本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到光纖光柵振動(dòng)傳感儀。

背景技術(shù)：

加速度傳感器是振動(dòng)測(cè)量?jī)x器中的關(guān)鍵零部件，目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、交通情況監(jiān)測(cè)、油氣勘探的地震波信號(hào)檢測(cè)、建筑物的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、航空航天的慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。因此，振動(dòng)傳感器市場(chǎng)空間非常大。低頻微弱的震動(dòng)(加速)器信息提取是上述多種工程應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一，尤其對(duì)于超深的油井勘探。

現(xiàn)有的地震檢波器主要是電磁類加速度傳感器，其將微小機(jī)械振動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)電子學(xué)手段測(cè)得電壓變化，由此實(shí)現(xiàn)地震波信號(hào)測(cè)量?，F(xiàn)有的電磁類加速度傳感器在傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用時(shí)，由于受電磁干擾、缺乏重復(fù)使用，使得這種傳感器的使用范圍受到了限制。

在迫切的市場(chǎng)需求下，新型的光纖類加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。光纖傳感技術(shù)以光纖為物理媒質(zhì)、以光波為信息載體，其優(yōu)越性來(lái)源于光纖自身的特殊物理特性：光纖外部環(huán)境的某些物理特征量(如：振動(dòng)、壓力、溫度、應(yīng)變等)發(fā)生極微小變化時(shí)，光纖中傳播的光特性(如：光強(qiáng)、相位、波長(zhǎng)等)也會(huì)發(fā)生改變，利用特殊的光信號(hào)處理技術(shù)可以檢測(cè)出這些變化，因此，光纖傳感器具有非常靈敏的特性。此外光纖傳感技術(shù)還具有結(jié)構(gòu)小巧、靈敏度高、抗電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕、安全以及便于多點(diǎn)組網(wǎng)和遠(yuǎn)距離遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于應(yīng)用在一些現(xiàn)有傳感器受到限制的領(lǐng)域。

近二十年來(lái)，由于光纖傳感器具有以上優(yōu)點(diǎn)，因而光纖加速度傳感器引起了科技人員的高度重視，得到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。尤其在易燃易爆的石油天然氣鉆井平臺(tái)、核電廠、電磁干擾強(qiáng)的水力發(fā)電大瑣等環(huán)境惡劣的技術(shù)領(lǐng)域，光纖加速度傳感器比電磁類加速度傳感器具有更多的優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)有的光纖光柵加速度傳感器，通過(guò)波長(zhǎng)信息解調(diào)來(lái)測(cè)量加速度，這種加速度傳感器的主要缺點(diǎn)是靈敏度低、抗電磁干擾能力差、不宜在1000m以下的低溫油氣井內(nèi)使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種雙包層抑制型光纖光柵加速度傳感器。

解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：在彈性管的左側(cè)設(shè)置有安裝板，安裝板上設(shè)置左端穿出彈性管外的光纖，光纖右端設(shè)置右端為自由端的雙包層抑制型光纖，雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度為19～33mm。

本發(fā)明的雙包層抑制型光纖為：在內(nèi)纖芯外制作有外纖芯，內(nèi)纖芯和外纖芯上寫制有波長(zhǎng)為1520～1600nm、柵區(qū)長(zhǎng)為2～5mm的光柵，外纖芯外制作有內(nèi)包層，內(nèi)包層外部制作有外包層，在光纖和雙包層抑制型光纖與彈性管之間設(shè)置有耐高溫層，耐高溫層與光纖和雙包層抑制型光纖之間形成空腔。

本發(fā)明的內(nèi)纖芯的直徑為1.6μm，外纖芯的直徑為8μm。

本發(fā)明的內(nèi)包層的直徑為26μm，外包層的直徑為120μm。

本發(fā)明的在內(nèi)纖芯外制作有外纖芯，內(nèi)纖芯和外纖芯上寫制有波長(zhǎng)最佳為1560nm、柵區(qū)長(zhǎng)最佳為3mm的光柵5。

