專利名稱：光纖地震檢波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測地震波信號的傳感器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光纖技術(shù)檢測微弱高/低頻地震波信號的傳感器。
背景技術(shù)：
地震檢波器在地震災(zāi)害預(yù)防、石油天然氣勘探和國防安全監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要包括記錄震源、研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震波傳播特性，實(shí)現(xiàn)臨震預(yù)報(bào)；記錄人工震動(dòng)經(jīng)巖層分界面發(fā)生反射或折射引起的彈性波，認(rèn)識地下地質(zhì)構(gòu)造以尋找油氣圈閉， 實(shí)現(xiàn)油氣儲存勘探；探測入侵目標(biāo)引起的地面波，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別及預(yù)警安全監(jiān)測。因此，地震波探測儀器市場空間非常巨大?，F(xiàn)有的地震檢波器主要是基于電學(xué)原理設(shè)計(jì)制作而成的，將振動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過電子學(xué)手段測得電壓大小，由此實(shí)現(xiàn)地震波信號測量。從工作原理上現(xiàn)有的地震檢波器分為動(dòng)圈式、渦流式、壓電式、壓阻式等，其缺點(diǎn)是易受電磁干擾，靈敏度比較低，特別是電子學(xué)器件易產(chǎn)生電火花，在油氣勘探領(lǐng)域中應(yīng)用時(shí)存在安全隱患。光纖傳感器技術(shù)相對于傳統(tǒng)的電類傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)靈敏度高、不受電磁干擾、結(jié)構(gòu)小巧、易于組網(wǎng)及長距離傳輸?shù)?，按照其傳感機(jī)理可以分為強(qiáng)度調(diào)制型、干涉型、光纖光柵型、光纖激光型等，由于其具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以得到越來越廣泛的應(yīng)用和研究。美國加州大學(xué)爾灣分校D. H. Kim等在2007年報(bào)道了一種基于雙光柵透射光強(qiáng)調(diào)制的光纖力口速度計(jì)(D. H. Kim,M. Q. Feng. Real-time structural health monitoring using a novel fiber-optic accelerometer system[J]. IEEE Sens. J. ,2007,7 (4) :536 543)。 其方法是兩光柵一個(gè)固定在加速度計(jì)殼壁上，另一個(gè)固定在質(zhì)量塊上。在振動(dòng)作用下，兩光柵作相對移動(dòng)，通過光柵的光強(qiáng)隨之變化，從而可探測振動(dòng)的加速度。這種方法解調(diào)探測成本低，但復(fù)用能力差，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，不易集成，并且光源輸出抖動(dòng)直接影響探測結(jié)果。文獻(xiàn)"A fiber-optic Bragg grating seismic sensor"(A. Laudati,F. Mennella, M. Giordano et al. . IEEE Photon. Technol. Lett. , 2007,19 (24) :1991 1993)公開了一種光纖光柵型地震檢波器，其用三只波將復(fù)用的FBG分別間隔120°排列在圓管內(nèi)壁，構(gòu)成一支有方向性的地震檢波器。同傳統(tǒng)檢波器的對比沖擊測試結(jié)果表明在0. 1 IOHz范圍內(nèi)頻 口向@一 ！。 tSK“Design and test of a laser-based optical-fiber Bragg-grating accelerometer for seismic applications Gagliardi，，(GGagliardi,M Salza,P Ferraro et al. . Meas. Sci. Technol. , 2008,19 (8) :085306)公開了一種相似的傳感器結(jié)構(gòu)，它在豎立的圓柱桿上固定了質(zhì)量塊和FBG，該系統(tǒng)本底噪聲較高，最小可探測的加速度僅能達(dá)到 0. lmg/Hz。這兩類傳感器易于復(fù)用，但是傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，響應(yīng)靈敏度較低，而且需要波長解調(diào)，解調(diào)設(shè)備昂貴。