一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计

本发明涉及一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计，光纤干涉测量领域。

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，而加速度计形式地震计可以实现小体积(强震计大小)且常用来对地震进行观测，比较适合井下用地震计的需求。

加速度计是测量地震的常用工具，传统加速度计主要包括压阻型、电容型、压电型等，其基本原理是将质量块对加速度的响应转换为电路系统的输出电压、电容等，再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，然而其电子系统仍有非常明显的缺点，如易受电磁干扰、不耐高温、不抗腐蚀等。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。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，其中将光纤与机械结构复合组成换能器结构，可以实现对位移、速度、加速度等的测量。光纤加速度计是一种基于光纤传感技术的新型加速度计，因其具有抗电磁干扰、耐高温、抗腐蚀等特点，且灵敏度高、动态范围大、长期可靠、稳定性好，可应用于航空航天、地震探测、石油勘探等领域。

张文涛等人报道了一种推挽式光纤检波器(张文涛,李芳.推挽式光纤检波器[p].北京：cn102353982a,2012-02-15.)，通过在支撑梁和质量块上缠绕光纤，并利用膜片作为弹性元件，可以减小推挽式光纤检波器的体积，并且利用膜片的弹性方向性可以抑制横向串扰。此结构中使用的光纤长度整体较短，无法获得较高的灵敏度，同时质量块会受到扭转信号的干扰，影响测量精度。张文涛等人提出了一种基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计(张文涛,李芳,刘育梁.基于悬臂梁挠度的光纤光栅加速度计[p].北京：cn101285846,2008-10-15.)，主要利用悬臂梁前端固定质量块，并与光纤光栅连接，利用悬臂梁变形带动光纤光栅伸长或缩短实现加速度等振动信号的测量。该结构采用光纤光栅作为传感元件，受限于光纤光栅的工作特性，相比于干涉式的测量原理，其应变的分辨率要小很多，导致其加速度计灵敏度较低。利用干涉原理，可以通过光路折叠的方式对应变引起的影响进行积累，往往能够获得比光纤光栅高的多的应变分辨能力。

2016年olegt.kamenev等人提出了一种基于马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏、低噪声的光纤地震仪(kamenevot,kulchinyn,petrovys,etal.fiber-opticseismometeronthebasisofmach-zehnderinterferometer[j].sensorsandactuatorsa-physical,2016:133-137.)，该地震计传感结构中多匝敏感光纤缠绕于两个圆柱体之间，其中一个圆柱体水平固定做为基座，另一个圆柱体悬空做为质量块，利用悬空质量块感知地震信号并传递给敏感光纤使敏感光纤产生拉伸或收缩，虽然在1-20hz的范围内获得高达6.1×10³v/g的灵敏度，但该结构的谐振频率较低，仅为60hz左右，而且只能测量垂直方向一维的地震信号，无法进行三维拓展，限制了该结构的应用。

本发明提供了一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计，其设计思想是：鉴于传统芯轴式或盘片式光纤加速度计的传感原理和结构特征，其应变传递模型一般为质量块到弹性体再到敏感光纤的间接应变传递，导致传递效率低。本改进方案采用质量块直接拉伸敏感光纤的形式，提升传递效率，从而提升灵敏度；对于质量块采用两端双簧片支撑，能够进一步提升质量块震动的导向性，降低横向串扰；同时采用传感光纤外置的方式，将主要结构集成在传感光纤内部，使得结构更加紧凑，能够大幅减小体积。得益于探头的小尺寸，可以满足很多对尺寸有较大限制的测量场景，特别适用于深井环境的地震观测。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计。

