專利名稱：用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光柵傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于對IOHz以下低頻地震 波信號進行探測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器。
背景技術(shù)：
地震勘探是通過用人工震源激勵的方法給地殼施加振動，然后再對地震檢波器監(jiān) 測到的信號進行分析，從而確定地質(zhì)構(gòu)造情況，進行油氣藏等地下資源的精細描述。地震檢 波器廣泛地應(yīng)用于石油、金屬礦藏、煤炭、工程地質(zhì)等的精細勘探領(lǐng)域中。光纖布拉格光柵 作為一種新型的無源傳感元件，具有可靠性好、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、抗電磁干擾、 抗腐蝕等優(yōu)點，深受人們的關(guān)注，由于可實現(xiàn)分布式檢測的突出優(yōu)點，特別適合用于制作地 震波檢波器。而在地震波檢波器的設(shè)計中，其核心部分就是振動傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，振動傳 感器設(shè)計的合理與否直接決定了地震波檢波器性能的好壞。目前，國內(nèi)外雖已有各種不同類型的用于對地震波進行監(jiān)測的振動加速度傳感 器，但其頻率測量范圍大多集中在IOHZ以上，而用于IOHZ以下的低頻地震勘探的振動傳感 器很少有報道。這樣低頻地震中所包含的豐富的地質(zhì)信息就有可能丟失，從而影響到地震 信息采集的精度。因此，IOHZ以下的低頻地震波監(jiān)測是目前地震勘探的薄弱點，制約了地震 波的高精度采集，針對這一現(xiàn)狀，急需研制出一種用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵 振動加速度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決目前地震波監(jiān)測中振動加速度傳感器的缺點，提供一種設(shè) 計合理、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、能用于IOHZ以下的低頻地震勘探的用于低頻地震波監(jiān)測的 光纖布拉格光柵振動加速度傳感器。解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在空心桿的上部側(cè)壁上加工有開槽a下 端設(shè)置有上墊片和位于上墊片下的外沿間隔均布加工有3 8個刻槽的下墊片，開槽a的 下方空心桿上設(shè)置上制動塊和位于上制動塊下的下制動塊，在上制動塊與下制動塊之間的 空心桿上設(shè)置有沿空心桿移動的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的上表面與上制動塊底面間的距離為4mm、 下表面與下制動塊上表面間的距離為8mm，質(zhì)量塊的下方空心桿上設(shè)置由3 8片彈性臂的 上端與圓片連為一體、自由端設(shè)置在下墊片上構(gòu)成的彈性梁，在任意一片彈性臂的外側(cè)面 上設(shè)置有振動傳感光纖光柵，振動傳感光纖光柵的輸入端和輸出端由開槽a穿入空心桿從 空心桿上端穿出。本發(fā)明的振動傳感光纖光柵的波長為1520 1570nm。本發(fā)明的彈性臂的厚度為0. 05 0. 17mm。本發(fā)明的彈性臂為對稱結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)邊的外端之間的距離d為1 5mm，兩側(cè)邊的 中點之間的距離e為2 12mm，臂長f為20 100mm。本發(fā)明的彈性臂自由端的形狀為T形，下墊片同一圓周上加工有3 8個與彈性臂數(shù)字相同、形狀為T形的刻槽，彈性臂的自由端插入到下墊片的刻槽內(nèi)。
本發(fā)明利用應(yīng)變傳感原理，將裸光柵封裝在彈性臂外側(cè)上接收振動信號，通過對 振動傳感光纖光柵的中心波長漂移量的測量，得出檢測點附近加速度的大小，與常規(guī)懸臂 梁結(jié)構(gòu)相比較，具有體積小、靈敏度高、器形細長、易于井下安裝等優(yōu)點，解決了同類光纖光 柵體積大，難以進行實際安裝使用的技術(shù)問題，提高了傳感器的靈敏度、測量范圍及響應(yīng)頻 率，可以實現(xiàn)多點分布和動態(tài)在線實時監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例1的彈性梁5不同振動狀態(tài)的示意圖。