因此，需要提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、易于組網(wǎng)且具有高靈敏度的光纖地震檢波器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種光纖地震檢波器， 其具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、易于組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)對微弱地震波信號的高靈敏度探測。本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)光纖地震檢波器，包括傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)、聚合物彈性管、支承構(gòu)件、外殼和光纖導(dǎo)線；聚合物彈性管一端固定于支承構(gòu)件上，另一端懸空感測振動(dòng)；傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)均封裝在聚合物彈性管內(nèi)；聚合物彈性管外側(cè)由外殼保護(hù)，聚合物彈性管通過光纖導(dǎo)線與外部光源和光電探測器相連；所述聚合物彈性管在保護(hù)內(nèi)部傾斜光纖光柵的同時(shí)，利用其自身的高彈性有效將環(huán)境振動(dòng)傳遞至內(nèi)部光纖。所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)位熔接法或光纖拉錐法加工而成，用于耦合由傾斜光纖光柵激發(fā)的反向于入射光傳輸?shù)牡碗A包層模再次進(jìn)入光纖纖芯，從而得到反映光纖振動(dòng)信息的包層模能量變化，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)高靈敏度實(shí)時(shí)檢測。這兩種光纖加工方法具有制作簡單、不降低光纖機(jī)械強(qiáng)度、振動(dòng)信息獲取直接、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。更進(jìn)一步的，所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)位熔接法加工而成時(shí)，包層與纖芯的橫向錯(cuò)位控制在2 4um，其中光纖纖芯直徑在8 10um、包層直徑在125um。采用此橫向錯(cuò)位熔接方式既能夠保證充足的包層模-纖芯模耦合通道，又能夠避免引入過大的熔接損耗。由于包層模在進(jìn)入光纖纖芯前傳輸損耗較大，因此錯(cuò)位熔接點(diǎn)盡量接近傾斜光纖光柵，典型間距為2 5mm。整個(gè)傳感探頭(即包含錯(cuò)位熔接點(diǎn)和傾斜光纖光柵)尺寸可小于 15mm. ο更進(jìn)一步的，所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)采用光纖拉錐法加工而成時(shí)，光纖拉錐直徑控制在60 90um，未拉錐包層直徑125um，這樣既能夠保證充足的包層模-纖芯模耦合通道，又能夠避免纖錐過細(xì)降低其機(jī)械強(qiáng)度。優(yōu)選的，拉錐位置盡量接近傾斜光纖光柵，典型間距為2 5mm。作為優(yōu)選方案，所述傾斜光纖光柵采用傾斜光柵，光柵傾斜角度為2-4度，這一傾角范圍即保證充足的低級包層模激發(fā)用于提供振動(dòng)信息，同時(shí)又有較強(qiáng)的纖芯反射模用于提供環(huán)境溫度信息和光強(qiáng)校準(zhǔn)。聚合物彈性管要求具有較高的彈力回復(fù)性和機(jī)械強(qiáng)度，例如高彈性聚乙烯材料。聚合物彈性管與內(nèi)部光纖之間的空隙通過光敏膠固化，例如環(huán)氧丙烯酸酯膠等， 用以增強(qiáng)彈性管應(yīng)變快速有效的傳遞至內(nèi)部光纖光柵，提高應(yīng)變一致性。本發(fā)明的工作過程較傳統(tǒng)布拉格光纖光柵僅反射纖芯模工作方式(在光纖纖芯內(nèi)傳輸?shù)墓獠Ｊ?不同的是，傾斜光纖光柵由于光柵傾斜角度的引入，在反射纖芯模的同時(shí)后向激發(fā)大量包層模(可在光纖包層傳輸?shù)墓獠Ｊ?。通常，這些后向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖ荒茉诠饫w包層內(nèi)傳輸，并且很快被衰減掉(光纖包層能量衰減較大)。通過采用錯(cuò)位熔接法或光纖拉錐法加工而成的包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)，將后向傳輸?shù)陌鼘幽Ｓ行г亳詈线M(jìn)入光纖纖芯，此包層-纖芯耦合能量非常敏感于光纖微彎曲或光纖振動(dòng)(包層模能量變化正比于光纖振動(dòng)幅度)，因此，通過探測后向包層模能量變化即可實(shí)時(shí)監(jiān)測地震波幅度和頻率信息。