[发明专利]一种高精度分量式光纤钻孔应变仪

说明书

技术领域

本发明涉及地震监测、预报技术领域，尤其涉及一种高精度分量式光纤钻孔应变仪。

背景技术

当今，钻孔应变观测是实现地震监测预报的一种重要手段。钻孔应变仪的研发始于20世纪60年代。目前，美国、澳大利亚、中国和日本的钻孔应变仪研制技术处于世界领先水平。钻孔应变仪分为体积式钻孔应变仪和分量式钻孔应变仪两种类型。

几十年来，钻孔应变仪不断在向小型化、结构简单化、高动态灵敏度、宽频带、低成本的发展方向努力，并致力于改善耐震动、抗冲击、系统零漂、雷击、使用寿命、深井钻孔观测等方面的性能。但目前，钻孔应变仪都是采用电学测量方法。由于电学测量仪器的技术特点，国内外都尚无法彻底解决零漂、电磁干扰、雷击等问题，以至于钻孔应变仪的使用寿命较短，并且难以适于深井观测的需要。

光纤传感技术是以光纤为媒质、以光为载体的全光测量方法，具有本质无源、体小质轻、抗电磁干扰、抗雷击、不怕漏水漏电、耐腐蚀、耐高温高压、无零漂、便于组网以及长距离传输等一系列独特优势，可为新型钻孔应变仪提供了一种新的解决思路。近年来，在地震监测和光纤传感交叉领域，国内外学者已经证明可以将光纤传感器用于地壳形变、地震波等物理量的长期观测，并取得了一系列可喜的成绩。

2011年张文涛等人提出了多种光纤钻孔应变仪，如光纤体应变仪(中国专利申请CN102359766A)、光纤钻孔应变仪(中国专利申请CN102322814A)、分量式光纤钻孔应变仪(中国专利申请CN102359765A)，以解决传统电学钻孔应变仪的固有问题。但是，以上专利都是采用光纤光栅(FBG)作为敏感元件，而常规光纤光栅解调方法的精度有限(1με)，虽然可以通过机械增敏提高FBG的应变测量精度，但是更高精度的光纤钻孔应变仪显得更重要。

目前，人们提出了很多提高FBG的应变测量精度的方法，比如采用相移光纤光栅、光纤光栅法珀干涉仪替代普通的光纤光栅，采用激光锁频技术提高光纤光栅测量精度等。例如，2010年意大利的Gagliardi等人在《Science》上发表的论文，采用光学频梳的方法将光纤光栅传感器的应变分辨率提高到10^-13，并指出光纤传感器将成为高精度应变测量的首选方案(G.Gagliardi，et a1.，“Probing the Ultimate Limit of Fiber-Optic Strain Sensing,”Science，2010)。2011年以来，日本东京大学的Qinwen Liu等人将激光锁频技术引入了地壳形变观测中，实现了5.8nε/√Hz的超低频准静态应变测量(Q.Liu，et a1.，“Ultra-high-resolution large-dynamic-range optical fiber static strain sensor using Pound-Drever-Hall technique,”Optics letters，2011)。因此，设计一种精度优于nε是可行的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明提出一种高精度分量式光纤钻孔应变仪，采用光纤光栅(或者光纤光栅法珀干涉仪、相移光纤光栅)作为敏感元件，以直接传力杆件作为封装结构，设计制作分量式光纤钻孔应变仪；结合激光锁频传感技术或者激光扫频传感技术，实现光纤光栅的高精度应变解调。通过提高光栅的解调精度，重点解决现有的光纤钻孔应变仪应变测量分辨率不足、结构复杂等问题。

(二)技术方案

本发明公开了一种高精度分量式光纤钻孔应变仪，其特征在于，该高精度分量式光纤钻孔应变仪包括：

壳体，用于保护分量式光纤钻孔应变仪的内部结构，并起到传递钻孔应变/应力信号的作用；

至少三个传力杆，其以三个不同安装方向安装在所述壳体内部，用于向传感光纤光栅传递三个不同方向上的钻孔应变/应力；

三支传感光纤光栅，分别安装在所述至少三个传力杆上，且串联在一起，串联后的光纤一端通过光缆引出至所述壳体外部，另一端连接至参考光纤光栅；

参考光纤光栅，其以不受钻孔形变影响的方式安装在所述壳体内部；

光纤光栅解调系统，其连接于引出至壳体外部的所述光缆，并通过可调谐窄线宽激光器扫描所述光缆，以获得所述三支传感光纤光栅和参考光纤光栅的反射谱，并根据所述反射谱分别获得三支传感光纤光栅与所述参考光纤光栅之间的波长差，进而获得钻孔应变/应力。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：