專利名稱：一種光纖檢波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖檢波器。
背景技術(shù)：
光纖傳感器與對應(yīng)的常規(guī)傳感器相比，在靈敏度、動態(tài)范圍、可靠性等方面具有明顯的優(yōu)勢，在國防、軍事應(yīng)用領(lǐng)域顯得尤為突出，被許多國家列為重點發(fā)展的國防技術(shù)。光纖檢波器是利用光纖的傳光特性以及它與周圍環(huán)境相互作用產(chǎn)生的種種調(diào)制效應(yīng)，探測地表、地下、以及液體中的地震波信號的儀器。它與傳統(tǒng)的壓電類傳感器相比，有以下主要優(yōu)勢頻帶寬、聲壓靈敏度高、不受電磁干擾、重量輕、可設(shè)計成任意形狀，以及兼具信息傳感及光信息傳輸于一身等優(yōu)點。鑒于光纖檢波器的如上技術(shù)優(yōu)勢，可滿足各發(fā)達(dá)國家在石油、軍事等領(lǐng)域的要求， 目前已經(jīng)在此方面積極展開研究。曾楠等人(一種可用于油藏監(jiān)測的3分量光纖加速度傳感器，光電子·激光，第 16 卷第 8 期)、D. L. GARDNER 等人(A fiber-opticinterferometric seismometer, Jour. Lightwave Tech. LT_5 (7)，953-960，1987)都對光纖檢波器進(jìn)行了報道，其中的光纖檢波器均是由一個質(zhì)量塊和一個順變柱體構(gòu)成，光纖纏繞在由橡膠等材料做成的順變柱體上，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性位移使順變柱體發(fā)生形變，從而使光纖的長度發(fā)生變化。另外一類光纖檢波器采用膜片式結(jié)構(gòu)，如王永杰等(盤片式光纖傳感器靈敏度計算方法，光學(xué)學(xué)報 27(08) :1387-1392)、Cranch 等(High-responsivity fiber-optic flexural disk accelerometers, Jour. LightwaveTech. 18 (9), 2000)對膜片式力口速度計進(jìn)行了報道。該光纖檢波器將光纖纏繞在膜片上，通過在加速度作用下膜片的變形帶動光纖產(chǎn)生形變，從而引起光程差發(fā)生變化。在上述技術(shù)方案中存在以下共同問題。首先，檢波器體積較大，由于要制作順變柱體或膜片，并留有一定的空間安裝質(zhì)量塊等，傳感器的體積不能做得很小，一般尺寸都要大于50mmX50mmX40mm。第二，橫向靈敏度較大，由橡膠制作的順變柱體很容易在橫向振動下變形，膜片也有不可忽視的橫向靈敏度。從目前報道的結(jié)果看很容易說明這個問題。第三，制作工藝復(fù)雜。順變柱體類檢波器的制作要經(jīng)歷模具設(shè)計、澆注、固化、纏繞光纖、組裝等多個環(huán)節(jié)；而膜片類檢波器將光纖纏繞在膜片上的難度也較大(王永杰，ZL 200610171659. 9，一種光纖應(yīng)變盤及其制作方法)，這些工藝難度將降低傳感器的一致性。 第四，上述各種技術(shù)方案的傳感器單元均不適用于在水下工作的情況，尤其是在深水中當(dāng)水壓比較大的時候，順變柱體受壓變形將使其不能正常工作。雖然可以在檢波器外面加耐壓護(hù)罩，但這無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。因此，如何減小傳感器的體積，減小橫向靈敏度的影響，降低制作工藝難度，并使傳感器可以工作在陸地和水下是該類光纖檢波器目前尚未解決的技術(shù)問題，而此類技術(shù)問題將很大程度上限制傳感器的應(yīng)用范圍。例如，在井下石油勘探作業(yè)中，井口直徑不大于110mm，因此傳感器的體積必須細(xì)小，以保證可以順利安裝于井下。又如，在石油勘探作業(yè)中應(yīng)用時，為了獲得清晰的地層剖面成像，一方面，要求檢波器的橫向靈敏度越低越好，這樣才可以分辨不同方向的地震波信號；另一方面，要求檢波器必須有很高的一致性。再如，當(dāng)進(jìn)行井下和海底石油勘探作業(yè)時， 要求傳感器能夠耐靜水壓，在某些情況下，靜水壓可達(dá)SOMPa以上。如上這些應(yīng)用領(lǐng)域，都對地震檢波器提出了苛刻的性能要求，這也是本實用新型提出的技術(shù)背景。因此，本實用新型提出一種光纖檢波器，用于在軍事領(lǐng)域和石油勘探等民用領(lǐng)域的地震波勘探，重點解決傳感器的體積、橫向靈敏度、水下靜壓平衡等問題。

