MXPA06003577A - Acelerometro optico, inclinometro optico y sistema de sensor sismico que usa el acelerometro y el inclinometro. - Google Patents

Abstract

Un acelerometro incluye una viga y por lo menos una fibra optica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexion de la viga cambia una longitud de la fibra optica; medios para detectar el cambio en longitud de la fibra optica estan funcionalmente acoplados a por lo menos una fibra; un sistema de sensor sismico incluye por lo menos dos acelerometros, orientados de tal manera que sus ejes sensibles estan por lo menos parcialmente alineados a lo largo de direcciones mutuamente ortogonales; cada acelerometro incluye una viga y por lo menos una fibra optica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexion de la viga cambia una longitud de por lo menos una fibra optica, medios para detectar el cambio en la longitud de la fibra optica estan funcionalmente acoplados a por lo menos una fibra de cada acelerometro.

Description

ACELEROMETRO ÓPTICO, INCLINOMETRO ÓPTICO Y SISTEMA DE SENSOR SÍSMICO QUE USA EL ACELEROMETRO Y EL INCLINOMETRO REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS No aplicable DECLARACIÓN REFERENTE A INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO AUSPICIADOS POR EL GOBIERNO FEDERAL No aplicable ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La ¡nvención se refiere generalmente al campo de dispositivos sensores de aceleración e inclinación óptica. Muy particularmente, la invención se refiere a acelerómetros e inclinómetros ópticos usados para, pero sin limitarse a, detección de energía sísmica.