本发明的目的是这样实现的：包括信号处理系统1、信号采集系统2、矢量加速度计3、通信线缆27以及光缆28，其中矢量加速度计3的三维传感单元31、32、33采用交叉缠绕推挽式结构，矢量加速度计3主要包括水平向传感单元a31、水平向传感单元b32、垂直向传感单元33，三个传感单元具有相同的传感结构，首尾相连正交堆叠组成矢量传感探头；其中垂直向传感单元33的质量块313放置于垂直单元框架331的中部贯穿3312内部，质量块313通过两侧的板簧安装孔3131与质量块安装孔3142连接，平板弹簧314通过框架安装孔3141安装到垂直板簧安装位3313的板簧固定孔3314上，板簧外侧分别使用板簧固定块a315、板簧固定块b316固定，其中板簧固定块为中部贯穿结构；质量块313的两端延伸柱体3132通过中部贯穿a3-151和中部贯穿b3-161延伸至板簧固定块外侧，并与缠纤柱a317和缠纤柱b318连接，其中板簧固定块a315与缠纤柱b318位于一侧，板簧固定块b316与缠纤柱a317位于另一侧；敏感光纤c1-425、c2-426采用交叉缠绕的形式缠绕于板簧固定块a315、b316与缠纤柱a317、b318之间，并与质量块313一起构成推挽结构，其中敏感光纤c1425缠绕在缠纤槽a3153和缠纤柱a317上，敏感光纤c2426缠绕在缠纤槽b3163和缠纤柱b318上；水平向传感单元a31、水平向传感单元b32的核心结构与垂直向传感单元33类似，框架支撑立柱312通过立柱安装孔3121安装于框架两侧平板之间；

光纤器件盒34安装于垂直向传感单元33外侧的垂直向支撑圆板332上，用于放置矢量传感探头的光纤器件和光路；矢量传感探头与密封端盖352通过单元框架固定孔3522固定为一体，防水密封光缆接头36安装于光缆安装孔3523，并通过穿线孔3113与内部光纤器件盒34连接；外圆筒351从光纤器件盒34一侧安装到密封端盖352上，另一侧安装密封尾盖353。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述的矢量加速度计3，其传感光路部分包括一分三耦合器417、耦合器a1-411、a2-412、b1-413、b2-414、c1-415、c2-416、敏感光纤a1-421、a2-422、b1-423、b2-424、c1-425、c2-426，信号采集系统2输出的光经过光缆28连接至一分三耦合器417的输入端口，一分三耦合器417的三个输出端口分别连接至三路传感光路；其中第一路，一分三耦合器417的一个输出端口连接至耦合器a1-411的输入端口；耦合器a1-411的两个输出端口分别与敏感光纤a1-421、a2-422的输入端口连接；敏感光纤a1-421、a2-422的输出端口分别与耦合器a2-412的两个输入端口连接；耦合器a2-412的两个输出端口分别通过光缆28连接至信号采集系统2的第一探测器241和第二探测器242；第二和第三路传感光路的连接方式和第一路一致，第二路中耦合器b2-414的两个输出端口分别通过光缆28连接至号采集系统2的第三探测器243和第四探测器244；第三路中耦合器c2-416的两个输出端口分别通过光缆28连接至号采集系统2的第五探测器245和第六探测器246；其中耦合器a1-411、a2-412、b1-413、b2-414、c1-415、c2-416和一分三耦合器417安装于光纤器件盒34中。

2.所述的矢量加速度计3，其中水平向传感单元a31包括水平单元框架311、框架支撑立柱312、质量块313、平板弹簧314、板簧固定块a315、板簧固定块b316、缠纤柱a317、缠纤柱b318；水平向传感单元b32、垂直向传感单元33的核心结构与水平向传感单元a31基本一致，

1)水平单元框架311包括固定安装孔3111、单元框架连接孔3112、穿线孔3113、立柱固定孔3114、中部贯穿3115、板簧安装位3116、板簧固定孔3117；水平单元框架311整体为圆柱形，直径为90mm，高度为50mm，两端面之间具有两个连接竖板，连接竖板之间镂空结构为中部贯穿3115，内尺寸略大于质量块313的外尺寸，连接竖板两端为板簧安装位3116，板簧安装位3116上具有板簧固定孔3117，两端板簧安装位3116的间距等于质量块313两端板簧安装孔3131所在平面的间距；水平单元框架311两端面分布有固定安装孔3111、单元框架连接孔3112、穿线孔3113及立柱固定孔3114；

