專利名稱：光纖地震檢波器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于檢測地震波信號的傳感器設計領域，特別涉及一種基于光纖技術檢測微弱高/低頻地震波信號的傳感器。
背景技術：
地震檢波器在地震災害預防、石油天然氣勘探和國防安全監測等領域有著廣泛的應用，主要包括記錄震源、研究地球內部結構和地震波傳播特性，實現臨震預報；記錄人工震動經巖層分界面發生反射或折射引起的彈性波，認識地下地質構造以尋找油氣圈閉， 實現油氣儲存勘探；探測入侵目標引起的地面波，實現目標識別及預警安全監測。因此，地震波探測儀器市場空間非常巨大。現有的地震檢波器主要是基于電學原理設計制作而成的，將振動信息轉換為電壓信號，通過電子學手段測得電壓大小，由此實現地震波信號測量。從工作原理上現有的地震檢波器分為動圈式、渦流式、壓電式、壓阻式等，其缺點是易受電磁干擾，靈敏度比較低，特別是電子學器件易產生電火花，在油氣勘探領域中應用時存在安全隱患。光纖傳感器技術相對于傳統的電類傳感器具有以下優點靈敏度高、不受電磁干擾、結構小巧、易于組網及長距離傳輸等，按照其傳感機理可以分為強度調制型、干涉型、光纖光柵型、光纖激光型等，由于其具有以上優點，所以得到越來越廣泛的應用和研究。美國加州大學爾灣分校D. H. Kim等在2007年報道了一種基于雙光柵透射光強調制的光纖力口速度計(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固定在加速度計殼壁上，另一個固定在質量塊上。在振動作用下，兩光柵作相對移動，通過光柵的光強隨之變化，從而可探測振動的加速度。這種方法解調探測成本低，但復用能力差，傳感器結構復雜，體積大，不易集成，并且光源輸出抖動直接影響探測結果。文獻"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，其用三只波將復用的FBG分別間隔120°排列在圓管內壁，構成一支有方向性的地震檢波器。同傳統檢波器的對比沖擊測試結果表明在0. 1 IOHz范圍內頻 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構，它在豎立的圓柱桿上固定了質量塊和FBG，該系統本底噪聲較高，最小可探測的加速度僅能達到 0. lmg/Hz。這兩類傳感器易于復用，但是傳感器結構復雜，體積大，響應靈敏度較低，而且需要波長解調，解調設備昂貴。因此，需要提供一種結構緊湊、成本低廉、易于組網且具有高靈敏度的光纖地震檢波器。
發明內容
本發明的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種光纖地震檢波器， 其具有結構緊湊、成本低廉、易于組網的優點，且可實現對微弱地震波信號的高靈敏度探測。本發明的目的通過以下的技術方案實現光纖地震檢波器，包括傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結構、聚合物彈性管、支承構件、外殼和光纖導線；聚合物彈性管一端固定于支承構件上，另一端懸空感測振動；傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結構均封裝在聚合物彈性管內；聚合物彈性管外側由外殼保護，聚合物彈性管通過光纖導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內部傾斜光纖光柵的同時，利用其自身的高彈性有效將環境振動傳遞至內部光纖。所述包層-纖芯能量再耦合結構采用錯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的反向于入射光傳輸的低階包層模再次進入光纖纖芯，從而得到反映光纖振動信息的包層模能量變化，實現振動高靈敏度實時檢測。這兩種光纖加工方法具有制作簡單、不降低光纖機械強度、振動信息獲取直接、靈敏度高等優點。更進一步的，所述包層-纖芯能量再耦合結構采用錯位熔接法加工而成時，包層與纖芯的橫向錯位控制在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。由于包層模在進入光纖纖芯前傳輸損耗較大，因此錯位熔接點盡量接近傾斜光纖光柵，典型間距為2 5mm。整個傳感探頭(即包含錯位熔接點和傾斜光纖光柵)尺寸可小于 15mm. ο更進一步的，所述包層-纖芯能量再耦合結構采用光纖拉錐法加工而成時，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降低其機械強度。優選的，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用于提供振動信息，同時又有較強的纖芯反射模用于提供環境溫度信息和光強校準。聚合物彈性管要求具有較高的彈力回復性和機械強度，例如高彈性聚乙烯材料。聚合物彈性管與內部光纖之間的空隙通過光敏膠固化，例如環氧丙烯酸酯膠等， 用以增強彈性管應變快速有效的傳遞至內部光纖光柵，提高應變一致性。本發明的工作過程較傳統布拉格光纖光柵僅反射纖芯模工作方式(在光纖纖芯內傳輸的光波模式)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后向激發大量包層模(可在光纖包層傳輸的光波模式)。通常，這些后向傳輸的包層模只能在光纖包層內傳輸，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-纖芯能量再耦合結構，將后向傳輸的包層模有效再耦合進入光纖纖芯，此包層-纖芯耦合能量非常敏感于光纖微彎曲或光纖振動(包層模能量變化正比于光纖振動幅度)，因此，通過探測后向包層模能量變化即可實時監測地震波幅度和頻率信息。與此同時，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引入的光強抖動，并提供溫度變化信息。本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果1、本發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，其內部采用的包層-纖芯能量再耦合結構由錯位熔接法、光纖拉錐法加工而成，從而可具有更高的靈敏度，而且器解調更加簡單，解調成本低廉。2、本發明與傳統的電類傳感器相比，由于其采用光纖光柵所以具有不受電磁干擾等優點。3、本發明與直接強度調制型光纖地震檢波器相比，由于其采用了一個包層-纖芯能量再耦合結構，結構小巧，且該結構對光纖微彎曲或光纖振動非常敏感，靈敏度高。4、本發明與干涉型基于光纖地震檢波器相比，具有易于復用和組網的優點。