TÉCNICA ANTECEDENTE Los dispositivos ópticos para detectar parámetros tales como aceleración, movimiento y/o presión se usan, entre otros propósitos, para detectar energía sísmica de la superficie de la Tierra. La energía sísmica puede estar ocurriendo naturalmente, o puede ser impartida por una fuente de energía sísmica para el propósito de realizar estudios sísmicos de reflexión. La detección de energía sísmica puede incluir detección de presión, o cambios en presión, en un cuerpo de agua. Un sensor usado para medir esos cambios en presión se conoce como hidrófono. La detección de energía sísmica también incluye detección de movimiento en o cerca de la superficie de la tierra. El movimiento puede ser detectado usando dispositivos conocidos como geófonos. Las señales del geófono se relacionan con la velocidad de movimiento. Los acelerómetros, que producen señales relacionadas con la derivada en el tiempo de velocidad de movimiento (aceleración), también se usa para detectar energía sísmica. Los inclinómetros, que producen señales relacionadas con la orientación relativa de un dispositivo con respecto a la atracción gravitacional de la tierra, se usan para generar datos en el lugar de un dispositivo con respecto al nivel y otros sensores en el sistema. Los detectores conocidos por los expertos en la técnica que responden a los parámetros físicos anteriores generan una señal óptica en respuesta al parámetro físico detectado. La señal óptica puede ser, por ejemplo, un cambio en la longitud de onda reflejada, un cambio en fase o un patrón de interferencia en respuesta a cambios en el parámetro físico. Generalmente, sensores ópticos conocidos en la técnica incluyen una longitud seleccionada de fibra óptica fijada a un dispositivo que cambia de forma en respuesta a cambios en el parámetro que está siendo detectado. El cambio en la forma del dispositivo es transformado a un cambio en la longitud de la fibra óptica. El cambio en la longitud de la fibra óptica puede ser detectado por uno de un número de diferentes técnicas de medición óptica. Dichas técnicas incluyen el cambio en la longitud de onda reflejada de luz como resultado de un cambio de longitud de onda de una rejilla de Bragg formada en la fibra óptica, o acoplamiento óptico de un haz de luz transmitido a través de la fibra óptica con un haz de luz transmitido a través de otra fibra óptica, conocida como "fibra de referencia". La fibra de referencia puede estar dispuesta de tal manera que su longitud permanezca esencialmente invariable independientemente del valor del parámetro físico. Los haces de luz de la fibra fijada al dispositivo, y la fibra de referencia, se acoplan en un interferómetro óptico. Un patrón de interferencia o cambio de fase en la luz generada en el ¡nterferómetro óptico se relaciona con el cambio en longitud de la fibra acoplada al dispositivo, y por lo tanto al parámetro físico que está siendo medido. Típicamente, la salida del interferómetro es acoplada al fotodetector, que genera una señal eléctrica relacionada con la amplitud de luz aplicada al fotodetector. Un hidrófono de fibra óptica se describe, por ejemplo, en la patente de E.U.A. No. 5,625,724 expedida a Frederic et al. El hidrófono descrito en la patente 724 incluye una fibra de referencia enrollada alrededor de un cilindro interno rígido. Una capa sólida de material dócil se aplica sobre la fibra de referencia. El brazo de detección del interferómetro es enrollado sobre la capa de material aplicado sobre la fibra de referencia. El material extemo es suficientemente dócil para proveer sensibilidad acústica comparable con la de hidrófonos usados con aire. Otro hidrófono de fibra óptica se describe en la patente de E.U.A. No. 6,549,488 expedida a Maas et al., y cedida al cesionario de la presente invención. Un hidrófono de conformidad con la patente de '488 de Maas et al., incluye un mandril detector dócil coaxial y adyacente con un mandril de referencia rígido. Una primera fibra óptica es enrollada alrededor del mandril de detección dócil. Una segunda fibra óptica es enrollada alrededor del mandril de referencia. La primera y segunda fibras ópticas comprenden diferentes brazos de un interferómetro. Miembros de sellado flexibles, tales como aro-anillo, sellan el mandril de detección dócil al mandril de referencia rígido. En una modalidad, un aro-anillo está dispuesto cerca de cada extremo del mandril de detección. Un miembro de soporte cilindrico está dispuesto dentro del mandril de detección. Por lo menos una porción del miembro de soporte está separada del mandril de detección para proveer una cavidad sellada entre el mandril de detección y el miembro de soporte. La cavidad sellada es llenada con aire o una sustancia dócil similar. La patente de E.U.A. No. 5,369,485 expedida a Hofler et al., describe un acelerómetro en donde un disco elástico y una masa predeterminada son soportados por un cuerpo para flexión del disco debido a aceleración, impacto, vibración y desplazamiento del cuerpo en una dirección axialmente del disco. Dicho disco, o una pluralidad de dichos discos, son enrollados por un par de espirales planos de fibra óptica, cada espiral siendo unida de manera fija a un lado de disco correspondiente de modo que la flexión del disco alarga un espiral sobre un lado del disco y acorta un espiral sobre el otro lado del disco. Dichos espirales en los lados de disco opuestos están conectados como extremidades opuestas de un ¡nterferómetro de fibra óptica de modo que el interferómetro provee una salida correspondiente a la amplitud de la flexión. Un par de espirales de empuje-tiro pueden estar dispuestos opuestamente de un disco térmicamente conductor para reducir al mínimo las diferencias de temperatura entre el par de espirales de empuje-tiro. Un acelerómetro de conformidad con la descripción en la patente de Hofler et al., que está construida con un disco centralmente soportado que tiene una masa distribuida alrededor de la periferia del disco. Dicha construcción se supone que es ventajosa para el aislamiento del estrés de montaje y para proveer una pluralidad de discos coaxialmente montados para