2)垂直单元框架331包括垂向框架连接孔3311、垂向中部贯穿3312、垂向板簧安装位3313、垂向板簧固定孔3314、支撑圆板固定孔3315；垂直单元框架331整体为长方形，高度为85mm，两侧面之间具有两个连接竖板，连接竖板之间镂空结构为垂向中部贯穿3312，内尺寸略大于质量块313的外尺寸，连接竖板两端为垂向板簧安装位3313，垂向板簧安装位3313上具有垂向板簧固定孔3314，两端垂向板簧安装位3313的间距等于质量块313两端板簧安装孔3131所在平面的间距；垂直单元框架331的两侧面外侧底部为垂向框架连接孔3311，顶部为支撑圆板固定孔3315；

3)质量块313包括板簧安装孔3131、两端延伸柱体3132、缠纤柱固定孔3133；质量块313整体圆角矩形，两侧面中间位置为两端延伸柱体3132，其顶部为缠纤柱固定孔3133，柱体两侧为板簧安装孔3131；两端板簧安装孔3131所在平面的间距与水平单元框架311两端板簧安装位3116的间距及垂直单元框架331两端垂向板簧安装位3313的间距相等，两端延伸柱体3132的外尺寸略小于缠纤柱a317、缠纤柱b318上的安装槽口内尺寸；

4)平板弹簧314包括框架安装孔3141、质量块安装孔3142、中部镂空3143；平板弹簧314整体为平板状，单边宽度为8mm，厚度为0.5mm，中间位置为中部镂空3143，镂空位置两侧为质量块安装孔3142，两端为框架安装孔3141；

5)板簧固定块a315包括中部贯穿a3-151、固定块a安装孔3152、缠纤槽a3-153；板簧固定块b316包括中部贯穿b3-161、固定块b安装孔3162、缠纤槽b3-163；缠纤柱a317包括缠纤柱a安装孔3171；缠纤柱b318包括缠纤柱b安装孔3181。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)采用质量块直接拉伸敏感光纤的形式，相比于质量块到弹性体再到敏感光纤的间接应变传递，能够提升传递效率，配合推挽结构可进一步提升灵敏度；2)惯性质量块采用两端双平板簧片支撑的形式，借助于平板簧片的振动特性能够提升质量块的震动方向性，降低横向串扰；3)传感光纤采用外置交叉缠绕的方式，将主要传感结构集成在传感光纤内部，使得结构更加紧凑，能够大幅减小体积，满足很多对尺寸有较大限制的测量场景，特别适用于深井环境的地震观测。

附图说明

图1是一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计的系统结构图；

图2是井下三分量光纤地震计的结构示意图；

图3是井下三分量光纤地震计的原理图；

图4是水平向传感单元的结构示意图；

图5是水平单元框架的结构示意图；

图6是垂直单元框架的结构示意图；

图7是质量块的结构示意图；

图8是平板弹簧片的结构示意图；

图9是板簧固定块及缠纤柱的结构示意图；

图10是井下三分量光纤地震计在深井地震观测中的应用示意图；

图11是用于传递效率理论推导的装置简化框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图11，本发明是一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计，光源21发出的光依次经过隔离器22、光缆28和一分三耦合器417，然后分别进入三路具有相同光路结构的传感光路：其中第一路经过耦合器a1-411的两臂进入敏感光纤a1-421、a2-422，然后经过耦合器a2-412的两臂汇合于耦合器a2-412，由耦合器a1-411、a2-412和敏感光纤a1-421、a2-422共同组成了非平衡马赫泽德干涉仪结构；当有加速度作用到质量块313时，质量块313产生位移并带动平板弹簧314和敏感光纤a1-421、a2-422发生形变，非平衡马赫泽德干涉仪的两个干涉臂的光纤一个伸长一个缩短，从而在耦合器a2-412处产生干涉信号；最后三路传感光路的干涉信号经过光缆28进入到第一至第六探测器241、242、243、244、245、246，并转换成电信号，然后由采集卡23接收，最终由信号处理系统1对干涉信号进行处理；信号处理方法采用pgc调制技术，使用内调制的方式，通过采集卡23给光源21施加调制信号，然后由信号处理系统1对干涉信号进行解调，最终得到加速度信号。为了提升矢量加速度计3的灵敏度，采用质量块直接拉伸敏感光纤的形式，相比于质量块到弹性体再到敏感光纤的间接应变传递，具有更高的应变传递效率，从而提升灵敏度；敏感光纤采用交叉缠绕的形式，将两个敏感光纤交叉缠绕于板簧固定块和缠纤柱上，质量块置于敏感光纤的内部，当质量块受到加速度信号震动时，质量块分别会对两侧敏感光纤产生推和拉的作用，由此形成推挽式结构，使探测灵敏度翻倍，同时这种质量块等结构置于敏感光纤内侧的结构形式，能够大大提升空间利用率，结构更加紧凑，整体尺寸更小。