圖1是本發明裝置的結構示意圖；圖2是本發明實施例1的結構示意圖；圖3是本發明實施例2的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例1如圖1所示，在本實施例中，光纖地震檢波器，包括傾斜光纖光柵1、包層-纖芯能量再耦合結構2、聚合物彈性管3、支承構件4、外殼5和光纖導線6 ；聚合物彈性管3 —端固定于支承構件4上，另一端懸空感測振動；傾斜光纖光柵1、包層-纖芯能量再耦合結構 2均封裝在聚合物彈性管3內；聚合物彈性管3外側由外殼5保護；聚合物彈性管3通過光纖導線6與外部光源和光電探測器相連。所述聚合物彈性管3在保護內部傾斜光纖光柵1 的同時，利用其自身的高彈性有效將環境振動傳遞至內部光纖。如圖2所示，所述包層-纖芯能量再耦合結構2采用錯位熔接法加工而成。其中， 包層與纖芯的橫向錯位控制在3um(這時光纖纖芯直徑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，由于包層模在進入光纖線芯前傳輸損耗較大，因此錯位熔接點盡量接近傾斜光纖光柵1，典型間距2 5mm。本實施例中選擇3mm。整個傳感探頭尺寸小于15mm。用于耦合由傾斜光纖光柵激發的反向入射光傳輸的低階包層模再次進入光纖纖芯，從而得到反映光纖振動信息的包層模能量變化，實現振動高靈敏度實時檢測。采用該種光纖加工方法具有制作簡單、不降低光纖機械強度、振動信息獲取直接、靈敏度高的優點。 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用于提供振動信息，同時又有較強的纖芯反射模用于提供環境溫度信息和光強校準。 聚合物彈性管3要求具有較高的彈力回復性和機械強度，本實施例中采用高彈性
5聚乙烯材料作為聚合物彈性管的材料。聚合物彈性管3與內部光纖之間的空隙通過光敏膠固化，本實施例中采用環氧丙烯酸酯膠作為光敏膠，用以增強彈性管應變快速有效的傳遞至內部光纖光柵，提高應變一致性。本發明的工作過程較傳統布拉格光纖光柵僅反射纖芯模工作方式(在光纖纖芯內傳輸的光波模式)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后向激發大量包層模(可在光纖包層傳輸的光波模式)。通常，這些后向傳輸的包層模只能在光纖包層內傳輸，并且很快被衰減掉(光纖包層能量衰減較大)。通過采用錯位熔接法加工而成的包層-纖芯能量再耦合結構2，將后向傳輸的包層模有效再耦合進入光纖纖芯，此包層-纖芯耦合能量非常敏感于光纖微彎曲或光纖振動(包層模能量變化正比于光纖振動幅度)，因此，通過探測后向包層模能量變化即可實時監測地震波幅度和頻率信息。與此同時，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引入的光強抖動，并提供溫度變化信息。實施例2本實施例除下述特征外其他結構同實施例1 如圖3所示，所述包層-纖芯能量再耦合結構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，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，又避免纖錐過細降低其機械強度。同樣，拉錐位置盡量接近傾斜光纖光柵，典型間距2 5mm。本實施例中選擇3mm。 整個傳感探頭尺寸小于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。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.光纖地震檢波器，其特征在于，包括傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結構、聚合物彈性管、支承構件、外殼和光纖導線；聚合物彈性管一端固定于支承構件上，另一端懸空感測振動，傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結構均封裝在聚合物彈性管內；聚合物彈性管外側由外殼保護，聚合物彈性管通過光纖導線與外部光源和光電探測器相連；所述包層-纖芯能量再耦合結構采用錯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的反向于入射光傳輸的低階包層模再次進入光纖纖芯，得到反映光纖振動信息的包層模能量變化。
2.根據權利要求1所述的光纖地震檢波器，其特征在于，所述包層-纖芯能量再耦合結構采用錯位熔接法加工而成時，包層直徑為125um，光纖纖芯直徑在8 IOum之間時，包層與纖芯的橫向錯位需控制在2 4um之間。
3.根據權利要求2所述的光纖地震檢波器，其特征在于，錯位熔接點與傾斜光纖光柵之間的間距為2 5mm。
4.根據權利要求1所述的光纖地震檢波器，其特征在于，所述包層-纖芯能量再耦合結構采用光纖拉錐法加工而成時，未拉錐包層直徑為125um時，光纖拉錐直徑需控制在60 90um之間。
5.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的光纖地震檢波器，其特征在于，聚合物彈性管與內部光纖之間的空隙通過光敏膠固化。
9.根據權利要求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氧丙烯酸酯膠。
全文摘要
本發明公開了一種光纖地震檢波器，包括傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結構、聚合物彈性管、支承構件、外殼和光纖導線，聚合物彈性管一端固定于支承構件上，另一端懸空感測振動，傾斜光纖光柵、包層-纖芯能量再耦合結構均封裝在聚合物彈性管內；聚合物彈性管外側由外殼保護，聚合物彈性管通過光纖導線與外部光源和光電探測器相連；所述包層-纖芯能量再耦合結構采用錯位熔接法或光纖拉錐法加工而成。本發明采用了一個包層-纖芯能量再耦合結構，結構小巧，且該結構對光纖微彎曲或光纖振動非常敏感，靈敏度高，而且器解調更加簡單，解調成本低廉。
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 優先權日2011年4月27日
發明者關柏鷗, 郭團 申請人:暨南大學