圖3為圖1中彈性梁5的展開圖。
圖4為圖1中下墊片7的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明實施例1的正行程和反行程擬合圖。
圖6為本發(fā)明實施例1、實施例2和實施例3的幅頻特性對比圖。
圖7是本發(fā)明實施例1的沖擊響應(yīng)曲線圖。
圖8是本發(fā)明實施例1的沖擊頻譜圖。
圖9是本發(fā)明實施例1與標準電荷加速度傳感器抗電磁干擾的對比實驗圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。實施例1在圖1中，本實施例的用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器 由空心桿1、上制動塊2、質(zhì)量塊3、下制動塊4、彈性梁5、上墊片6、下墊片7、螺母8、振動傳 感光纖光柵9聯(lián)接構(gòu)成。如圖1所示，空心桿1上部的側(cè)壁上加工有開槽a，開槽a的下方空心桿1上用502 膠粘貼有上制動塊2，502膠為市場銷售的商品，由臺州市椒江拓普膠粘劑廠生產(chǎn)，上制動 塊2下方空心桿1上用502膠粘貼有下制動塊3，上制動塊2與下制動塊4之間留有間隙， 在上制動塊2與下制動塊4之間的空心桿1上套裝有質(zhì)量塊3，質(zhì)量塊3可沿空心桿1上下 移動，本實施例中質(zhì)量塊3的高為8mm，質(zhì)量為12g，質(zhì)量塊3的下方空心桿1上安裝有彈性 梁5。本實施例的彈性梁由3片彈性臂51的上端與圓片50連為一體構(gòu)成，圓片50套在上 制動塊2和下制動塊4之間的空心桿1上并用502膠粘貼在質(zhì)量塊3的下底面上，彈性臂 51的自由端安裝在下墊片7上，在任意一片彈性臂51對稱中心的外側(cè)面上設(shè)置有中心位于 彈性臂51對稱中心上的振動傳感光纖光柵9，質(zhì)量塊3的上表面與上制動塊2底面之間的 距離為4mm、下表面與下制動塊4上表面之間的距離為8mm?？招臈U1的下端加工有螺紋， 空心桿1的下端安裝有上墊片6，上墊片6下安裝有下墊片7，彈性臂5-1彎曲后其自由端 安裝在下墊片7上，上墊片6與下墊片7之間用502膠粘貼聯(lián)接，用螺母8將上墊片6、下墊 片8和彈性臂51固定在空心桿1的下端，防止其運動。在任意一片彈性臂51的外側(cè)用502 膠粘接有振動傳感光纖光柵9，本實施例所用的振動傳感光纖光柵9的波長為1531. 5nm,由 北京泰克里科光學技術(shù)有限公司生產(chǎn)，振動傳感光纖光柵9的中心位于彈性臂51的對稱中心點，即彎曲時彈性臂51與空心桿1之間垂直距離最大位置處。振動傳感光纖光柵9的輸 入端和輸出端由開槽a穿入空心桿1后從空心桿1的上端穿出。振動傳感光纖光柵9用于 接收彈性梁5在發(fā)生振動時產(chǎn)生的加速度信號，轉(zhuǎn)換成光信號由輸出端輸出。如圖2所示，彈性梁5安裝在空心桿1上后，彈性臂51的中部向遠離空心桿1的 方向凸出，形成燈籠形。當彈性梁5處于初始靜止狀態(tài)時，彈性梁6的頂端與底端之間的距 離c為43mm，彎曲時彈性臂51的對稱中心點與空心桿1之間的垂直距離b為24mm。彈性 梁5上下振動、彎曲時，彈性臂51的對稱中心點與空心桿1之間的垂直距離b、與彈性梁5 的頂端、底端之間的距離c的大小會發(fā)生改變，當質(zhì)量塊3向上運動到與上制動塊2的底面 相接觸時，彈性臂51的對稱中心點與空心桿1之間的垂直距離b為18mm，彈性梁6的頂端 與底端之間的距離c為47mm ；當質(zhì)量塊3向下運動到與下制動塊4的上表面相接觸時，彈 性臂51的對稱中心點與空心桿1之間的垂直距離b為28mm，彈性梁6的頂端與底端之間的 距離c為35mm。如圖3所示，本實施例采用3片彈性臂51，3片彈性臂51的頂端與中心加工有圓 孔的圓片50的外邊緣連為一體，3片彈性臂51沿圓片50的外圓周間隔均布，彈性臂51的 自由端為T形。每片彈性臂51為對稱結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)邊的外端之間的距離d為3mm，兩側(cè)邊的 中點之間的距離e為8mm，臂長f為60mm。本實施例中彈性梁5為鈹青銅材料制成，厚度為 0. 15mm。如圖4所示，下墊片7的形狀和大小與圓片50的形狀和大小相同，下墊片7的中 心加工有與空心桿1動配合的中心孔7a、外沿間隔均布加工有3個與彈性臂51自由端動配 合的T形刻槽7b，一個刻槽7b的幾何中心線與相鄰一個刻槽7b的幾何中心線之間的夾角 為120°。