本發(fā)明的雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度最佳為25mm。

由于本發(fā)明采用了雙包層抑制型光纖，在雙包層抑制型光纖的內(nèi)纖芯和外纖芯上刻制光柵，獲得了高靈敏度的光纖光柵加速度傳感器；光纖和雙包層抑制型光纖與彈性管之間設(shè)置有耐高溫層，擴(kuò)大了本發(fā)明的使用范圍，使得本發(fā)明可在1000m以下油氣井的高溫環(huán)境中使用，耐高溫層與光纖和雙包層抑制型光纖之間形成空腔，使得雙包層抑制型光纖能夠產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)避免光柵啁啾。這種結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，具有體積小、靈敏度高、耐高溫、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，可在油氣井內(nèi)實(shí)現(xiàn)微弱地震波檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是測(cè)試本發(fā)明的系統(tǒng)圖。

圖3是雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度為2.5cm的加速度傳感器在0.06m/s²加速度激勵(lì)下的響應(yīng)時(shí)域譜圖。

圖4是雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度為2.5cm的加速度傳感器在0.24m/s²加速度激勵(lì)下的響應(yīng)時(shí)域譜圖。

圖5是雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度為2.5cm的加速度傳感器在0.42m/s²加速度激勵(lì)下的響應(yīng)時(shí)域譜圖。

圖6是不同長(zhǎng)度雙包層抑制型光纖加速度傳感器對(duì)應(yīng)靈敏度的曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。

實(shí)施例1

在圖1中，本實(shí)施例的光纖光柵加速度傳感器由彈性管1、安裝板2、耐高溫層3、光纖4、光柵5、外包層6、內(nèi)包層7、外纖芯8、內(nèi)纖芯9聯(lián)接構(gòu)成。

在彈性管1的左側(cè)用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接安裝有安裝板2，安裝板2的中心位置加工有通孔，光纖4的左端從安裝板2上通孔穿出彈性管1外，光纖4的右端與雙包層抑制型光纖熔接，雙包層抑制型光纖的右端為自由端，本實(shí)施例的光纖4采用單模光纖，雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度為25mm，由于雙包層抑制型光纖自身作為慣性質(zhì)量塊，其長(zhǎng)度的改變對(duì)加速度傳感器的共振頻率和加速度靈敏度有直接影響，根據(jù)實(shí)際振動(dòng)測(cè)量要求，需設(shè)計(jì)雙包層抑制型光纖的具體長(zhǎng)度。本實(shí)施例的雙包層抑制型光纖由光柵5、外包層6、內(nèi)包層7、外纖芯8、內(nèi)纖芯9聯(lián)接構(gòu)成，在雙包層抑制型光纖拉制過(guò)程中，光纖內(nèi)部形成內(nèi)纖芯9，內(nèi)纖芯9外形成外纖芯8，外纖芯8外形成內(nèi)包層7，內(nèi)包層7外形成外包層6，內(nèi)纖芯9的直徑為1.6μm，外纖芯8的直徑為8μm，內(nèi)包層7的直徑為26μm，外包層6的直徑為120μm。內(nèi)纖芯9和外纖芯8上寫制有光柵5，光柵5的波長(zhǎng)為1560nm、柵區(qū)長(zhǎng)為3mm。內(nèi)包層7的設(shè)置可有效地提高了加速度傳感器的振動(dòng)響應(yīng)靈敏度。在光纖4和雙包層抑制型光纖與彈性管1之間用固體膠封裝固化后形成耐高溫層3，耐高溫層3使得該傳感器能夠在1000m以下的油井內(nèi)檢測(cè)微弱地震波，固體膠的型號(hào)為353ND，固體膠為市場(chǎng)上銷售的商品，由美國(guó)Epoxy Technology公司生產(chǎn)，耐高溫層3與光纖4和雙包層抑制型光纖之間形成空腔，使得雙包層抑制型光纖能夠產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)避免光柵5產(chǎn)生啁啾效應(yīng)。

實(shí)施例2

在本實(shí)施例中，雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度為25mm，雙包層抑制型光纖的結(jié)構(gòu)為：

在雙包層抑制型光纖拉制過(guò)程中，光纖內(nèi)部形成內(nèi)纖芯9，內(nèi)纖芯9外形成外纖芯8，外纖芯8外形成內(nèi)包層7，內(nèi)包層7外形成外包層6，內(nèi)纖芯9的直徑為1.6μm，外纖芯8的直徑為8μm，內(nèi)包層7的直徑為26μm，外包層6的直徑為120μm。內(nèi)纖芯9和外纖芯8上寫制有光柵5，光柵5的波長(zhǎng)為1520nm、柵區(qū)長(zhǎng)為2mm。