sensibilidad incrementada. La patente de E.U.A. No. 6,650,418 expedida a Tweedy et al. describe un sensor de fibra óptica que incluye un disco de flexión que tiene un par de bobinas de fibra óptica montadas sobre lados opuestos del mismo y ópticamente acopladas entre sí para formar un interferómetro que produce una señal de salida en respuesta a aceleración del disco de flexión. El acelerómetro incluye un alojamiento que tiene primera y segunda placas extremas con una pared lateral que se extiende entre las placas extremas. La pared lateral tiene una ranura que mira hacia dentro en la cual una porción de borde externa del disco de flexión está montada. Un amortiguador de compresión está montado en el alojamiento y dispuesto para ejercer una fuerza de compresión sobre el disco de flexión para controlar movimiento del mismo en respuesta a aceleración del disco de flexión a lo largo de un eje de detección y por lo tanto controla la señal de salida. La patente de E.U.A. No. 6,575,033 expedida a Knudsen et al. describe un acelerómetro altamente sensible, que incluye una masa dentro de un alojamiento suspendida por miembros de soporte opuestos. Los miembros de soporte son alternativamente enrollados alrededor de un par de mandriles fijos y la masa está en una disposición de empuje-tiro. Por lo menos una porción de uno de los miembros de soporte comprende bobinas de fibra óptica como los miembros de soporte para usarse en los procedimientos de detección interferométrica. Más recientemente, sensores de movimiento sensibles a direcciones múltiples ("multicomponentes"), junto con hidrófonos sustancialmente colocados ("OBCs de sensor dual"), se han usado en el fondo de un cuerpo de agua para un estudio sísmico marino. Véase, por ejemplo, patente de E.U.A. No. 5,314,371 expedida a Monk, que describe un método para procesar los datos del OBC de sensor dual que corrigen el ángulo de incidencia de energía, corrigen la reflectividad estimada, y combinan los trazos de sensor sísmicos corregidos usando una técnica de escalamiento de diversidad óptima. En una modalidad, el método descrito toma rastros sísmicos de un geófono y un hidrófono, corrige el rastro del geófono para el ángulo de incidencia, determina filtros de diversidad para combinar de manera óptima los rastros del geófono y del hidrófono, aplica los filtros de diversidad, estima un coeficiente de reflectividad para el fondo del océano (potencialmente para diferentes ángulos de reflexión), lleva a escala los datos del geófono de conformidad con la reflectividad y vuelve a aplicar los filtros de diversidad para obtener un rastro combinado. El rastro combinado se espera que tenga varios artefactos eliminados, incluyendo fantasma y reverberación, y se espera que tenga una relación de señal a ruido óptimamente determinada. Es importante que los sensores de movimiento en general, y en particular aquellos sensores usados en los OBCs de sensor dual, tengan buena sensibilidad, sean relativamente insensibles a ruido, y tengan buen rechazo de señal de componente cruzado (lo que significa que los sensores de movimiento son sustancialmente insensibles al movimiento a lo largo de cualquier dirección distinta al eje sensible). Por consiguiente, existe una continua. necesidad de sensores de movimiento y/o aceleración que tengan sensibilidad mejorada, ruido reducido y sensibilidad de componente cruzado reducido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un aspecto de la invención es un acelerómetro óptico. Un acelerómetro de conformidad con este aspecto de la invención incluye una viga y por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga, de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra óptica. Medios para detectar el cambio de longitud de la fibra óptica están acoplados funcionalmente por lo menos a una fibra óptica. Otro aspecto de la invención es un sistema de sensor sísmico. Un sistema de conformidad con este aspecto de la invención incluye por lo menos dos acelerómetros. Cada acelerómetro comprende una viga y por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra óptica. Por lo menos dos acelerómetros están orientados para ser sensibles a la aceleración por lo menos en parte a lo largo de direcciones mutuamente ortogonales. Medios para detectar el cambio en longitud de la fibra óptica en cada uno de los acelerómetros están funcionalmente acoplados a cada fibra. Otro aspecto de la invención es un sistema de orientación de gravedad. Un sistema de conformidad con este aspecto de la invención incluye tres acelerómetros, cada acelerómetro teniendo una viga y por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra óptica. Por lo menos tres acelerómetros están orientados cada uno para ser sensibles a la aceleración por lo menos en parte a lo largo de direcciones mutuamente ortogonales. Por lo menos una fibra en cada acelerómetro comprende una rejilla de Bragg en el mismo, de tal manera que una orientación con respecto a la gravedad de la Tierra del eje de deflexión de cada viga es determinable midiendo un cambio en la longitud de onda de la luz reflejada por la rejilla de Bragg. Al medir así el cambio en longitud de la rejilla de Bragg, una orientación de cada acelerómetro y por lo tanto el sistema, con respecto a la gravedad de la Tierra es determinable. Otros aspectos y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción y reivindicaciones anexas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 muestra una vista lateral de una modalidad de un acelerómetro de conformidad con la invención. La figura 2 muestra una vista superior del acelerómetro mostrado en la figura 1. La figura 3 muestra una vista lateral de otra modalidad de un acelerómetro. La figura 4 muestra una vista oblicua de un sistema de sensor sísmico de multicomponente de conformidad con otro aspecto de la invención. La figura 5 muestra una modalidad de un ¡nterferómetro usado para determinar cambio en longitud de fibras en varias modalidades de acelerómetro. La figura 5A muestra una disposición alternativa de interferómetro. La figura 6 muestra una viga del acelerómetro soportada en ambos extremos longitudinales.