本實施例中，彈性臂51的自由端為T形結(jié)構(gòu)，下墊片7上的刻槽7b也為T形，彈 性臂51的自由端插入到下墊片7上的刻槽7b內(nèi)，如果彈性梁5的自由端采用三角形、圓形 或其它形狀，下墊片7上的刻槽7b也相應(yīng)地改為與其相對應(yīng)的形狀。實施例2在本實施例中，彈性臂51的厚度為0. 05mm,振動傳感光纖光柵5的波長為 1531. 3nm。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。實施例3在本實施例中，彈性臂51的厚度為0. 1mm，振動傳感光纖光柵5的波長為 1531. 2nm。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。實施例4在本實施例中，彈性臂51的厚度為0. 17mm。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與 實施例1相同。實施例5在以上的實施例1 4中，彈性臂51的數(shù)量為8片，一片彈性臂51的幾何中心線 與相鄰一片彈性臂51的幾何中心線之間的夾角為45°，下墊片7的外沿間隔均布加工有8 個與彈性臂51自由端動配合的刻槽7b。每片彈性臂51的厚度與相應(yīng)的實施例相同，彈性 臂51兩側(cè)邊的外端之間的距離d為1mm，兩側(cè)邊的中點之間的距離e為2mm，臂長f為20mm。 質(zhì)量塊3的上表面與上制動塊2底面間的距離為4mm、下表面與下制動塊3上表面間的距離 為8mm。振動傳感光纖光柵5的波長為1520nm。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與相應(yīng)的實施例相同。實施例6在以上的實施例1 3中，彈性臂51的數(shù)量為4片，一片彈性臂51的幾何中心線 與相鄰一片彈性臂51的幾何中心線之間的夾角為90°，下墊片7的外沿間隔均布制有4 個與彈性臂51自由端配合的刻槽7b。彈性臂51兩側(cè)邊的外端之間的距離d為5mm，兩側(cè) 邊的中點之間的距離e為12mm，臂長f為100mm。質(zhì)量塊3的上表面與上制動塊2底面間 的距離為4mm、下表面與下制動塊3上表面間的距離為8mm。振動傳感光纖光柵9的波長為 1570nm。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實施例1相同。本發(fā)明的工作原理如下由寬帶光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)光纖傳輸?shù)奖景l(fā)明上，光到達彈性梁5上的振動傳感 光纖光柵9時，振動傳感光纖光柵9的中心反射波長落在一定的波長區(qū)域，其中，滿足布拉 格波長的光被反射回來，其余部分的光沿原光路繼續(xù)傳輸。在動態(tài)情況下，由于地震波的到 來，被測環(huán)境的加速度等發(fā)生變化，使得本發(fā)明發(fā)生與其同步相同頻率的振動，振動信號使 得振動傳感光纖光柵9的周期和折射率發(fā)生變化，從而引起振動傳感光纖光柵9的中心波 長在波長區(qū)域內(nèi)漂移，這時的反射光攜帶有使振動傳感光纖光柵9中心波長發(fā)生變化的振 動信號信息，通過測量振動傳感光纖光柵9中心波長的漂移量獲得周圍環(huán)境的振動加速度 大小，轉(zhuǎn)換成光信號輸出。為了驗證本發(fā)明的有益效果，發(fā)明人采用本發(fā)明實施例1、實施例2、實施例3制備 的用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器(實驗室名稱為光纖布拉格 光柵振動加速度傳感器)進行實驗室研究實驗，各種實驗情況如下實驗儀器寬帶光源，型號為ASE-CL-10-021140，由深圳朗光科技有限公司生 產(chǎn)；數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源，型號為LPS-305，由茂迪(寧波)電子有限公司生產(chǎn)；耦 合器，型號為WP15500202A1000，由無限光通訊(深圳)有限公司生產(chǎn)；數(shù)據(jù)采集卡，型號 為USB-0611，由美國NI (National Instrucments Corp)公司生產(chǎn)；光譜分析儀，型號為 MS9710C,由日本安立公司生產(chǎn)；標準振動臺，型號為WS-Z40，由北京波普世紀科技發(fā)展有 限公司生產(chǎn)；標準電荷加速度傳感器，由北京波普世紀科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)。