专利名称：光栅谐振子检测地震波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及勘探地球物理技术，尤其是涉及适用于与地震勘探仪器配套的振动信号传感器。
背景技术：
传统的与地震勘探仪器配套使用的振动信号传感器，可参见由国家知识产权局于2002年12月18日授权公告的光栅地震检波器，其专利号为01269996.9。在该装置中，主光栅固定在一个仅可做纵向运动的弹性装置上，并且与指示光栅一同构成光栅副。由上述弹性装置及光栅副构成光栅谐振子，该光栅谐振子置于准直后光源与光电转换器件之间，并共同封装于密封的外壳中。
上述装置虽然解决了将地震的波动信号转换为数字形式输出的问题，但是仍然存在着如下缺点(1)莫尔条纹个数会有漏记的现象；(2)对检测振动的方向有误判断的现象；(3)输出信号是无阻尼状态。由于上述缺点，传统的光栅地震检波器输出的信号质量较差。
发明内容
本发明所述光栅谐振子检测地震波装置，通过采用裂相式指示光栅、设置阻尼调节器和设置光栅调节器的方式，解决地震检测器输出信号质量较差的问题。
一种光栅谐振子检测地震波装置，它由安装于壳体内的光源、聚光镜、光电转换及放大器件、光栅副和光栅调节器共同组成；由光栅副中的主光栅、固定主光栅的光栅架、固定光栅架于壳体上的横向限振片和卡簧组成光栅谐振子；所述光栅谐振子置于准直后的光源与光电池之间；所述光栅副为振幅裂相式结构；在所述光栅谐振子的光栅架上，设有上下两个阻尼筒，另有两个磁钢分别置于两个阻尼筒，该两个磁钢的外端分别固定于可改变磁钢在阻尼筒内占据的长度比例的阻尼调节器上；所述光栅调节器包括调节两光栅栅线间夹角和调节两光栅间距及平行度的两套调节装置。
由若干组间隔为(n+1/4)W的指示光栅与主光栅叠放在一起组成振幅裂相式光栅副，所述指示光栅各相相互平行，刻线错开四分之一节距，在刻线方向上分成相差π/2的相位差的若干个区域，将指示光栅的刻线调节到与标尺光栅刻线平行，由若干组光电池分别接收上述若干个刻划区与主光栅相对运动各自形成的光闸莫尔条纹信号；指示光栅由4相光栅组成，在刻线方向上分成4个区域，由4组光电池接收光闸莫尔条纹信号。
主光栅和指示光栅由光学玻璃材料组成，其间距为0.02～1mm。
所述指示光栅、光电器件间隔共同固定于筒状的调节主、副光栅间距及平行度的第一光栅调节装置上，该第一光栅调节装置活动套置在其外侧的圆台形端盖的凸台上，并且通过若干个调整螺钉实现与圆台形端盖的固定及相对横向位移的调整；所述圆台形端盖通过若干个具有弹簧垫片的调整螺钉，固定于所述壳体的侧向口部，该圆台形端盖为调节主、副光栅栅线间夹角的第二光栅调节装置。
阻尼调节器螺旋连接于壳体上，其螺纹长度应确保磁钢在阻尼筒内，可调节占据长度的比例的需要。
横向限振片为薄铍青铜带经热处理方式制成，其形状为弓形臂，呈三支点式连接于内外卡环之间。
本发明是利用光栅谐振子随大地震动产生莫尔条纹，以震动上下方向不同对莫尔条纹进行分别计数，再转换为电能并以数字信号输出的机—光—电耦合转换装置。采用判向电路及软件将上述地震波的振动信号再现。在地震勘探中，以最大的逼真度产生与地震波动相对应的振动幅值和频率。本发明是一种比较先进的计数型光栅数字地震检波器。
本发明与传统的地震检波器相比，具有如下优点和积极效果1.利用裂相式指示光栅组结构，减小判向误差2.设置阻尼调节器，使输出信号阻尼系数有0-0.9的调整范围；3.设置了光栅调节器，调整光栅副之间的距离和角度，提高了记数的准确性，使检波器参数更为合理。