La figura 7 muestra una modalidad particular de una viga del acelerómetro. La figura 8 muestra una modalidad de sistema de detección óptico para determinar orientación de gravedad (inclinómetro) de un acelerómetro. La figura 9 muestra una modalidad alternativa de un inclinómetro. La figura 10 muestra la modalidad de inclinómetro mostrada en la figura 9 montada en un sistema de sensor de conformidad con la figura 4. La figura 11 muestra una modalidad alternativa de un inclinómetro. La figura 11A muestra una modalidad alternativa de un inclinómetro que funciona sobre un principio similar al dispositivo mostrado en la figura 11. La figura 12 muestra un sistema de sensor sísmico de multicomponentes del ejemplo que incluyen inclinómetros como se muestra en la figura 11.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Generalmente, acelerómetros de conformidad con los diversos aspectos de la invención funcionan sobre el principio de la viga de deflexión, en donde la viga es típicamente soportada en sus extremos longitudinales. El soporte de la viga en sus extremos longitudinales sustancialmente evita la flexión de la viga en cualquier dirección transversal al plano de la viga. La figura 1 muestra una modalidad de un ensamble de la viga del acelerómetro 10 que incluye una viga 12 que puede estar hecha de plástico u otro material sujeto a deformación elástica bajo aceleración. La viga 12 tiene dimensiones mostradas en la figura 1 por 12X, que es la longitud o dimensión longitudinal, y 12Z que es la dimensión del espesor. El plano de la viga 12 es transversal a la dimensión de espesor 12Z. Las dimensiones 12X y 12Z se deben seleccionar para permitir la flexión relativamente libre en la dirección del espesor 12Z, mientras que se evita sustancialmente cualquier flexión de la viga a lo largo de la dimensión longitudinal 12X. La modalidad mostrada en la figura 1 incluye una fibra óptica 14 fijada a una cara o lado de la viga 12. La fijación de la fibra 14 a la viga 12 se puede realizar mediante una técnica de unión por adhesivo o similar. En la modalidad de la figura 1 , una segunda fibra óptica 16 se muestra fijada a la cara opuesta de la viga 12. A medida que la viga 12 se deflexiona bajo aceleración a lo largo de la longitud del espesor 12Z, las fibras ópticas 14, 16 son estiradas o comprimidas, dependiendo de la dirección de deflexión de la viga 12. El estiramiento y compresión de una fibra 14 están en polaridad opuesta a la de la otra fibra óptica 16 debido a que están dispuestas en lados opuestos de la viga 12. Tales disposiciones se conocen como "empuje-tiro" de fibras ópticas. Una señal del acelerómetro relacionada con la aceleración aplicada al mismo se genera al determinar un cambio en longitud de la fibra óptica 14, si únicamente se usa una fibra o ambas fibras 14, 16. En modalidades prácticas, la dirección del cambio en longitud de la fibra se puede realizar mediante un interferómetro óptico. Las conexiones ópticas y el uso de las fibras 14, 16 como parte de un interferómetro para generar una señal de respuesta a la aceleración se explicarán más adelante con referencia a las figuras 5 y 5A. Se debe entender que un acelerómetro de conformidad con la invención requiere sólo una fibra óptica fijada a una cara o la otra de la viga, tal como la fibra óptica 14 ó 16. La modalidad de fibra doble de las figuras 1 y 2 tiene sensibilidad incrementada en comparación con la esperada de una implementación de una sola fibra. La figura 2 muestra una vista superior del ensamble de viga del acelerómetro 10. La viga 12 tiene una dimensión ancha 12Y. Como se muestra en la figura 2, la fibra óptica 16 puede estar dispuesta alrededor de la cara de la viga 12 en forma generalmente ovalada para aumentar al máximo la cantidad de fibra dispuesta a lo largo de la dimensión longitudinal (12X en la figura 1), mientras que reduce al mínimo el grado de doblez dentro de la fibra 16 para reducir al mínimo las pérdidas ópticas en la fibra 16. La dimensión de anchura 12Y se debe seleccionar para hacer que la viga 12 sea suficientemente rígida a lo largo de la dirección de anchura para resistir la flexión, pero no demasiado grande para inducir cualquier grado apreciable de doblez o porción en la viga 12 bajo aceleración oblicua. Otra modalidad de un ensamble de viga del acelerómetro, mostrada en la figura 3 puede incluir una masa reactiva 18, 20 fijada a una o ambas caras de la viga 12, generalmente en el centro de la misma. Las masas 18, 20 incrementan la cantidad de deflexión de la viga 12 bajo cualquier cantidad de aceleración dada, y por lo tanto incrementan la sensibilidad general del acelerómetro. Un sistema de sensor sísmico de multicomponentes práctico se puede hacer de una pluralidad de acelerómetros tal como se explicó con referencia a las figuras 1 a 3. La figura 4 muestra una modalidad de dicho sistema de sensor sísmico de multicomponentes. El sistema incluye tres acelerómetros ópticos, 10X, 10Y, 10Z, cada uno orientado de tai manera que su dirección sensible sea a lo largo de una dirección mutuamente ortogonal desde aquellas de los otros dos acelerómetros. El tener los acelerómetros mutuamente ortogonales facilita la determinación de la dirección de la cual se origina la energía sísmica detectada, sin embargo, se debe entender que la ortogonalidad mutua de los acelerómetros es un asunto de conveniencia en el diseño del sistema de sensor sísmico. Otras disposiciones de los ejes sensibles de los acelerómetros se pueden usar en diferentes modalidades, mientras se mantiene la capacidad de determinación de dirección de origen de energía sísmica. Los acelerómetros 10X, 10Y, 10Z pueden estar encerrados en un alojamiento resistente a la presión, a prueba de agua 22, que permite que el sistema sea sumergido en líquido. Este sería entonces el caso cuando el sistema se usa en un sistema de estudio sísmico marino o en una instalación de sensor permanente tal como se usaría en el piso oceánico o en un agujero de pozo. Una modalidad de un interferómetro óptico y componentes asociados usados para generar una señal de respuesta a la aceleración a partir de la deflexión de la viga se muestra con el número 29 en la figura 5. Las fibras ópticas 14, 16 fijadas a lados opuestos de la viga (12 en la figura 1 ) son cada uno mostrados ópticamente acoplados en un extremo a un divisor de la viga 26, y acoplados en el otro extremo a un combinador 28. Una fuente de luz, tal como un diodo de láser 24 es acoplado a la entrada del divisor de la viga 26 y provee una luz de láser a cada fibra 14, 16. Un fotodetector 30 es acoplado a la salida del interferómetro 29 y produce una señal eléctrica correspondiente a la señal óptica generada en el interferómetro 29. Por lo tanto, la deflexión de la viga (12 en la figura) bajo aceleración a lo largo de la dirección del espesor (12Z en la figura 1) es convertida a una señal eléctrica. Dependiendo de la disposición particular de un sistema de sensor sísmico, el diodo de láser 24 y fotodetector 30 pueden estar dispuestos en la superficie de la tierra o superficie de agua, y el divisor de haz 26 y combinador 28 dispuestos cerca del acelerómetro(s) (12 en la figura 1). Sin embargo, otras modalidades pueden colocar el diodo de láser y el divisor de haz próximos al interferómetro, tal como en el alojamiento (22 en la figura 4). El sistema de interferómetro óptico mostrado en la figura 5 es generalmente conocido como un interferómetro de Mach-Zehnder. Alternativamente, como se muestra en la figura 5A, se puede usar un interferómetro de Michelson. El interferómetro de Michelson 29A se hace al sustituir el combinador (28 en la figura 5) con espejos 31 A y 31 B en los extremos distales de cada fibra 14, 16. La luz que pasa a través de las fibras 14, 16 es reflejada por los espejos 31 A, 31 B. La luz reflejada es recombinada en el divisor de haz 26A de tal manera que el desplazamiento de fase y/o patrón de interferencia