1、測試振幅分辨率按儀器操作規(guī)程用實驗室自制的微振幅控制測量儀器使本發(fā)明實施例1的光纖 布拉格光柵振動加速度傳感器產(chǎn)生垂直微小位移，即相應(yīng)地引起振動傳感光纖光柵9的 中心波長產(chǎn)生漂移，并用光譜分析儀對振動傳感光纖光柵9中心波長產(chǎn)生的漂移量進行檢 測。實驗結(jié)果見表1。表1本發(fā)明產(chǎn)生的垂直位移與中心波長關(guān)系 由表1可見，正行程和反行程過程中振動傳感光纖光柵9的中心波長基本保持穩(wěn)定。用Mathematicae. 0軟件對表1中數(shù)據(jù)進行線性擬合，直線g是正行程擬合結(jié)果， 直線h是反行程擬合結(jié)果，擬合方程分別為y = 1532. 07+0. 324x (正行程)y = 1532. 06+0. 326x (反行程)式中y為振動傳感光纖光柵的中心波長，χ為本發(fā)明產(chǎn)生的垂直微小位移量。當實施例1產(chǎn)生垂直位移時，通過振動傳感光纖光柵5的中心波長漂移量可測得 實施例1的垂直位移。正行程、反行程的線性擬合度均達到了 99. 92%以上，實施例1的振 幅分辨率為324pm/mm。實驗和計算結(jié)果見圖5。由圖5可見，直線g和直線h幾乎重合，表 明本發(fā)明的測量重復(fù)性能好。2、測試幅頻特性曲線將本發(fā)明實施例1、實施例2和實施例3的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器固定 在標準振動臺上，在同放大器幅度下標準振動臺采用不同的正弦頻率激振，將激振頻率從 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、15、18、20、22HZ范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，得到同幅度不同頻率下的 動態(tài)測量特性數(shù)據(jù)，幅頻測試結(jié)果參見表2和圖6。表2.實施例1 3在同幅度不同激振頻率下的動態(tài)測試結(jié)果 由表2可見，實施例1從IHz到IOHz峰值電壓變化不大，基本保持在2. 07V左右， 15Hz時峰值電壓突然升高，18Hz到20Hz又再降低，20Hz到22Hz出現(xiàn)衰減；實施例2的峰 值電壓波動較大，8 9Hz時突然升高，IOHz后開始降低，穩(wěn)定性較實施例1差；實施例3在 3 7Hz之間峰值電壓變化不大，基本保持在2V，較為穩(wěn)定，12Hz時峰值電壓突然升高，15Hz 開始衰減。用Excel軟件對表2中數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果見圖6，圖6中曲線k為實施例1的幅 頻特性曲線，曲線i為實施例2的幅頻特性曲線，曲線j為實施例3的幅頻特性曲線。由圖 6可見，實施例1的平坦區(qū)域?qū)?，即頻帶寬，0 12Hz為幅值平坦區(qū)域，覆蓋了 IOHz以下的 低頻信號段，可選作工作區(qū)域，有利于探測IOHz以下包含豐富地震信息的低頻地震信號， 12 20Hz為共振區(qū)，20 22Hz為衰減區(qū)；由于實施例2中加工成彈性梁的材料較薄，從曲 線d可以看出實施例2的固有頻率約為8Hz，在1 7Hz之間整體波動較大，平坦性一般； 從曲線e可以看出實施例3的固有頻率約為12Hz，在1. 5Hz、9Hz處有兩個峰，3 7Hz之間 雖然較為平坦，但平坦區(qū)域較短。3、沖擊實驗將實施例1的光纖布拉格光柵振動傳感器固定在標準振動臺上對其做沖擊實驗。測試方法為對實施例1的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器施加大小為lm/s2 的加速度，然后測量撤除該加速度后的響應(yīng)曲線，見圖7。由圖7可以看出，實施例1的沖擊 響應(yīng)曲線是一個低頻阻尼振蕩的曲線，振動衰減快，有利于快速響應(yīng)下一次振動，由圖7中 振蕩曲線的周期可確定實施例1的固有頻率為16Hz。圖8是實施例1光纖布拉格光柵振動加速度傳感器的沖擊頻譜圖，由圖8可以看 出實施例1光纖布拉格光柵振動加速度傳感器的固有頻率為16Hz。 4、與標準電荷加速度傳感器的對比實驗(1)將實施例1 實施例3制備的光纖布拉格光柵振動傳感器與標準電荷加速度 傳感器同時固定在標準振動臺上，分別用3、4、5、6、7、8、10、11、20HZ的正弦信號進行同一 頻率不同幅度下的激振測試。實施例1、實施例2、實施例3與標準電荷加速度傳感器的對 比數(shù)據(jù)參見表3。