4.本装置结构简单、紧凑、调整方便、性能稳定，直接输出数字信号，具有位移与速度检测的双重功能。
图1是本发明所述光栅谐振子检测地震波装置的结构示意图；图2是本发明所述光栅谐振子检测地震波装置的阻尼调节器结构示意图；图3是本发明所述光栅谐振子检测地震波装置的限振片结构示意图；图4是本发明所述光栅谐振子检测地震波装置的光栅调节器结构示意图。
图5是本发明所述光栅谐振子检测地震波装置的横向限振片的结构示意图。
具体实施例方式
本发明的振幅裂相式光栅副由4组间隔(n+1/4)W(W是指光栅常数或者称光栅节距)(n＝0，1，2，...)的指示光栅5与主光栅2叠放在一起组成。指示光栅5采用裂相式，由4相相互平行但刻线错开四分之一节距的光栅组成，在刻线方向上分成4个区域，每一区域都按常规方法刻划，但每刻完一区后，使刻度机额外移动1/4节距，从而保证各区之间相差π/2的相位差。将指示光栅5的刻线调节到与标尺光栅刻线的像平行，则4个刻划区与主光栅2相对运动各自形成光闸莫尔条纹。并分别由4组光电池接收，得到4路相位差为90°的电信号。光栅谐振子是由铝制支撑架(含阻尼筒)和主光栅组成的弹簧——质量系统，并且置于准直后的光源与光电池之间，封装于密封的外壳中。阻尼调节器是将钕铁硼永久磁钢置于光栅谐振子的铝制支撑架(阻尼筒)之中，由螺旋结构调节磁钢在阻尼筒中的上下位置。光栅调节器7用于调节主光栅和指示光栅之间的间隔，光栅调节器8用于调节主光栅和指示光栅之间的夹角。工作时，将光栅谐振子检测地震波装置固定于地面。当地面振动时，装置中的光栅副产生相对运动。由它们所产生的莫尔条纹信号的光强将随光栅副的运动而作周期性的变化，即该光强度受光栅相对位移调制，利用光电池将光强变化转换为电信号。即
式中V——光电元件输出电压，也就是检波器输出电压；V平均——直流电平，也叫背景电压；V幅——信号波形的峰间电压(峰峰值)；W——光栅常数。
将光电池输出信号经简单二值化处理变为数字脉冲信号，脉冲数量与谐振子位移成正比，即NT∝xW;]]>x——大地震动位移，即输入量；NT——莫尔条纹数目。
通过对莫尔条纹计数可以测出大地振动的幅值和频率。
由此可见，采用这种机理实现的地震检波器，根据反射地震信号波动的状态，可以反映地质构造的形态。经计数器及光栅常数的简单运算处理后，可再现被测信号。输出信号易于实现检测过程自动化和数据处理自动化。另外，通过数字采样，可以方便地计算反射地层信号的瞬时速度。
本发明的光栅谐振子由主光栅、横向限振片和铝制光栅架组成。其中，主光栅的材料是光学玻璃，栅线为100线/mm，20～200细分，可使检波器分辨率达0.1μm，动态范围≥90dB。
图5中，横向限振片11采用三支点式，由“弓形”臂连接着内外环13、12，材料采用材质均匀的弹性较强的薄铍青铜带经热处理制成。其设计独特，弹簧自身参数设计合理，满足谐振子要求，并使用有限元进行严格的强度计算和横、纵向的频率计算，最大程度地保证了横向限振片的线性一致性。既有效地限制了谐振子的横向振动——保证纵向运动，又使其处于平衡位置，同时提高检波器的灵敏度和更低的失真度，使得检波器能产生一个高分辨率的高保真度输出信号。具体结构可以参见名称为一种检波器弹簧片的发明专利(专利号为ZL97125727.2)。
光栅架采用合金铝材料制成，既保证了机械强度，又能减轻谐振子的质量。同时，我们将阻尼筒与支架做为一体，当其在磁场中运动时产生涡流阻尼。