其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例3

在本實(shí)施例中，雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度為25mm，雙包層抑制型光纖的結(jié)構(gòu)為：在雙包層抑制型光纖拉制過(guò)程中，光纖內(nèi)部形成內(nèi)纖芯9，內(nèi)纖芯9外形成外纖芯8，外纖芯8外形成內(nèi)包層7，內(nèi)包層7外形成外包層6，內(nèi)纖芯9的直徑為1.6μm，外纖芯8的直徑為8μm，內(nèi)包層7的直徑為26μm，外包層6的直徑為120μm。內(nèi)纖芯9和外纖芯8上寫制有光柵5，光柵5的波長(zhǎng)為1600nm、柵區(qū)長(zhǎng)為5mm。

其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例4

在本實(shí)施例中，雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度為25mm，雙包層抑制型光纖的結(jié)構(gòu)為：在雙包層抑制型光纖拉制過(guò)程中，光纖內(nèi)部形成內(nèi)纖芯9，內(nèi)纖芯9外形成外纖芯8，外纖芯8外形成內(nèi)包層7，內(nèi)包層7外形成外包層6，內(nèi)纖芯9的直徑為1.6μm，外纖芯8的直徑為8μm，內(nèi)包層7的直徑為26μm，外包層6的直徑為120μm。內(nèi)纖芯9和外纖芯8上寫制有光柵5，光柵5的波長(zhǎng)為1600nm、柵區(qū)長(zhǎng)為2mm。

其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例5

在本實(shí)施例中，雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度為25mm，雙包層抑制型光纖的結(jié)構(gòu)為：在雙包層抑制型光纖拉制過(guò)程中，光纖內(nèi)部形成內(nèi)纖芯9，內(nèi)纖芯9外形成外纖芯8，外纖芯8外形成內(nèi)包層7，內(nèi)包層7外形成外包層6，內(nèi)纖芯9的直徑為1.6μm，外纖芯8的直徑為8μm，內(nèi)包層7的直徑為26μm，外包層6的直徑為120μm。內(nèi)纖芯9和外纖芯8上寫制有光柵5，光柵5的波長(zhǎng)為1520nm、柵區(qū)長(zhǎng)為5mm。

其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例6

在以上的實(shí)施例1～3中，光纖4的左端從安裝板2上通孔穿出彈性管1外，光纖4的右端與雙包層抑制型光纖熔接，雙包層抑制型光纖的右端為自由端，光纖4采用單模光纖，雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度為19mm。

其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與相應(yīng)的實(shí)施例相同。

實(shí)施例7

在以上的實(shí)施例1～3中，光纖4的左端從安裝板2上通孔穿出彈性管1外，光纖4的右端與雙包層抑制型光纖熔接，雙包層抑制型光纖的右端為自由端，光纖4采用單模光纖，雙包層抑制型光纖的長(zhǎng)度為33mm。

其它零部件以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與相應(yīng)的實(shí)施例相同。

本發(fā)明的工作原理如下：

將本發(fā)明加速度傳感器固定在待測(cè)振動(dòng)體上，振動(dòng)體產(chǎn)生振動(dòng)，傳遞至彈性管1上，產(chǎn)生振動(dòng)，彈性管1自由端上下擺動(dòng)，帶動(dòng)光纖光柵發(fā)生彎曲，導(dǎo)致光柵5基模能量改變，輸出光能量波動(dòng)信號(hào)，通過(guò)分析加速度傳感器反射能量變化，可獲得振動(dòng)體的振動(dòng)信息。

為了驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果，發(fā)明人采用本發(fā)明實(shí)施例1制備的雙包層抑制型光纖光柵加速度傳感器(實(shí)驗(yàn)中簡(jiǎn)稱為加速度傳感器)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，各種實(shí)驗(yàn)情況如下。

1、建立測(cè)試系統(tǒng)