表3同一頻率不同幅度激振下對比測試結(jié)果 由表3的實驗數(shù)據(jù)可見，在相同頻率不同放大器幅度下激振，實施例1、實施例2、 實施例3的峰值電壓明顯大于標準電荷加速度傳感器的峰值電壓，說明在相同測量情況下 實施例1、實施例2、實施例3光纖布拉格光柵振動加速度傳感器的靈敏度比標準電荷加速 度傳感器的靈敏度高；當將放大器幅度調(diào)整到較大時，實施例1、實施例2、實施例3光纖布 拉格光柵振動加速度傳感器探測的峰值電壓能隨著標準電荷加速度傳感器探測的峰值電 壓的改變而變化，說明本發(fā)明能很好地相應(yīng)外界振動，而相對于實施例2和實施例3，實施 例1的放大倍率與標準電荷加速度傳感器最為接近，幾乎相同。(2)用實驗室自制的電磁干擾儀器對實施例1光纖布拉格光柵振動加速度傳感器 和標準電荷加速度傳感器在相同條件下的振動情況進行干擾實驗，結(jié)果見圖9，圖9中曲線 1為實施例1光纖布拉格光柵振動加速度傳感器的響應(yīng)曲線，曲線m為標準電荷加速度傳感 器的響應(yīng)曲線。由圖9可以看出，在相同的振動測量環(huán)境下，標準電荷加速度傳感器的響應(yīng) 明顯受到電磁干擾，而不能進行振動測量，而實施例1依然能準確響應(yīng)振動。
權(quán)利要求
一種用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器，其特征在于在空心桿(1)的上部側(cè)壁上加工有開槽(a)、下端設(shè)置有上墊片(6)和位于上墊片(6)下的外沿間隔均布加工有3～8個刻槽(7b)的下墊片(7)，開槽(a)的下方空心桿(1)上設(shè)置上制動塊(2)和位于上制動塊(2)下的下制動塊(4)，在上制動塊(2)與下制動塊(4)之間的空心桿(1)上設(shè)置有沿空心桿(1)移動的質(zhì)量塊(3)，質(zhì)量塊(3)的上表面與上制動塊(2)底面間的距離為4mm、下表面與下制動塊(3)上表面間的距離為8mm，質(zhì)量塊(3)的下方空心桿(1)上設(shè)置由3～8片彈性臂(51)的上端與圓片(50)連為一體、自由端設(shè)置在下墊片(7)上構(gòu)成的彈性梁(5)，在任意一片彈性臂(51)的外側(cè)面上設(shè)置有振動傳感光纖光柵(9)，振動傳感光纖光柵(9)的輸入端和輸出端由開槽(a)穿入空心桿(1)從空心桿(1)上端穿出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器， 其特征在于所說的振動傳感光纖光柵(9)的波長為1520 1570nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器， 其特征在于所說的彈性臂(51)的厚度為0. 05 0. 17mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳 感器，其特征在于所說的彈性臂(51)為對稱結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)邊的外端之間的距離(d)為1 5mm，兩側(cè)邊的中點之間的距離(e)為2 12mm，臂長(f)為20 100mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器， 其特征在于所說的彈性臂(51)自由端的形狀為T形，下墊片(7)同一圓周上加工有3 8個與彈性臂(51)數(shù)字相同、形狀為T形的刻槽(7b)，彈性臂(51)的自由端插入到下墊片 (7)的刻槽(7b)內(nèi)。
全文摘要
一種用于低頻地震波監(jiān)測的光纖布拉格光柵振動加速度傳感器，在空心桿上部側(cè)壁上加工有開槽a、下端設(shè)上墊片和外沿間隔均布加工有3～8個刻槽的下墊片，開槽a下方空心桿上設(shè)上制動塊和位于上制動塊下的下制動塊，上制動塊與下制動塊之間的空心桿上設(shè)沿空心桿移動的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的上表面與上制動塊底面間的距離為4mm、下表面與下制動塊上表面間的距離為8mm，質(zhì)量塊的下方空心桿上設(shè)置由3～8片彈性臂的上端與圓片連為一體、自由端設(shè)置在下墊片上構(gòu)成的彈性梁，在任意一片彈性臂的外側(cè)面上設(shè)振動傳感光纖光柵，振動傳感光纖光柵的輸入端和輸出端從開槽a穿入空心桿從空心桿上端穿出。
文檔編號G01V1/18GK101907722SQ201010220879
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者喬學光, 傅海威, 馮忠耀, 周銳, 張敬花, 楊揚, 高宏 申請人:西北大學