基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器

本发明属于测量测试，具体涉及到一种基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器。

背景技术：

1、目前在油气田现场工程生产测试中使用的仪器多数是以压电、磁电、涡流机理为主的电类检波器，它们大多具有高信噪比、接口方便、性能稳定、高可靠性、结构简单、广泛使用等优点，但是它们在检测灵敏度、响应频带、动态范围、空间分辨率、抗电磁场干扰、复用性、耐高温性等方面均存在着本质的不足。

2、与传统的电类检波器相比，光纤地震检波器具有动态范围大、工作频带宽、灵敏度和分辨率高、抗电磁干扰、易于远距离传输、复用性好、在恶劣环境下长期稳定、耐高温高压、耐腐蚀,在易燃、易爆环境下安全可靠的优点，填补了电类检波器在井中地震勘探上的不足。

3、在光纤地震检波器中，光纤地震检波技术主要有分布式声波传感技术(distributed acoustic sensing，das)、光纤激光器技术(distributed feed back fiberlaser，dfb-fl)、光纤光栅技术(fbg)、光纤干涉技术等四种方法。与其他三种光纤检波技术相比，fbg技术具有波长编码、多路复用能力的优点。fbg可以写在一段长度小于10mm的光敏石英纤维上，并且对轴向应变敏感，这使得通过紧凑、小尺寸的结构实现高灵敏度的振动信号采集成为可能。

4、光纤光栅地震检波器对中高频段的研究正在迅速发展，然而，光纤光栅地震检波器的高谐振频率必然会降低灵敏度，因此，实现高频段的高灵敏度成为了评估检波器性能的一个重要评估指标。

5、bing yan(yan b,liang l.a novel fiber bragg grating accelerometerbased on parallel double flexible hinges[j].ieee sensors journal,2020,20(9):4713-4718.)等人设计了一种基于并联双柔性铰链的新型光纤布拉格光栅(fbg)加速度计，该加速度计是一种直圆形双铰链结构，由块体和两个平行的柔性铰链组成，光栅悬浮在两者之间，加速度计的灵敏度为54pm/g，特征频率为800hz，品质因子43200。存在高频低灵敏的问题，且品质因子(固有频率和灵敏度的乘积)不高。

6、中国专利申请号：202010896491.8、名称：一种中高频椭圆铰链双光纤光栅加速度传感器及测量法方法。该发明设计的传感器谐振频率约为780hz，利用椭圆铰链运动范围大的优势，使单光纤灵敏度为59.22pm/g，品质因子46191.6，存在高频低灵敏的问题，且品质因子不高。但是该发明从解调方面入手，采用差分法的解调方式提高双光纤差分灵敏度。

7、期刊《光电子·激光》在2022年7月第33卷公开了一种基于双杠杆放大的中高频光纤布拉格光栅加速度检波器，实验结果表明,该检波器的固有频率为612hz，平坦区范围为20–250hz，加速度灵敏度为106.7pm/g，品质因子65300.4。该检波器的灵敏度低和平坦区范围小。

8、因此，目前急需一种灵敏度、品质因子、抗横向干扰能力等各个性能全优的中高频地震检波器。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、品质因子高、抗横向干扰能力强的基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器。

2、解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，u形底座的一侧壁通过柔性铰链梁连接有质量块，质量块呈悬空状态，柔性铰链梁和质量块构成铰链机构，质量块远离柔性铰链梁的一端上表面通过连接板连接有杠杆机构，杠杆机构包括支座、柔性支撑板、杠杆板，支座设置在u形底座的底板上，支座上设置有柔性支撑板、柔性支撑板上设置有杠杆板，杠杆板的一端与连接板相连、另一端位于u形底座的另一侧壁正上方且端面与u形底座的另一侧壁外侧面平齐，光纤的一端设置在杠杆板另一端端面上、另一端设置在u形底座另一侧壁外侧面上，u形底座的另一侧壁与杠杆板另一端之间悬空的光纤上刻写有光栅。

3、作为一种优选的技术方案，所述杠杆板上设置有支撑板定位孔，支撑板定位孔与质量块之间的距离＜1/2倍杠杆板的长度。

4、作为一种优选的技术方案，所述柔性支撑板包括竖板和水平安装板，竖板顶部设置有水平安装板构成t形结构，水平安装板安装在杠杆板底面，竖板对齐杠杆板上的支撑板定位孔，竖板上沿着长度方向加工有均匀分布的通孔。

5、作为一种优选的技术方案，所述通孔的直径为1～3mm，相邻通孔的中心距为1.5～3.5mm。

6、作为一种优选的技术方案，所述竖板的厚度为0.3～1.5mm。

7、作为一种优选的技术方案，所述竖板、水平安装板、支座连为一体。

8、作为一种优选的技术方案，所述柔性支撑板用凸块铰接结构代替，所述凸块铰接结构包括两凸块、凸台、转轴，所述两凸块间隔一定距离设置在支座上表面，凸台位于两凸块之间且设置在杠杆板底部，两凸块与凸台的中心线重合，转轴穿过两凸块和凸台，使杠杆板铰接在支座上。