圖2給出了測(cè)試本發(fā)明的系統(tǒng)圖。在圖2中，可調(diào)諧激光器通過(guò)光纖4與光纖環(huán)形器相連，光纖環(huán)形器通過(guò)光纖4與待測(cè)的加速度傳感器和光纖耦合器相連，待測(cè)的加速度傳感器固定在可調(diào)激振器上，光纖耦合器通過(guò)光纖4與第一濾波器和第二濾波器相連，第一濾波器通過(guò)光纖4與第一光電探測(cè)器相連，第二濾波器通過(guò)光纖4與第二光電探測(cè)器相連，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器通過(guò)電纜與計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡相連，構(gòu)成測(cè)試本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)。

2、測(cè)試方法

測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。將待測(cè)的加速度傳感器固定在可調(diào)激振器上，可調(diào)激振器產(chǎn)生不同的加速度，可調(diào)諧激光器的激光線寬為100kHz、波長(zhǎng)調(diào)節(jié)精度為0.1pm，分別取雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度為19mm、25mm、33mm的3個(gè)加速度傳感器，接通可調(diào)諧激光器的電源，頻率調(diào)節(jié)至16Hz，逐漸改變激振器的加速度幅值，分別產(chǎn)生正弦振動(dòng)波幅值為0.06m/s²、0.24m/s²、0.42m/s²加速度，可調(diào)諧激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)環(huán)形器傳輸?shù)郊铀俣葌鞲衅?，加速度傳感器的反射激光信?hào)通過(guò)環(huán)形器傳輸?shù)焦饫w耦合器，分成兩路，一路經(jīng)第一濾波器濾出光纖光柵反射基模能量，并傳輸?shù)降谝还怆娞綔y(cè)器，基模共振光譜峰值波長(zhǎng)為1520～1600nm，第一光電探測(cè)器的增益為0dBm、帶寬為10MHz，第一光電探測(cè)器將振動(dòng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)同軸電纜輸出到計(jì)算機(jī)；另一路經(jīng)第二濾波器濾出光纖光柵反射高階基模能量，并傳輸?shù)降诙怆娞綔y(cè)器，高階基模共振光譜峰值波長(zhǎng)為1520～1600nm，第二光電探測(cè)器的增益為0dBm、帶寬為10MHz，第二光電探測(cè)器將振動(dòng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)同軸電纜輸出到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)帶有數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡采集兩路振動(dòng)電信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行減法處理后輸出到計(jì)算機(jī)。通過(guò)改變電壓可調(diào)節(jié)激振器的振動(dòng)幅度和頻率，給傳感器提供不同的振動(dòng)模擬環(huán)境。當(dāng)激振器輸出的振動(dòng)幅度分別為0.06m/s²、0.24m/s²、0.42m/s²時(shí)，光纖光柵傳感器輸出能量響應(yīng)如圖3、4、5所示，由圖可以看出，隨著激勵(lì)加速度幅度增加，加速度傳感器輸出電壓變化增大。

為了定量描述加速度傳感器的振動(dòng)響應(yīng)靈敏度，對(duì)其施加加速度幅值范圍從0.03m/s²～0.31m/s²，間隔為0.02m/s²的一系列正弦振動(dòng)波。提取不同加速度激勵(lì)下的基模峰值能量，并建立峰值能量與加速度之間的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)線性擬合，可獲得加速度傳感器的加速度靈敏度(由線性擬合函數(shù)斜率獲得)為1.15v/(m/s²)，高于之前報(bào)道的基于包層模的加速度傳感器的靈敏度一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，調(diào)整雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度分別為3.3cm和1.9cm，進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分別獲得不同雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度對(duì)其振動(dòng)幅頻特性的影響，靈敏度分別為1.25V/(m/s²)和0.66v/(m/s²)。傳感器靈敏度可由下列公式計(jì)算：

雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度為3.3cm的計(jì)算公式為：

V＝1.25a+0.00093

雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度為2.5cm的計(jì)算公式為:

V＝1.15a-0.00277

雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度為1.9cm的計(jì)算公式為

V＝0.66a-0.00478

上式中的a為加速度，V為電壓，并繪制出加速度傳感器對(duì)應(yīng)的加速度靈敏度，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，雙包層抑制型光纖長(zhǎng)度在1.9～3.3cm內(nèi)，隨著長(zhǎng)度的增加，加速度傳感器的靈敏度越來(lái)越高。