pueden ser detectados por el fotodetector 30. Otros tipos de interferómetros que se pueden usar con varias modalidades de acelerómetro incluyen interferómetros Fabry-Perot y Sagnac. En modalidades que usan un ¡nterferómetro Fabry-Perot, la fibra (ya sea 14 ó 16 en la figura 1) fijada a una o la cara opuesta de la viga se puede incluir. La fibra restante (16 ó 14 en la figura 1) puede incluir una rejilla de Bragg en la misma en donde la fibra es fijada a la viga (12 en la figura 1) para permitir determinar un cambio en longitud de la fibra al medir un cambio en la longitud de onda de luz reflejada a través de la fibra. Por consiguiente, el sistema de ¡nterferómetro particular usado en varias modalidades no es una limitación sobre el alcance de la invención. Una aplicación particular para una rejilla de Bragg en una o ambas fibras 14, 16 se explicará más adelante con referencia a la figura 8. La figura 6 muestra una vista lateral de la viga 12 y soportes 32 en los extremos longitudinales de la viga 12. Al soportar la viga 12 en sus extremos longitudinales, y por dimensiones adecuadas (12X, 12Z en la figura 1 y 12Y en la figura 2), la flexión de la viga 12 será sustancialmente limitada a la dimensión del espesor (12Z en la figura 1). Por lo tanto, la limitación de la flexión de la viga 12 provee al ensamble de la viga del acelerómetro (10 en la figura 1) con un alto grado de rechazo de componente cruzado o insensibilidad. La evaluación inicial del acelerómetro como se muestra en la figura 1 indica un rechazo de componente cruzado mayor que 30 dB. Como se apreciará fácilmente, el soporte rígido y fijo de la viga 12 en ambos extremos longitudinales puede proveer un alto grado de rechazo de componente cruzado, pero puede limitar la cantidad de deflexión de la viga (y por lo tanto sensibilidad) en la dirección del espesor. La deflexión de la viga sería limitada en dichos casos debido a que la viga necesariamente tendría que alargarse a lo largo de la dirección longitudinal (12X en la figura 1) si la viga está rígidamente y fijamente soportada en ambos extremos. Para incrementar la cantidad de deflexión mientras se mantiene un rechazo de componente cruzado alto, una composición tal como se muestra en la figura 7 se puede usar para soportar la viga 12 en sus extremos longitudinales. Los agujeros de montaje 13 en un extremo se pueden proveer para tornillos de tapa o similares. El otro extremo puede incluir aberturas alargadas 15 de tal manera que bajo flexión, cuando la dimensión longitudinal sería reducida por una cantidad proporcionada, el otro extremo de la viga 12 es libre de moverse longitudinalmente, pero sustancialmente no transversalmente a la dirección longitudinal. La figura 8 muestra una modalidad particular, que se puede usar para determinar una orientación del acelerómetro con respecto a la gravedad de la tierra así como hacer mediciones de aceleración. Una fibra 14A incluye una rejilla de Bragg 14B en el mismo. La fibra 14A se puede fijar a una viga sustancialmente como se explica con referencia a la figura 1. Una fuente de luz 24A, tal como un diodo de láser, es ópticamente acoplado a un extremo de la fibra 14A a través de un divisor de haz 25. La figura 14A puede incluir un espejo 17 en su otro extremo. Un fotodetector 30 está acoplado a la otra salida del divisor de haz 25. La salida del fotodetector 30 se puede acoplar a un analizador de espectro 31. Por lo tanto, la longitud de onda de luz reflejada por la rejilla de Bragg 14B está relacionada como el grado de alargamiento de la rejilla de Bragg 14B. El acelerómetro se puede usar para determinar la orientación del mismo al calibrar la longitud de onda reflejada por la rejilla de Bragg tanto en gravedad cero como en la unidad (100% de gravedad). Las mediciones de la longitud de onda de luz reflejada se pueden relacionar con la orientación del acelerómetro con respecto a la gravedad por relaciones trigonométricas bien conocidas. En la presente modalidad, el acelerómetro se puede calibrar a gravedad cero al orientar la viga (12 en la figura 1) de tal manera que la dimensión de espesor, o deflexión, de la viga (12Z en la figura 1) es orientada transversalmente a la gravedad de la Tierra. La longitud de onda de luz reflejada por la rejilla de Bragg 14B es medida por el analizador espectral 31. Entonces, la viga es orientada de tal manera que su dirección de deflexión (12Z en la figura 1 ) está directamente a lo largo de la gravedad de la tierra, y la longitud de onda de la luz reflejada por la rejilla de Bragg 14B es medida nuevamente. La longitud de onda de luz reflejada por la rejilla de Bragg 14B cambiará a medida que la fibra 14A es alargada por deflexión de la viga, y alargamiento consecuente de la rejilla de Bragg 14B. La orientación relativa del acelerómetro con respecto a la gravedad de la tierra por lo tanto estará relacionada con la onda de luz reflejada desde la rejilla de Bragg 14B. Los componentes ópticos descritos con referencia a la figura 8 se pueden incluir como una fibra separada en cualquier acelerómetro particular o, como se muestra en la figura 8, se pueden incluir en la misma fibra usada en el sensor del acelerómetro. En un sistema de sensor de multicomponentes, tal como se muestra en la figura 4, tres acelerómetros mutuamente ortogonales pueden incluir cada uno una fibra que tenga una rejilla de Bragg en el mismo. Se pueden usar componentes ópticos asociados para permitir determinar un cambio en la longitud de la rejilla, como se muestra en la figura 9. En la modalidad de la figura 9, una sola fibra óptica 33 puede incluir tres rejillas de Bragg separadas 35, 37, 39 sobre la misma. Cada rejilla de Bragg 35, 37, 39 se fija a uno de los tres haces del acelerómetro, como se explicará con referencia a la figura 10. Un espejo 17A en el extremo de la fibra se puede usar para reflejar la luz. Cada rejilla de Bragg 35, 37, 39 será alargada, y por lo tanto reflejará una longitud de onda de luz particular, basada en la orientación de la viga correspondiente con respecto a la gravedad de la tierra. Por lo tanto, la orientación del sistema del sensor puede ser inferida para medir la longitud de onda de la salida de la rejilla de Bragg de cada una de las tres rejillas de Bragg 35, 37, 39, y por lo tanto la orientación de cada acelerómetro con respecto a la gravedad. La orientación del sistema de sensor completo con respecto a la gravedad se puede determinar a partir de las tres mediciones de componentes de acelerómetro individuales usando relaciones trigonométricas bien conocidas. Algunas modalidades de la viga del acelerómetro de conformidad con la modalidad de la figura 9 pueden incluir una o más masas reactivas acopladas al mismo, tal como se muestra en la figura 3. La figura 10 muestra la modalidad de fibra del inclinómetro de la figura 9 en la cual cada rejilla de Bragg 35, 37, 39 en la fibra 33 se fija a una correspondiente de las vigas del acelerómetro 12Y, 12Z, 12X. Cada viga 12Y, 12X, 12Z se deflexionará en relación a la orientación de cada viga con respecto a la gravedad de la Tierra. Si una viga particular es transversal a la gravedad, su deflexión de la gravedad será sustancialmente cero. La deflexión máxima, y el cambio correspondiente en la longitud de la rejilla de Bragg asociada, ocurrirá cuando una dirección de deflexión de la viga del acelerómetro esté sustancialmente alineada con la gravedad de la Tierra. La orientación puede ser inferida por fórmulas bien conocidas usando mediciones de componentes ortogonales de la gravedad de la Tierra. En la modalidad de la figura 10, los haces del acelerómetro se pueden orientar sustancialmente en forma ortogonal. Otras modalidades pueden incluir una fibra separada para cada rejilla de Bragg, o pueden incluir una rejilla de Bragg en las mismas fibras usadas en uno o más tipos de interferómetro para detectar la energía sísmica, como se espera con referencia a las figuras 1-4.