9、作为一种优选的技术方案，所述u形底座一侧壁厚度＞另一侧壁厚度。

10、作为一种优选的技术方案，所述u形底座、柔性铰链梁、质量块、连接板、杠杆板连为一体，u形底座的侧壁宽度和柔性铰链梁的宽度及质量块宽度相同，柔性铰链梁位于质量块侧壁中心。

11、作为一种优选的技术方案，所述该地震检波器的灵敏度s为：

12、

13、式中λb为光纤光栅的中心波长，pe为光纤的有效弹光系数，n1为杠杆机构的质心到杠杆支点之间的距离，m为质量块的重量，d为铰链梁中心与质量块中心之间的距离，l为光纤上光栅的栅区长度，kf为光纤的轴向刚度常量，h为质量块的高度，k1为铰链机构的刚度。

14、本发明的有益效果如下：

15、本发明通过在铰链机构上连接杠杆机构，光纤的一端设置在杠杆机构上，应用杠杆机构对铰链机构的惯性应变进行放大，显著增加了检波器的灵敏度，增强抗横向交叉干扰能力，使杠杆机构具有的无附加方向位移及运动精度的微位移放大的优点得到充分展现，增强了本发明的抗横向干扰能力。杠杆机构本身作为刚性梁自身的刚性自振更是增加了光栅的伸缩变换，最大限度的在保证高频段的前提下提高了灵敏度和品质因子。

技术特征：

1.一种基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：u形底座的一侧壁通过柔性铰链梁连接有质量块，质量块呈悬空状态，柔性铰链梁和质量块构成铰链机构，质量块远离柔性铰链梁的一端上表面通过连接板连接有杠杆机构，杠杆机构包括支座、柔性支撑板、杠杆板，支座设置在u形底座的底板上，支座上设置有柔性支撑板、柔性支撑板上设置有杠杆板，杠杆板的一端与连接板相连、另一端位于u形底座的另一侧壁正上方且端面与u形底座的另一侧壁外侧面平齐，光纤的一端设置在杠杆板另一端端面上、另一端设置在u形底座另一侧壁外侧面上，u形底座的另一侧壁与杠杆板另一端之间悬空的光纤上刻写有光栅。

2.根据权利要求1所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述杠杆板上设置有支撑板定位孔，支撑板定位孔与质量块之间的距离＜1/2倍杠杆板的长度。

3.根据权利要求1或2所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述柔性支撑板包括竖板和水平安装板，竖板顶部设置有水平安装板构成t形结构，水平安装板安装在杠杆板底面，竖板对齐杠杆板上的支撑板定位孔，竖板上沿着长度方向加工有均匀分布的通孔。

4.根据权利要求3所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述通孔的直径为1～3mm，相邻通孔的中心距为1.5～3.5mm。

5.根据权利要求3所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述竖板的厚度为0.3～1.5mm。

6.根据权利要求3所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述竖板、水平安装板、支座连为一体。

7.根据权利要求1所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述柔性支撑板用凸块铰接结构代替，所述凸块铰接结构包括两凸块、凸台、转轴，所述两凸块间隔一定距离设置在支座上表面，凸台位于两凸块之间且设置在杠杆板底部，两凸块与凸台的中心线重合，转轴穿过两凸块和凸台，使杠杆板铰接在支座上。

8.根据权利要求7所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述u形底座一侧壁厚度＞另一侧壁厚度。

9.根据权利要求1或8所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述u形底座、柔性铰链梁、质量块、连接板、杠杆板连为一体，u形底座的侧壁宽度和柔性铰链梁的宽度及质量块宽度相同，柔性铰链梁位于质量块侧壁中心。

10.根据权利要求1或7所述基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，其特征在于：所述该地震检波器的灵敏度s为：

技术总结
一种基于杠杆放大结构的光纤光栅中高频地震检波器，U形底座的一侧壁通过柔性铰链梁连接有质量块，质量块呈悬空状态，柔性铰链梁和质量块构成铰链机构，质量块远离柔性铰链梁的一端上表面通过连接板连接有杠杆机构，杠杆机构包括支座、柔性支撑板、杠杆板，支座设置在U形底座的底板上，支座上设置有柔性支撑板、柔性支撑板上设置有杠杆板，杠杆板的一端与质量块相连、另一端位于U形底座的另一侧壁正上方且端面与U形底座的另一侧壁外侧面平齐，光纤的一端设置在杠杆板另一端端面上、另一端设置在U形底座另一侧壁外侧面上，U形底座的另一侧壁与杠杆板另一端之间悬空的光纤上刻写有光栅。本发明显著增加了检波器的灵敏度，增强了抗横向交叉干扰能力。

技术研发人员：乔学光,王璐,李辉栋
受保护的技术使用者：西安石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14