图1是本发明的一个具体实施方案其中，光学系统包括光源1、准直透镜14和光栅副2、5。光栅调节器由两部分组成，利用调节器8调节两光栅栅线间夹角，利用调节器7调节两光栅间距及平行度。阻尼系统由阻尼筒(光栅架)、磁钢3和阻尼调节器4组成，磁钢3置于阻尼筒内，通过阻尼调节器4调节磁钢在阻尼筒内占据的长度比例改变阻尼大小。光栅谐振子10是由铝制支撑架(含阻尼筒)和主光栅2组成的弹簧——质量系统，置于准直后的光源1与光电池6之间，封装于密封的外壳9中。
权利要求
1.一种光栅谐振子检测地震波装置，它由安装于壳体内的光源、聚光镜、光电转换及放大器件、光栅副和光栅调节器共同组成；由光栅副中的主光栅、固定主光栅的光栅架、固定光栅架于壳体上的横向限振片和卡簧组成光栅谐振子；所述光栅谐振子置于准直后的光源与光电池之间；其特征在于所述光栅副为振幅裂相式结构；在所述光栅谐振子的光栅架上，设有上下两个阻尼筒，另有两个磁钢分别置于两个阻尼筒内，该两个磁钢的外端分别固定于可改变磁钢在阻尼筒内占据的长度比例的阻尼调节器上；所述光栅调节器包括调节两光栅栅线间夹角和调节两光栅间距及平行度的两套调节装置。
2.如权利要求1所述光栅谐振子检测地震波装置，其特征在于由若干组间隔为(n+1/4)W的指示光栅与主光栅叠放在一起组成振幅裂相式光栅副，所述指示光栅各组相互平行，刻线错开四分之一节距，在刻线方向上分成相差π/2的相位差的若干个区域，将指示光栅的刻线调节到与标尺光栅刻线平行，由若干组光电池分别接收上述若干个刻划区与主光栅相对运动各自形成的光闸莫尔条纹信号。
3.如权利要求1、2所述光栅谐振子检测地震波装置，其特征在于指示光栅由4相光栅组成，在刻线方向上分成4个区域，由4组光电池接收光闸莫尔条纹信号。
4.如权利要求1所述光栅谐振子检测地震波装置，其特征在于主光栅和指示光栅由光学玻璃材料组成，其间距为0.02～1mm。
5.如权利要求1所述光栅谐振子检测地震波装置，其特征在于所述指示光栅、光电器件间隔共同固定于筒状的调节主、副光栅间距及平行度的第一光栅调节装置上，该第一光栅调节装置活动套置在其外侧的圆台形端盖的凸台上，并且通过若干个调整螺钉实现与圆台形端盖的固定及相对横向位移的调整；所述圆台形端盖通过若干个具有弹簧垫片的调整螺钉，固定于所述壳体的侧向口部，该圆台形端盖为调节主、副光栅栅线间夹角的第二光删调节装置。
6.如权利要求1所述光栅谐振子检测地震波装置，其特征在于阻尼调节器螺旋连接于壳体上，其螺纹长度应确保磁钢在阻尼筒内，可调节占据长度的比例的需要。
7.如权利要求1所述光栅谐振子检测地震波装置，其特征在于横向限振片为薄铍青铜带经热处理方式制成，其形状为弓形臂，呈三支点式连接于内外卡环之间。
全文摘要
一种光栅谐振子检测地震波装置，它由安装于壳体内的光源、聚光镜、光电转换及放大器件、光栅副、光栅谐振子和光栅调节器共同组成；所述光栅谐振子置于准直后的光源与光电池之间；其特征在于由若干组指示光栅与主光栅叠放在一起组成振幅裂相式光栅副，由若干组光电池分别接收上述若干个刻划区与主光栅相对运动各自形成的光闸莫尔条纹信号；在所述光栅谐振子的光栅架上，设有上下两个阻尼调节器；所述光栅调节器包括调节两光栅栅线间夹角和调节两光栅间距及平行度的两套调节装置。本发明利用裂相式指示光栅组结构，减小判向误差；设置阻尼调节器，使输出信号阻尼系数有0－0.9的调整范围；设置了光栅调节器，调整光栅副之间的距离和角度，提高了记数的准确性，使检波器参数更为合理。
文档编号G01V1/18GK1641378SQ20041000029
公开日2005年7月20日 申请日期2004年1月15日 优先权日2004年1月15日
发明者李淑清, 陶知非, 南忠良, 李建良, 付连昆 申请人:天津科技大学