與此同時(shí)，傾斜光柵纖芯模反射能量不隨光纖微彎曲變化，可有效消除光源和傳輸系統(tǒng)引入的光強(qiáng)抖動(dòng)，并提供溫度變化信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本發(fā)明與已有的基于光纖光柵或光纖激光器的光纖地震檢波器相比，其內(nèi)部采用的包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)由錯(cuò)位熔接法、光纖拉錐法加工而成，從而可具有更高的靈敏度，而且器解調(diào)更加簡單，解調(diào)成本低廉。2、本發(fā)明與傳統(tǒng)的電類傳感器相比，由于其采用光纖光柵所以具有不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。3、本發(fā)明與直接強(qiáng)度調(diào)制型光纖地震檢波器相比，由于其采用了一個(gè)包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)小巧，且該結(jié)構(gòu)對光纖微彎曲或光纖振動(dòng)非常敏感，靈敏度高。4、本發(fā)明與干涉型基于光纖地震檢波器相比，具有易于復(fù)用和組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1如圖1所示，在本實(shí)施例中，光纖地震檢波器，包括傾斜光纖光柵1、包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)2、聚合物彈性管3、支承構(gòu)件4、外殼5和光纖導(dǎo)線6 ；聚合物彈性管3 —端固定于支承構(gòu)件4上，另一端懸空感測振動(dòng)；傾斜光纖光柵1、包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu) 2均封裝在聚合物彈性管3內(nèi)；聚合物彈性管3外側(cè)由外殼5保護(hù)；聚合物彈性管3通過光纖導(dǎo)線6與外部光源和光電探測器相連。所述聚合物彈性管3在保護(hù)內(nèi)部傾斜光纖光柵1 的同時(shí)，利用其自身的高彈性有效將環(huán)境振動(dòng)傳遞至內(nèi)部光纖。如圖2所示，所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)2采用錯(cuò)位熔接法加工而成。其中， 包層與纖芯的橫向錯(cuò)位控制在3um(這時(shí)光纖纖芯直徑8um，包層直徑125um)，既保證充足的包層模-纖芯模耦合通道，又避免引入過大的熔接損耗。與此同時(shí)，由于包層模在進(jìn)入光纖線芯前傳輸損耗較大，因此錯(cuò)位熔接點(diǎn)盡量接近傾斜光纖光柵1，典型間距2 5mm。本實(shí)施例中選擇3mm。整個(gè)傳感探頭尺寸小于15mm。用于耦合由傾斜光纖光柵激發(fā)的反向入射光傳輸?shù)牡碗A包層模再次進(jìn)入光纖纖芯，從而得到反映光纖振動(dòng)信息的包層模能量變化，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)高靈敏度實(shí)時(shí)檢測。采用該種光纖加工方法具有制作簡單、不降低光纖機(jī)械強(qiáng)度、振動(dòng)信息獲取直接、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。 所述傾斜光纖光柵1采用傾斜光柵，光柵傾斜角度為2度，這一傾角范圍即保證充足的低級包層模激發(fā)用于提供振動(dòng)信息，同時(shí)又有較強(qiáng)的纖芯反射模用于提供環(huán)境溫度信息和光強(qiáng)校準(zhǔn)。 聚合物彈性管3要求具有較高的彈力回復(fù)性和機(jī)械強(qiáng)度，本實(shí)施例中采用高彈性
5聚乙烯材料作為聚合物彈性管的材料。聚合物彈性管3與內(nèi)部光纖之間的空隙通過光敏膠固化，本實(shí)施例中采用環(huán)氧丙烯酸酯膠作為光敏膠，用以增強(qiáng)彈性管應(yīng)變快速有效的傳遞至內(nèi)部光纖光柵，提高應(yīng)變一致性。本發(fā)明的工作過程較傳統(tǒng)布拉格光纖光柵僅反射纖芯模工作方式(在光纖纖芯內(nèi)傳輸?shù)墓獠Ｊ?不同的是，傾斜光纖光柵1由于光柵傾斜角度的引入，在反射纖芯模的同時(shí)后向激發(fā)大量包層模(可在光纖包層傳輸?shù)墓獠Ｊ?。通常，這些后向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖ荒茉诠饫w包層內(nèi)傳輸，并且很快被衰減掉(光纖包層能量衰減較大)。通過采用錯(cuò)位熔接法加工而成的包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)2，將后向傳輸?shù)陌鼘幽Ｓ行г亳詈线M(jìn)入光纖纖芯，此包層-纖芯耦合能量非常敏感于光纖微彎曲或光纖振動(dòng)(包層模能量變化正比于光纖振動(dòng)幅度)，因此，通過探測后向包層模能量變化即可實(shí)時(shí)監(jiān)測地震波幅度和頻率信息。與此同時(shí)，傾斜光柵纖芯模反射能量不隨光纖微彎曲變化，可有效消除光源和傳輸系統(tǒng)引入的光強(qiáng)抖動(dòng)，并提供溫度變化信息。