實用新型內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本實用新型的主要目的在于提供一種光纖檢波器，以解決傳感器的體積、橫向靈敏度、工藝難度及一致性、耐水下靜壓等問題。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本實用新型提供了一種光纖檢波器，該光纖檢波器包括纏繞有傳感臂光纖50和參考臂光纖60的支撐梁20 ；安裝于支撐梁20兩側(cè)用于安裝膜片30的端架10 ；安裝于端架10上能夠在外界振動信號激勵下產(chǎn)生形變的膜片30 ；與膜片30 —起在外界振動信號激勵下振動，拉動傳感臂光纖50產(chǎn)生形變的質(zhì)量塊40 ；以及用于使傳感臂光纖50和參考臂光纖60中的光發(fā)生干涉的耦合器70。上述方案中，所述傳感臂光纖50纏繞于支撐梁20和質(zhì)量塊40上，質(zhì)量塊40和膜片30在外界振動信號激勵下，拉動傳感臂光纖50產(chǎn)生光程變化。上述方案中，所述參考臂光纖60纏繞于支撐梁20上，以提供參考光程。上述方案中，所述支撐梁20為圓柱形，以便于纏繞光纖。上述方案中，所述質(zhì)量塊40用于纏繞光纖的側(cè)面為一圓柱面，以便于纏繞光纖。上述方案中，所述膜片30被加工成不同的形狀，以調(diào)整檢波器的靈敏度和自振頻率。所述膜片30中部開孔32，用于通過螺栓安裝質(zhì)量塊40，膜片30端部開有孔31，用于與端架10通過螺釘安裝。所述膜片30為三角形梁的形狀，以增加靈敏度。上述方案中，該光纖檢波器通過端架10以螺紋或粘接的方式安裝于一底座80上， 并在底座80上通過螺栓或粘接安裝一保護(hù)罩81。在所述保護(hù)罩81上開有孔82以引出耦合器70的尾纖71。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本實用新型具有以下有益效果1、本實用新型提供的這種光纖檢波器，通過在支撐梁和質(zhì)量塊上纏繞光纖，并利用膜片作為彈性元件，有效地減小了光纖檢波器的體積。2、本實用新型提供的這種光纖檢波器，通過利用膜片來限制質(zhì)量塊的振動方式， 有效地減小了橫向靈敏度。3、本實用新型提供的這種光纖檢波器，沒有采用橡膠等順變柱體或膜片，而是采用光纖在構(gòu)件上纏繞的方法，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效地降低了工藝難度，并提高了檢波器的一致性。4、本實用新型提供的這種光纖檢波器，沒有采用橡膠等易壓縮的彈性體，除光纖外的主要部件均為金屬機(jī)加工而成，具有天然的耐靜壓能力。

圖1為本實用新型提供的光纖檢波器的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實用新型提供的光纖檢波器的側(cè)視圖(剖視圖)；圖3為本實用新型提供的光纖檢波器的質(zhì)量塊40的示意圖；圖4為本實用新型提供的光纖檢波器的膜片30的示意圖；圖5為本實用新型提供的光纖檢波器帶保護(hù)罩的示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。請參照圖1，該光纖檢波器包括纏繞有傳感臂光纖50和參考臂光纖60的支撐梁 20 ；安裝于支撐梁20兩側(cè)用于安裝膜片30的端架10 ；安裝于端架10上能夠在外界振動信號激勵下產(chǎn)生形變的膜片30 ；與膜片30 —起在外界振動信號激勵下振動，拉動傳感臂光纖 50產(chǎn)生形變的質(zhì)量塊40 ；以及用于使傳感臂光纖50和參考臂光纖60中的光發(fā)生干涉的耦合器70。其中，傳感臂光纖50纏繞于支撐梁20和質(zhì)量塊40上，質(zhì)量塊40和膜片30在外界振動信號激勵下，拉動傳感臂光纖50產(chǎn)生光程變化。參考臂光纖60纏繞于支撐梁20上， 以提供參考光程。質(zhì)量塊40用于纏繞光纖的側(cè)面為一圓柱面，以便于纏繞光纖。膜片30 可被加工成不同的形狀，以調(diào)整檢波器的靈敏度和自振頻率。所述膜片30中部開孔32，用于通過螺栓安裝質(zhì)量塊40，膜片30端部開有孔31，用于與端架10通過螺釘安裝。所述膜片30為三角形梁的形狀，以增加靈敏度。支撐梁20為圓柱形，以便于纏繞光纖；參考圖3，質(zhì)量塊40 —般可由一圓柱體沿母線方向加工出一平面41獲得，所保留的圓柱面42為纏繞光纖方便一般大于半個圓柱面。 纏繞光纖的側(cè)面為一圓柱面42，以便于纏繞光纖。參考圖4，膜片30可加工成不同的形狀，以調(diào)整檢波器的靈敏度、自振頻率等特性。在本實施例中，膜片30中部開孔32，用于通過螺栓安裝質(zhì)量塊40 ；膜片30端部開孔 31，用于和端架10通過螺釘安裝。膜片30為三角形梁的形狀，以增加靈敏度。本實用新型提供的光纖檢波器的工作原理為，檢波器通過端架10以螺紋連接或粘接的方式安裝于被測物體上。