[发明专利]光纤地震检波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测地震波信号的传感器设计领域，特别涉及一种基于光纤技术检测微弱高/低频地震波信号的传感器。

背景技术

地震检波器在地震灾害预防、石油天然气勘探和国防安全监测等领域有着广泛的应用，主要包括：记录震源、研究地球内部结构和地震波传播特性，实现临震预报；记录人工震动经岩层分界面发生反射或折射引起的弹性波，认识地下地质构造以寻找油气圈闭，实现油气储存勘探；探测入侵目标引起的地面波，实现目标识别及预警安全监测。因此，地震波探测仪器市场空间非常巨大。

现有的地震检波器主要是基于电学原理设计制作而成的，将振动信息转换为电压信号，通过电子学手段测得电压大小，由此实现地震波信号测量。从工作原理上现有的地震检波器分为动圈式、涡流式、压电式、压阻式等，其缺点是：易受电磁干扰，灵敏度比较低，特别是电子学器件易产生电火花，在油气勘探领域中应用时存在安全隐患。

光纤传感器技术相对于传统的电类传感器具有以下优点：灵敏度高、不受电磁干扰、结构小巧、易于组网及长距离传输等，按照其传感机理可以分为强度调制型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光型等，由于其具有以上优点，所以得到越来越广泛的应用和研究。

美国加州大学尔湾分校D.H.Kim等在2007年报道了一种基于双光栅透射光强调制的光纤加速度计(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)。其方法是两光栅一个固定在加速度计壳壁上，另一个固定在质量块上。在振动作用下，两光栅作相对移动，通过光栅的光强随之变化，从而可探测振动的加速度。这种方法解调探测成本低，但复用能力差，传感器结构复杂，体积大，不易集成，并且光源输出抖动直接影响探测结果。

文献“A fiber-optic Bragg grating seismic sensor”(A.Laudati，F.Mennella，M.Giordano et al..IEEE Photon.Technol.Lett.，2007，19(24)：1991～1993)公开了一种光纤光栅型地震检波器，其用三只波将复用的FBG分别间隔120°排列在圆管内壁，构成一支有方向性的地震检波器。同传统检波器的对比冲击测试结果表明在0.1～10Hz范围内频率响应一致。文献“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)公开了一种相似的传感器结构，它在竖立的圆柱杆上固定了质量块和FBG，该系统本底噪声较高，最小可探测的加速度仅能达到0.1mg/Hz。这两类传感器易于复用，但是传感器结构复杂，体积大，响应灵敏度较低，而且需要波长解调，解调设备昂贵。

因此，需要提供一种结构紧凑、成本低廉、易于组网且具有高灵敏度的光纤地震检波器。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种光纤地震检波器，其具有结构紧凑、成本低廉、易于组网的优点，且可实现对微弱地震波信号的高灵敏度探测。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：光纤地震检波器，包括倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构、聚合物弹性管、支承构件、外壳和光纤导线；聚合物弹性管一端固定于支承构件上，另一端悬空感测振动；倾斜光纤光栅、包层-纤芯能量再耦合结构均封装在聚合物弹性管内；聚合物弹性管外侧由外壳保护，聚合物弹性管通过光纤导线与外部光源和光电探测器相连；所述聚合物弹性管在保护内部倾斜光纤光栅的同时，利用其自身的高弹性有效将环境振动传递至内部光纤。

所述包层-纤芯能量再耦合结构采用错位熔接法或光纤拉锥法加工而成，用于耦合由倾斜光纤光栅激发的反向于入射光传输的低阶包层模再次进入光纤纤芯，从而得到反映光纤振动信息的包层模能量变化，实现振动高灵敏度实时检测。这两种光纤加工方法具有制作简单、不降低光纤机械强度、振动信息获取直接、灵敏度高等优点。