相关理论推导如下：

1)加速度测量原理

迈克尔逊干涉仪用于测量轴向加速度变化，当惯性质量在加速度作用下带动缠绕有敏感光纤的绕纤柱时，会使得光纤工作状态发生变化，引起干涉仪相位发生变化，干涉仪因外界因素引起的相位变化可简单表示为：

β＝2π·n/λ为光波在光纤中的传播常数，第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应)，第二项表示折射率变化产生的相位延迟(弹光效应)，

弹光效应可表示为：

μ为光纤材料的泊松比，p11，p12分别为光纤材料的弹光系数，ε3＝△l/l为光纤的纵向应变。将单模光纤参数带入可得：

△φ＝0.79·2β·△l(3)

利用调制器对迈克尔逊干涉仪进行调制，可以得到干涉光输出信号形式为：

其中i1、i2分别为两束干涉光光强，a为干涉后光强的直流分量，b为干涉后光强的交流分量，φ(t)为干涉相位的变化值。利用光电探测器与ad转换器对光信号进行电信号转换与采集，经过pgc调制解调即可解出干涉信号的相位，根据干涉信号相位变化即可得到加速度的解。

2)传递效率提升原理：

将加速度测量装置的交叉推挽结构简化为：长方形板簧两端固支在框架上，板簧中间位置安装有质量块，质量块上固定有缠纤柱，与之对应的框架上也有一个缠纤柱，两个缠纤柱之间缠绕敏感光纤，假设光纤与绕线轴接触的部分使用胶水完全固定，在质量块移动拉伸过程中不发生形变。

加速度信号作用于质量块使其运动，根据能量守恒，质量块的动能全部转化为敏感光纤和板簧的弹性势能，令x为质量块的位移，l为绕纤柱间距，n为光纤缠绕圈数，ef为光纤杨氏模量，af为光纤截面积，k为光波数，pe为光纤弹光系数，n为光纤折射率，l为弹性盘片长度，b为弹性簧片宽度，h为弹性簧片厚度，e为弹性簧片杨氏模量，μ为弹性簧片泊松比，计算过程如下：

单侧单根光纤的刚度系数：

单侧单根光纤的弹性势能：

n圈光纤的弹性势能：(2n是指双侧光纤)

两端固支的长方形板簧受中间集中力f作用时，挠度等于质量块的位移x，根据罗氏应力应变手册，其挠度计算公式如下：

其等效刚度为：

则长方形板簧在中间集中力f作用下的弹性势能为：

根据敏感光纤和板簧的弹性势能，可以得到本结构中敏感光纤的能量分配比值：

而在常见的芯轴式加速度计中，顺变柱体的弹性势能为er，光纤中的弹性势能ef的占比为：

由以上计算结果可知，在顺变柱体结构中，有将近一小半的能量损耗在了硅胶柱体上，而本发明装置中质量块的能量绝大部分传递给了敏感光纤，传递效率提升了1.4倍，实现了更高的应变传递效率。

结合具体参数给出本发明的实施案例——一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计在深井地震观测中的应用：

一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计如图2、3所示，地震计应用到深井时的观测系统如图1所示，观测系统包括信号处理系统1、信号采集系统2、矢量加速度计3、光缆28、通信线缆27、光缆绞盘机5、滑轮支架6、井壁固定装置7和深井钻孔8及外围设备。各部分器件参数及结构尺寸如下：

1)光源21为激光光源，中心波长为1550nm，半谱宽度小于20nm，功率10mw，调制频率不小于20k；

2)隔离器22工作波长1550nm，插入损耗<0.8db，隔离度>35db；

3)一分三耦合器417是1×3耦合器，工作波长为1550nm，分光比为33：33：33；耦合器a1-411、b1-413、c1-415是1×2耦合器，工作波长为1550nm，分光比为50：50；耦合器a2-412、b2-414、c2-416是2×2耦合器，工作波长为1550nm，分光比为50：50；

