[发明专利]基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头及井下矢量加速度计

说明书

本发明提供的是一种基于光纤干涉仪的矢量光纤传感探头及井下矢量加速度计。主要包括矢量光纤传感探头、信号采集系统、信号处理系统及外围设备；其中矢量光纤传感探头包括三个单轴加速度计、外圆筒、密封盖、防水密封光缆接头等；将两个跑道型光纤敏感环粘贴在等强度悬臂梁的两个表面构成推挽式结构，能够提升加速度计的灵敏度，而且通过向探头内部填充阻尼液增加阻尼，可以消除谐振对加速度计的影响；三个加速度计采用120°交叉堆叠放置的方式组成矢量光纤传感探头，能够有效控制探头的径向尺寸，可以满足很多对设备尺寸有限制的测量场景，特别适用于深井地震观测。

技术领域

本发明涉及的是一种光纤干涉测量装置，具体涉及一种光纤传感探头和一种矢量加速度计。

背景技术

地球是一个非常活跃的球体，大陆板块每时每刻都在移动，几乎每天都会发生地震，其中具有破坏性的地震每年超过100次，对世人造成了无数的灾难。20世纪以来，我国发生的具有破坏性的地震占全世界的30％以上，而且其中70％是浅源地震，破坏性大。我国80％以上的省份均遭到过地震灾害的影响，因地震丧生的人累计达66万人，受伤人数更高达百万，数亿人次受灾，地震对我国经济和民生造成了巨大的损失。因此，提高地震预报水平和能力迫在眉睫，为了达到这个目的，首先得发展出准确可靠的地震探测手段，获得大量与地震相关的数据，以提升对地震的了解，进而提高预报地震的能力。与地面观测相比，深井地震观测可以较好的去除地面人类活动对观测的影响，将混杂在高噪音背景中的大量微小地震和来自地下微弱的地球物理信息清晰的进行辨认、识别，井下地震观测已经成为地震观测的最佳手段，所以发展出能够满足深井地震观测使用的地震计是非常重要的，而加速度计是一种比较常用的地震测量装置。

目前，传统的加速度计主要分为以下几种类型，包括压阻型、电容型、压电型等。传统加速度计多是利用其内部晶体受压变形特性，通过质量块对加速度的敏感性，将作用到质量块上的力传递给晶体使其变形，从而将加速度转换成可探测的物理量，如电压、电容等，根据加速度和输出物理量之间的关系即可测得加速度大小。传统加速度计研究起步较早，技术已经相当成熟，然而传统的基于电子系统的传感系统仍然有非常明显的缺点，比如易受电磁干扰、不耐高温、不抗腐蚀等，还没有比较成熟的可用于深井环境地震观测的地震计。

近年来，由于光纤传感技术的迅猛发展，特别是光学信号解调技术的发展，使得众多研究者投入大量的精力在光纤传感技术研究上，越来越多的基于光纤的传感器相继问世，而且得益于光学信号解调技术的进步，光纤系统所能携带的信息量越来越丰富。光纤传感器因抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀等特点，应用领域越来越广泛，而且光纤传感器具有灵敏度高、动态范围大、长期可靠、稳定性好等优点，有逐渐替代传统电学传感器的趋势。由于光纤本身尺寸非常小，直接将光纤作为传感器很难发挥出光纤的全部性能，所以需要将光纤和其他结构复合在一起，以进一步挖掘光纤传感器的潜力，其中将光纤和机械结构复合是一种较为常用的复合方式。通过使用特殊的机械装置与光纤相互复合，组成换能器结构，可以将光纤本身不敏感的物理量转换成敏感物理量，比如位移、速度、加速度等。光纤加速度计是一种基于光纤传感技术的新型加速度计，可应用于航空航天、地震探测、石油勘探等领域。通过与不同的机械结构相互复合，光纤加速度计可以设计成各种各样的结构形式，常见类型有弹簧振子型、弹性梁型、弹性膜片型等。这些加速度计的共同特征是都是由三个主要部分组成，分别是固定单元、弹性单元、惯性单元，其中固定单元一般指结构框架，其主要作用是支撑和固定加速度计的整体结构，如用于固定弹性单元；弹性单元一般指弹簧、弹性梁、膜片等，是加速度计中的主要形变单元；惯性单元一般是指质量块，是加速度计中的加速度敏感单元。一般情况下光纤和弹性单元或惯性单元组合成换能器，当有加速度时，作用到惯性单元后会引起质量块等发生位移，然后带动弹性单元发生变形，最终使光纤的工作状态发生变化，从而将加速度信号转换成光纤内部的光信号，如光相位改变等，通过解光信号中的相位信息即可获得加速度信号。