Otra modalidad de un inclinómetro 50, mostrado en la figura 11 , puede proveer deformación incrementada en una rejilla de Bragg de fibra con respecto a la atracción de la gravedad de la Tierra por carga de masa de la rejilla de Bragg de fibra directamente. Dicha carga directa puede incrementar la exactitud de la medición de inclinación. Como se muestra en la figura 11, cojinetes lineales, o algún otro dispositivo de restricción de alta precisión, 47 permite que las masas 42, 43 se deslicen a lo largo de un bastidor o varilla 40 como resultado de la fuerza creada por la gravedad de la Tierra. El acoplamiento de una fibra 44 que tiene una rejilla de Bragg de la misma a los cojinetes 47, y por lo tanto operativamente a las masas 42, 43, y al agregar un tope positivo o amortiguador 41 a cada extremo de la porción de la varilla 40 para la cual el viaje de la masa se permite hace posible que la rejilla de Bragg 45 sea deformada por una de las masas 43, 42, independientemente de la orientación del dispositivo con respecto a la gravedad. Por ejemplo, en la orientación mostrada en la figura 11, la masa superior 42 es detenida por el amortiguador 41 , mientras que la masa inferior 43 se puede mover cuando es extraído por gravedad para deformar la fibra 44. Si el acelerómetro es girado de modo que la masa inferior 43 está por arriba de la masa 42, la masa inferior 43 será detenida por el amortiguador 41 , y la masa superior 42 será movida cuando sea cargada por gravedad. Jalando directamente sobre la fibra 44, como se muestra en la figura 11 , se puede inducir más deformación en la rejilla de Bragg 45 creando un desplazamiento de longitud de onda mayor. Debido a que las masas 42, 43 viajan a lo largo de la varilla 40 sobre cojinetes lineales, se evita sustancialmente las masas 42, 43 tengan otro movimiento distinto a lo largo de la varilla 40. Al limitar el movimiento de las masas 42, 43 a lo largo de la varilla 40, el inclinómetro 50 es sustancialmente sensible sólo al componente de aceleración (es decir, gravedad de la Tierra) que actúa a lo largo de la longitud de la varilla 40, y por lo tanto tiene rechazo de componente cruzado alto. El inclinómetro 50 mostrado en la figura 11 se puede calibrar sustancialmente como se explicó anteriormente con referencia a la figura 9. Una disposición alternativa de un inclinómetro que funciona generalmente sobre el mismo principio que el dispositivo mostrado en la figura 11 se muestra esquemáticamente en la figura 11 A. Una masa 42A es suspendida a lo largo de una varilla 40A mediante cojinetes lineales 47A, de tal manera que la masa 42A se puede mover a lo largo de la dirección de la varilla 40A, pero es restringida sustancialmente de movimiento en cualquier otra dirección. Una fibra óptica 44A que tiene una rejilla de Bragg 45A en la misma es acoplada a la masa 42A de tal manera que la masa 41 A está dispuesta a lo largo de la fibra 44A entre dos puntos de suspensión de fibra 44B. La fibra 44A también está fijada a los puntos de suspensión 44B. A medida que la gravedad actúa sobre la masa 42A, jala sobre la fibra 44A y hace que su longitud cambie, lo cual es detectable por un cambio en la longitud de onda de reflexión de luz de la rejilla de Bragg 45A. En el principio de operación y calibración, el dispositivo mostrado en la figura 11A opera sustancialmente de manera similar al dispositivo mostrado en la figura 11. La modalidad mostrada en la figura 11A tiene la ventaja de ser operable en cualquier orientación con respecto a la gravedad usando sólo una masa sin requerir amortiguadores como lo hace el dispositivo mostrado en la figura 11. La figura 12 muestra una modalidad de un sistema de sensor sísmico de multicomponentes incluyendo tres inclinómetros mutuamente ortogonales 50X, 50Y, 50Z, y tres acelerómetros mutuamente ortogonales 10X, 10Y, 10Z. El sistema en la figura 12 es similar en principio de operación al mostrado en la figura 10, sin embargo los inclinómetros 50X, 50Y, 50Z son del tipo explicado con referencia a la figura 11. Las referencias X, Y y Z se relacionan con los ejes sensibles individuales del sistema de sensor, que por convención se puede marcar de tal manera que los ejes ordinariamente dispuestos en forma horizontal sean X y Y, y el eje dispuesto verticalmente sea Z. El sistema puede estar dispuesto en un alojamiento hermético al agua 22 como las otras modalidades, tal como se explica con referencia a la figura 4 y la figura 10. Los acelerómetros ópticos, inclinómetros ópticos y sistemas de sensor hechos con los acelerómetros de conformidad con la invención pueden proveer sensibilidad mejorada, rechazo del componente cruzado mejorado y confiabilidad mejorada sobre acelerómetros eléctricos y ópticos conocidos en la técnica. Aunque la invención se ha descrito con respecto a un número limitado de modalidades, los expertos en la técnica, que se benefician de esta descripción, apreciarán que se pueden contemplar otras modalidades que no se aparten del alcance de la invención como se describe aquí. Por consiguiente, el alcance de la invención debe ser limitado únicamente por las reivindicaciones anexas.