當(dāng)有地震波信號時，質(zhì)量塊40在膜片30的約束下沿垂直于膜片的方向振動，從而帶動纏繞在支撐梁20和質(zhì)量塊40上的傳感臂光纖50產(chǎn)生應(yīng)變， 引起光程發(fā)生變化。傳感臂光纖50中的光與參考臂光纖60中的光發(fā)生干涉后，干涉相位將隨外界振動信號而變化，通過解調(diào)設(shè)備檢測相位變化從而解調(diào)出地震波信號。如圖5所示，為了進(jìn)一步保護(hù)光纖，可將本實用新型提供的光纖檢波器通過端架 10以螺紋或粘接的方式安裝于一底座80上，并在底座80上安裝一保護(hù)罩81，安裝方式可為螺栓或粘接。在保護(hù)罩81上開孔82用于引出耦合器70的尾纖71。由于本實用新型提供的光纖檢波器不含橡膠等彈性體材料，故具有天然的耐靜壓能力，可以工作在海底等深水高壓區(qū)域，因此保護(hù)罩81的密封要求大大降低。 以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種光纖檢波器，其特征在于，該光纖檢波器包括纏繞有傳感臂光纖(50)和參考臂光纖(60)的支撐梁(20)；安裝于支撐梁(20)兩側(cè)用于安裝膜片(30)的端架(10)；安裝于端架(10)上能夠在外界振動信號激勵下產(chǎn)生形變的膜片(30)；與膜片(30) —起在外界振動信號激勵下振動，拉動傳感臂光纖(50)產(chǎn)生形變的質(zhì)量塊(40)；以及用于使傳感臂光纖(50)和參考臂光纖(60)中的光發(fā)生干涉的耦合器(70)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖檢波器，其特征在于，所述傳感臂光纖(50)纏繞于支撐梁(20)和質(zhì)量塊(40)上，質(zhì)量塊(40)和膜片(30)在外界振動信號激勵下，拉動傳感臂光纖(50)產(chǎn)生光程變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖檢波器，其特征在于，所述參考臂光纖(60)纏繞于支撐梁(20)上，以提供參考光程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖檢波器，其特征在于，所述支撐梁(20)為圓柱形，以便于纏繞光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖檢波器，其特征在于，所述質(zhì)量塊(40)用于纏繞光纖的側(cè)面為一圓柱面，以便于纏繞光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖檢波器，其特征在于，所述膜片(30)被加工成不同的形狀，以調(diào)整檢波器的靈敏度和自振頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖檢波器，其特征在于，所述膜片(30)中部開孔(32)，用于通過螺栓安裝質(zhì)量塊(40)，膜片(30)端部開有孔(31)，用于與端架(10)通過螺釘安裝。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖檢波器，其特征在于，所述膜片(30)為三角形梁的形狀， 以增加靈敏度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖檢波器，其特征在于，該光纖檢波器通過端架(10)以螺紋或粘接的方式安裝于一底座(80)上，并在底座(80)上通過螺栓或粘接安裝一保護(hù)罩 (81)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖檢波器，其特征在于，在所述保護(hù)罩(81)上開有孔 (82)以引出耦合器(70)的尾纖(71)。
專利摘要本實用新型公開了一種光纖檢波器，該光纖檢波器包括纏繞有傳感臂光纖(50)和參考臂光纖(60)的支撐梁(20)；安裝于支撐梁(20)兩側(cè)用于安裝膜片(30)的端架(10)；安裝于端架(10)上能夠在外界振動信號激勵下產(chǎn)生形變的膜片(30)；與膜片(30)一起在外界振動信號激勵下振動，拉動傳感臂光纖(50)產(chǎn)生形變的質(zhì)量塊(40)；以及用于使傳感臂光纖(50)和參考臂光纖(60)中的光發(fā)生干涉的耦合器(70)。利用本實用新型，通過在支撐梁和質(zhì)量塊上纏繞光纖，并利用膜片作為彈性元件，有效地減小了光纖檢波器的體積，通過利用膜片來限制質(zhì)量塊的振動方式，有效地減小了橫向靈敏度。
文檔編號G01V1/18GK202133785SQ201120244458
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者張文濤, 李芳 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所