分别与第八光纤(17)和第十二光纤(29)连接。

4.如权利要求1所述的二轴光纤传感地震波检波器，其特征在于：所述质量体(23)为具有中心空腔的球体。

5.如权利要求1所述的二轴光纤传感地震波检波器，其特征在于：所述第一光纤(6)、第二光纤(8)、第三光纤(9)、第四光纤(30)、第五光纤(28)、第六光纤(11)、第七光纤(13)、第八光纤(17)、第九光纤(19)、第十光纤(18)、第十一光纤(21)、第十二光纤(29)和第十三光纤(26)均为单模光纤。

6.如权利要求1所述的二轴光纤传感地震波检波器，其特征在于：所述窄线宽激光器(5)用于发出波长为1550nm的40毫瓦连续激光。

7.如权利要求1所述的二轴光纤传感地震波检波器，其特征在于：所述第二光纤(8)和第三光纤(9)的内部光功率均是20毫瓦。