Claims (30)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un acelerómetro que comprende: una viga; por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra óptica; y medios para detectar el cambio de longitud de la fibra óptica.

2.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende una fibra óptica adicional fijada al otro lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra adicional opuesta en polaridad al cambio en longitud de por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga.

3.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende una masa fijada a la viga de tal manera que una magnitud de la deflexión de la viga se incrementa con respecto a una magnitud de una aceleración aplicada a la viga.

4.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque los medios de detección comprenden un interferómetro de Michelson.

5.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque los medios de detección comprenden un interferómetro de Fabry-Perot.

6.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque los medios de detección comprenden un interferómetro de Mach-Zehnder.

7.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende un sensor de longitud de onda de luz ópticamente acoplado a por lo menos una fibra, y en donde por lo menos una fibra comprende una rejilla de Bragg en la misma de tal manera que una orientación con respecto a la gravedad de Tierra de un eje de deflexión de la viga es determinable por una medición de un cambio en una longitud de onda de luz reflejada por la rejilla de Bragg.

8.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende una segunda fibra óptica fijada a la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la segunda fibra, la segunda fibra teniendo una rejilla de Bragg en la misma, la segunda fibra ópticamente acoplada a un detector de longitud de onda de tal manera que una orientación del acelerómetro con respecto a la gravedad de la Tierra es determinable por una medición de un cambio en una longitud de onda de luz reflejada por la rejilla de Bragg.

9.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la viga es soportada por lo menos en un extremo de la misma.

10.- El acelerómetro de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la viga es soportada en ambos extremos longitudinales de la misma, por lo menos un extremo longitudinal estando soportado para permitir movimiento longitudinal cuando la viga es deflexionada.

11.- Un sistema de sensor sísmico de multicomponentes, que comprende: por lo menos dos acelerómetros, cada acelerómetro comprendiendo una viga y por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra óptica, por lo menos dos aceleradores orientados para ser sensibles a aceleración por lo menos en parte a lo largo de direcciones mutuamente ortogonales; y medios para detectar el cambio en la longitud de la fibra óptica en cada uno de los acelerómetros.

12.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque cada acelerómetro comprende además: una fibra óptica adicional fijada al otro lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia en longitud de por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga.

13.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque comprende una masa fijada a cada viga de tal manera que una magnitud de la deflexión de cada viga se incrementa' con respecto a una magnitud de una aceleración aplicada a cada viga.

14.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque los medios de detección comprenden un interferómetro de Michelson.

15.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque los medios de detección comprenden un interferómetro de Fabry-Perot.

16.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque los medios de detección comprenden un interferómetro de Mach-Zehnder.