實(shí)施例2本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1 如圖3所示，所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)2采用光纖拉錐法加工而成。其中，在未拉錐包層直徑為125um時(shí)，光纖拉錐直徑控制在60 90um之間，既保證充足的包層模-纖芯模耦合通道，又避免纖錐過細(xì)降低其機(jī)械強(qiáng)度。同樣，拉錐位置盡量接近傾斜光纖光柵，典型間距2 5mm。本實(shí)施例中選擇3mm。 整個(gè)傳感探頭尺寸小于15mm。所述傾斜光纖光柵1采用傾斜光柵，光柵傾斜角度為4度。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.光纖地震檢波器，其特征在于，包括傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)、聚合物彈性管、支承構(gòu)件、外殼和光纖導(dǎo)線；聚合物彈性管一端固定于支承構(gòu)件上，另一端懸空感測振動(dòng)，傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)均封裝在聚合物彈性管內(nèi)；聚合物彈性管外側(cè)由外殼保護(hù)，聚合物彈性管通過光纖導(dǎo)線與外部光源和光電探測器相連；所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)位熔接法或光纖拉錐法加工而成，用于耦合由傾斜光纖光柵激發(fā)的反向于入射光傳輸?shù)牡碗A包層模再次進(jìn)入光纖纖芯，得到反映光纖振動(dòng)信息的包層模能量變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖地震檢波器，其特征在于，所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)位熔接法加工而成時(shí)，包層直徑為125um，光纖纖芯直徑在8 IOum之間時(shí)，包層與纖芯的橫向錯(cuò)位需控制在2 4um之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖地震檢波器，其特征在于，錯(cuò)位熔接點(diǎn)與傾斜光纖光柵之間的間距為2 5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖地震檢波器，其特征在于，所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)采用光纖拉錐法加工而成時(shí)，未拉錐包層直徑為125um時(shí)，光纖拉錐直徑需控制在60 90um之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖地震檢波器，其特征在于，拉錐位置與傾斜光纖光柵之間的間距為2 5mmο
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖地震檢波器，其特征在于，所述傾斜光纖光柵采用傾斜光柵，光柵傾斜角度為2 4度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖地震檢波器，其特征在于，聚合物彈性管采用高彈性聚乙烯材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖地震檢波器，其特征在于，聚合物彈性管與內(nèi)部光纖之間的空隙通過光敏膠固化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光纖地震檢波器，其特征在于，所述光敏膠具體是指環(huán)氧丙烯酸酯膠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖地震檢波器，包括傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)、聚合物彈性管、支承構(gòu)件、外殼和光纖導(dǎo)線，聚合物彈性管一端固定于支承構(gòu)件上，另一端懸空感測振動(dòng)，傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)均封裝在聚合物彈性管內(nèi)；聚合物彈性管外側(cè)由外殼保護(hù)，聚合物彈性管通過光纖導(dǎo)線與外部光源和光電探測器相連；所述包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)采用錯(cuò)位熔接法或光纖拉錐法加工而成。本發(fā)明采用了一個(gè)包層-纖芯能量再耦合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)小巧，且該結(jié)構(gòu)對光纖微彎曲或光纖振動(dòng)非常敏感，靈敏度高，而且器解調(diào)更加簡單，解調(diào)成本低廉。
文檔編號G02B6/02GK102262241SQ20111010642
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者關(guān)柏鷗, 郭團(tuán) 申請人:暨南大學(xué)