4)敏感光纤a1-421、a2-422、b1-423、b2-424、c1-425、c2-426为普通单模光纤，直径125μm，每个敏感光纤被分开为两部分以一定预应力缠绕于三个传感单元的缠纤槽内，一圈光纤150mm，缠绕圈数50圈，每个敏感光纤分别具有一个输入端口和一个输出端口；

5)第一探测器241、第二探测器242、第三探测器243、第四探测器244、第五探测器245、第六探测器246的光敏材料均为ingaas，光探测范围为1100～1700nm，响应度大于0.85；

6)平板弹簧314单边长度为26mm，宽度为8mm，厚度0.5mm；

7)密封端盖352的密封槽3521及密封尾盖353的密封槽3531的尺寸为宽度5mm，深度为4mm，适用直径5mm的圆形密封圈；

8)外圆筒351外径为100mm，内径为90mm，长度为246mm；

9)光缆28芯数不少于8芯，耐压防水深度大于1000m，内有抗拉加强筋；

10)光缆绞盘机5盘线长度大于1000m；

11)滑轮支架6的滑轮高度不小于3m；

12)井壁固定装置7收缩时外径尺寸小于深井钻孔8的内径，张开时外径尺寸大于深井钻孔8的内径。

测量装置的工作原理如下：

光源21发出的光依次经过隔离器22、光缆28和一分三耦合器417，然后分别进入三路具有相同光路结构的传感光路：其中第一路经过耦合器a1-411的两臂进入敏感光纤a1-421、a2-422，然后经过耦合器a2-412的两臂汇合于耦合器a2-412，由耦合器a1-411、a2-412和敏感光纤a1-421、a2-422共同组成了非平衡马赫泽德干涉仪结构；当有加速度作用到质量块313时，质量块313产生位移并带动平板弹簧314和敏感光纤a1-421、a2-422发生形变，非平衡马赫泽德干涉仪的两个干涉臂的光纤一个伸长一个缩短，从而在耦合器a2-412处产生干涉信号；最后三路传感光路的干涉信号经过光缆28进入到第一至第六探测器241、242、243、244、245、246，并转换成电信号，然后由采集卡23接收，最终由信号处理系统1对干涉信号进行处理；信号处理方法采用pgc调制技术，使用内调制的方式，通过采集卡23给光源21施加调制信号，然后由信号处理系统1对干涉信号进行解调，最终得到加速度信号。

测量装置应用于深井地震观测时的工作过程如下：

进行深井观测时，将信号处理系统1与信号采集系统2通过通信线缆27连接，将矢量加速度计3与信号采集系统2通过光缆28连接；光缆28盘绕在光缆绞盘机5上，然后通过滑轮支架6将矢量加速度计3放入深井钻孔8中；启动光缆绞盘机5，逐渐释放光缆，将矢量加速度计3下放到指定深度，然后启动井壁固定装置7将矢量加速度计3固定到深井钻孔8的内壁上，然后将光缆固定住，防止干扰矢量加速度计3；检测加速度计观测系统的工作状态，一切正常之后即可进行深井地震观测工作。

综上，本发明属于光纤干涉测量领域，具体涉及到一种交叉缠绕推挽式井下三分量光纤地震计。它主要包括信号处理系统、信号采集系统、矢量加速度计、通信线缆以及光缆，矢量加速度计内部由三个具有相同结构的传感单元正交堆叠组成三维矢量传感探头，外部由外圆筒和密封端盖进行保护，其中敏感光纤采用外置缠绕的形式，将主要结构组件包围在敏感光纤内部，同时敏感光纤交叉缠绕于两个板簧固定块和两个缠纤柱之间，并与质量块一起构成推挽结构，其中质量块通过两端的缠纤柱对敏感光纤进行直接拉伸。本装置的优点是质量块的震动方向性好，横向串扰较低，可实现较高应变传递效率和灵敏度，而且结构紧凑，能够满足狭小空间测量要求，特别适用于深井地震观测。