CN208968667U - 一种准分布式声波探测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种准分布式声波探测传感器，包括外涂层，包裹在所述外涂层之中的单模光纤，以及设置在所述单模光纤之中的数量可以多达5000个的多个声波传感器，其中声波传感器之间的距离为1‑10米。本实用新型结构光纤可以用于井下声波振动探测领域，有效的解决了以往地面探测精度低、噪音大、精度低的问题。光纤声波传感器的数量可以从可以布满整个井筒，没有盲区测试时不用提升传感器重复放炮，减少经济成本。系统精度高，可以适用于井下微地震录井，用于长期监测井下微地震数据，大大减少时移微地震成本。

Description

一种准分布式声波探测传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种准分布式声波探测传感器。

背景技术

光纤传感技术被广泛应用建筑、航空、工业、国防W及生物化学等领域，受到人们广泛的关注，同时基于新机理、面向新应用的新型光纤传感技术也在不断的涌现。

按照工作方式及传感范围，光纤传感器可分为点式，准分布式及分布式S类。点式光纤传感器的原理光波在光纤中传播至单点传感单元处，光波的参量会受外部因素的影响而改变，除传感单元之外的光纤只作为传输媒介，不具备传感的功能。比较常见的点式传感器为：光纤光栅等。准分布式光纤传感器是指采用时分复用或者频分复用等复用技术，将多个点式传感元件组合起来，形成一个传感阵列。

光纤布拉格光栅(FBG)传感器是一种在光纤通信、光纤传感等光电子领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。光纤光栅实质上是在光纤纤芯上形成一个窄带反射滤波器或是透射滤波器从而改变入射光的传输。光纤光栅的光学特性主要由光纤的物理结构、紫外光引起的折射率调制类型、折射率调制量以及光纤光栅长度所决定。当光纤Bragg光栅所处环境的温度、应力、应变等物理量发生变化时，会引起光纤Bragg光栅周期或者是光纤有效折射率的变化，从而导致光纤Bragg光栅的中心波长发生漂移，检测出光纤Bragg光栅中心波长的变化量，便能获得待测物理量变化的情况。

但是，现有技术中存在诸多的问题，例如1)受限于工作波长范围，一条单独的光纤上可以挂接的传感器的数量非常有限，例如一般为1个到80个不等。2)因为光学传感器数量的增多，普通FBG传感器的透光率低，举例为80％/30％和10％，末端传感器最后的反射非常微弱。再有，在反射光返回的链路中，还需要经过多重传感器反射，所以最终到达采集器的光信号必须得有一定的强度，不能因为信号弱而无法识别。3)传统的传感器的声波的反应能力较差，能够探测传导到光纤的声波振动信号的能力有限。4)普通光纤耐温性较差，一般为80摄氏度以下，对于高温环境难以适应。

因此，需要新的光纤技术，以解决现有技术中所存在的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供了一种准分布式声波探测传感器，其包括外涂层、包裹在所述外涂层之中的单模光纤、以及设置在所述单模光纤之中的数量可以多达5000个的多个声波传感器，其中声波传感器之间的距离为1-10米。

根据实用新型的一个技术方案，其中所述外涂层为聚酰亚胺涂层。

根据实用新型的一个技术方案，其中所述准分布式声波探测FBG传感器工作时的弯曲半径不小于20D。

根据实用新型的一个技术方案，其中所述准分布式声波探测FBG传感器的衰减不超过0.4dB/km。

根据实用新型的一个技术方案，其中所述准分布式声波探测FBG传感器的工作温度为-40～300℃。

根据实用新型的一个技术方案，其中所述声波传感器是光纤布拉格光栅。

本发明结构光纤可以用于井下声波振动探测领域，有效的解决了以往地面探测精度低、噪音大、精度低的问题。井下探测声波噪音远远小于地面，可以用于井下垂直剖面法(vertical seisic profiling)井中观测方法，也可以用于油气井水平井压裂效果评价。

光纤声波传感器的数量可以从可以布满整个井筒，没有盲区测试时不用提升传感器重复放炮，减少经济成本。系统精度高，可以适用于井下微地震录井，用于长期监测井下微地震数据，大大减少时移微地震成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的技术方案。

图1为根据本实用新型一个实施方案的准分布式声波探测FBG传感器结构示意图。

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，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