17.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque comprende un sensor de longitud de onda de luz ópticamente acoplado a por lo menos una fibra en cada acelerómetro, y en donde por lo menos una fibra en cada acelerómetro comprende una rejilla de Bragg en la misma de tal manera que una orientación con respecto a la gravedad de Tierra de un eje de deflexión de cada viga es determinable por una medición de un cambio en una longitud de onda de luz reflejada por la rejilla de Bragg.

18.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque comprende: tres acelerómetros, cada acelerómetro comprendiendo una viga y por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra óptica, por lo menos tres aceleradores orientados para ser sensibles a aceleración por lo menos en parte a lo largo de direcciones mutuamente ortogonales; medios para detectar el cambio en la longitud de la fibra óptica en cada uno de los acelerómetros; y en donde por lo menos una fibra en cada acelerómetro comprende una rejilla de Bragg en la misma de tal manera que una orientación con respecto a la gravedad de Tierra de un eje de deflexión de cada viga es determinable por una medición de un cambio en una longitud de onda de luz reflejada por la rejilla de Bragg de tal manera que una orientación del sistema con respecto a la gravedad de Tierra es determinable.

19.- El sistema de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque la fibra óptica en cada acelerómetro es la misma fibra, la misma fibra teniendo una rejilla de Bragg en la misma en donde la misma fibra es fijada a cada viga, cada rejilla de Bragg reflejando una longitud de onda de luz seleccionada.

20.- El sistema de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque cada viga es soportada en ambos extremos longitudinales de la misma, por lo menos un extremo longitudinal siendo soportado para permitir movimiento longitudinal cuando cada viga es deflexionada.

21.- Un sistema de orientación de gravedad, que comprende: tres acelerómetros, cada acelerómetro comprendiendo una viga y por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra óptica, los tres acelerómetros orientados para ser sensibles a la aceleración por lo menos en parte a lo largo de direcciones mutuamente ortogonales; y una rejilla de Bragg en por lo menos una fibra óptica en cada acelerómetro; y medios para medir una longitud de onda de luz reflejada por cada rejilla de Bragg de tal manera que una orientación con respecto a la gravedad de Tierra de un eje de deflexión de cada viga es determinable por una medición de un cambio en una longitud de onda de luz reflejada por la rejilla de Bragg de tal manera que una orientación del sistema con respecto a la gravedad de Tierra es determinable.

22.- El sistema de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque tres acelerómetros son mutuamente ortogonales.

23.- El sistema de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque cada viga del acelerómetro comprende una masa reactiva sobre la misma.

24.- El sistema de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque cada viga es soportada en ambos extremos longitudinales de la misma, por lo menos un extremo longitudinal estando soportado para permitir movimiento longitudinal cuando la viga es deflexionada.

25.- Un sensor de orientación de gravedad, que comprende: una fibra óptica que tiene una rejilla de Bragg en la misma, la fibra operativamente acoplada a una masa, la masa montada en un bastidor de tal manera que la orientación del bastidor con respecto a la gravedad de la Tierra permite que la gravedad de la Tierra actúe correspondientemente sobre la masa, el acoplamiento operativo de la fibra a la masa dispuesto de tal manera que un cambio en la longitud de onda de la luz reflejada de la rejilla en la fibra corresponde a la acción de la gravedad de la Tierra sobre la masa; y medios para medir un cambio en longitud de onda o período de la rejilla de Bragg.

26.- El sensor de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado además porque la masa es suspendida en el bastidor por cojinetes lineales.

27.- El sensor de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado además porque comprende un amortiguador dispuesto sobre el bastidor de tal manera que la acción de la gravedad de la Tierra dará por resultado un cambio correspondiente en longitud de la rejilla de Bragg independientemente de la orientación del bastidor con respecto a la gravedad.

28.- El sensor de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado además porque comprende: tres bastidores orientados sustancialmente en forma ortogonal; tres masas cada una operativamente acoplada a los bastidores de tal manera que la gravedad de la Tierra actúa sobre cada masa en relación con la orientación del bastidor correspondiente con respecto a la gravedad, las masas dispuestas para moverse sustancialmente en forma lineal a lo largo de un bastidor correspondiente; una rejilla de Bragg operativamente acoplada a cada masa; y medios para medir un cambio en longitud de cada rejilla de Bragg.

29.- El sensor de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque las rejillas de Bragg se forman sobre una sola fibra óptica.

30.- Un sistema de sensor sísmico de multicomponentes, que comprende: tres acelerómetros, cada acelerómetro comprendiendo una viga y por lo menos una fibra óptica fijada a un lado de la viga de tal manera que la deflexión de la viga cambia una longitud de la fibra óptica, los tres acelerómetros orientados para ser sensibles a la aceleración por lo menos en parte a lo largo de direcciones mutuamente ortogonales; medios para detectar el cambio en longitud de la fibra óptica de cada uno de los acelerómetros; tres bastidores que tienen cada uno una dirección sustancialmente diferente alineada con una dirección sensible de uno de los acelerómetros; tres masas cada una operativamente acoplada a uno respectivo de los bastidores de tal manera que la gravedad de la Tierra actúa sobre cada masa en relación con la orientación del bastidor correspondiente con respecto a la gravedad, las masas dispuestas para moverse sustancialmente en forma lineal a lo largo de un bastidor correspondiente; una rejilla de Bragg operativamente acoplada a cada masa; y medios para medir un cambio en longitud de cada rejilla de Bragg.