研究发现，基于FBG时分复用的系统结构，脉冲光被注入到FBG传感器阵列，当入射脉冲的持续时间比光信号在相邻两个FBG之间传输的往返时间要短时，这两个FBG传感器的反射信号可以在时域上进行区分。在时分复用中，信号是从单根光纤上离散的点传感器反射回来的，而不是像基于散射的全分布式传感那样在整跟光纤上连续散射。对于FBG时分复用系统，时分复用技术可以在时域上大大增加传感单元的复用数量。由于时分复用的FBG传感器具有相同的布拉格波长，因此使用低反射率的FBG可以避免不同传感器之间信号的串扰，但是，这样同时也降低了信噪比和测量系统的分辨率。当每个FBG传感器的反射率低于0.13％时，时分复用系统可以复用100个FBG传感器。由于受传输的损耗以及光源强度的限制，基于FBG时分复用的传感系统的复用容量也受到了很大限制。因此，为了继续提高传感系统的复用容量，本发明采用混合时分波分复用的结构，提高FBG传感单元的复用容量。

声波探测是通过声波振动引起光纤产生应变影响到光学FBG传感器的波长漂移而被监测到的。应变由应变导致的光纤布拉格光栅波长漂移的原因主要包括三个方面光纤的弹性形变、光纤的弹光效应以及光纤内部应力引起的波导效应。假定外界温度恒定，光纤布拉格光栅受到轴向应力的作用而产生轴向应变ε,则在垂直于轴向的其它两个方向上的应变为με,其中μ为泊松比，剪切应力为0，那么光纤布拉格光栅周期改变量ΔΛ为：

ΔΛ＝ε·Λ 式(1)

其中Λ为光栅周期。

光纤布拉格光栅的有效折射率变化Δn_eff为：

其中n_eff为有效折射率，弹光系数Pe为：

P_e＝(n_eff ²/2)×[μp₁₁-(1-μ)p₁₂].

将式(1)和式(2)代入到式可得：

其中K_ε为光栅的应变灵敏度，ε为轴向应变，为λ_B为中心波长Δλ_B为中心波长变化。

由式3可知光纤布拉格光栅的中心波长变化量与应变是成正比的。对于普通的石英光纤材料eP大约为0.22，假定光纤布拉格光栅的中心波长为λ_B为1310nm，那么每变化1με，光纤布拉格光栅的中心波长漂移量大约为1.02pm。

据此，本发明通过将所有光纤布拉格光栅刻写在单根光纤上，采用准分布式传感，利用时分复用技术和混合时分波分复用的技术，提高FBG的最大数量。基于上述研究计算，本发明光纤光栅最大数量可以达到5000个以上，传感器间隔1～10米。

图1为根据本实用新型一个实施方案的准分布式声波探测FBG传感器结构示意图。如图1所示，根据本实用新型的准分布式声波探测FBG传感器包括外涂层10、包裹在所述外涂层之中的单模光纤20、以及设置在所述单模光纤之中的数量可以多达5000个的多个声波传感器30，其中声波传感器30之间的距离为1-10米，

所述外涂层例如可以为耐高温高分子涂层，例如聚酰亚胺涂层。采用耐高温的聚酰亚胺涂层，解决了光纤耐高温长期工作的问题。

声波传感器30可以是光纤布拉格光栅，其数量例如可以根据需来来设置，例如几十个，几百个或者上千个。

下表是根据本发明一些技术方案中光纤的技术参数：

本发明结构光纤可以用于井下声波振动探测领域，有效的解决了以往地面探测精度低、噪音大、精度低的问题。井下探测声波噪音远远小于地面，可以用于井下垂直剖面法(vertical seisic profiling)井中观测方法，也可以用于油气井水平井压裂效果评价。

光纤声波传感器的数量可以从可以布满整个井筒，没有盲区测试时不用提升传感器重复放炮，减少经济成本。系统精度高，可以适用于井下微地震录井，用于长期监测井下微地震数据，大大减少时移微地震成本。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种准分布式声波探测FBG传感器，包括外涂层，包裹在所述外涂层之中的单模光纤，以及设置在所述单模光纤之中的数量可以多达5000个的多个FBG声波传感器，其中声波传感器之间的距离为1-10米；

其中，所述准分布式声波探测FBG传感器的衰减不超过0.4dB/km。

2.根据权利要求1所述的准分布式声波探测FBG传感器，其中所述外涂层为聚酰亚胺涂层。

3.根据权利要求1所述的准分布式声波探测FBG传感器，其中，所述准分布式声波探测FBG传感器工作时的弯曲半径不小于20D。

4.根据权利要求1所述的准分布式声波探测FBG传感器，其中，所述准分布式声波探测FBG传感器的工作温度为-40～150℃。