三分量全光纤加速度地震检波器的测量原理
地震检波器原理与结构
其中: x0为振动物体的绝对位移、xm为振动物体的绝对位移、Xt=xm-x0为质量 块与振动体（即检波器壳体）之间的相对位移
检波器原理 –速度型检波器结构
速度型检波器：由线架、悬浮弹簧、磁钢、磁靴及弹簧
片组成。它可以看作是由质量体 m 、弹簧 k 、和阻尼 c 构成的 二阶惯性振动系统(工作在线性区）。
检波器原理 –速度型检波器 速度型检波器（常规检波器）
■它是一种基于电磁感应原理的机电变换。这种传感器能够 实现机械能与电能的相互转换。 当导体以速度 V垂直磁场方向运动时，导体上两端产生感 生电动势u。根据棂次定律，
u=BLV(其方向由右手定则确定)。
当导体上有电流时，导体将受到磁场的电磁力 fi 的作用。 根据安培定律，不计导体本身电阻抗时：
（常规或模拟输出检波器）数据采集示意图
前
言 引言
地震检波器作为野外数据采集过程中最为关键的采
集前端装备，其性能及所采集的数据质量直接关系到地 质效果而倍受关注。随着高分辨率勘探的深入，对地震 数据采集质量提出了新的要求。特别是 宽频、高保真、 高信噪比的低成本采集要求越来越迫切。 为了满足低成本以及数据采集的高质量要求，仪器 的道数、种类也在不断的增加：有线地震仪、无线地震 仪、节点地震仪、无缆地震仪、光纤地震仪等等。道数 也是从“多道”上升到了几万道、几十万道，并且期望 百万道。
检波器原理—参数描述3
失真度（畸变） ：作为一个信号通路，对通过的信号所产生的失 真程度。定义为输出中谐波分量的总有效值与基波分量有效值之比的 百分比。失真决定了检波器的动态分辨率。
☺低失真增加了动态分辨率，有助于记录到淹没在低频强噪声 ( 如地
光纤Bragg 光栅地震检波器是利用光栅的波长调制原理
光纤Bragg 光栅地震检波器是利用光栅的波长调制原理,即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距,再转化为对应的波长变化量,通过检测波长的变化来测量加速度的大小. 由图(2) 可以看出,该检波器的结构是将光纤布拉格光栅固定在弹簧片上构成的. 当地面振动时,固定于地面的检波器随之运动,检波器中的光栅与检波器外壳产生相对运动,在光电接收器件的接收面上产生运动的莫尔条纹,经处理后,以数字信号形式输出[9～13 ] .研究表明,光纤Bragg 光栅以其特有的特性(高灵敏度和大动态范围,较强的抗干扰能力和具有一定的智能作用,与大地耦合作用好,谐波失真小等) 比压电检波器(此种检波器是根据某些物质的压电效应制成的. 当沿一定方向对某些电介质施力而使其变形时,介质内部就产生极化现象.压电检波器正是利用这种压电效应,将地震波引起的压电效应转变为电信号的一种机电转换装置. ) 不仅具有高的灵敏度系数,并且动态范围也足以实现地震勘探领域的不同频率段的需求,在地质石油勘探领域具有广阔的应用前景. [17～29 ]5 结论地震检波器是地震勘探中的重要环节,地震采集数据的品质基本上取决于检波器本身的品质,埋置环境与记录数据系统的性能. 目前,数据采集的动态范围已经达到了120 dB ,所以检波器本身的动态范围越来越成为地球物理勘探技术中的首要技术要求[30～40 ] .光纤布拉格光栅以其高分辨力,高信噪比,高精确度,高可靠性,为振动的测量提供了理想的技术手段. 利用光纤布拉格光栅作为检波器的敏感元件,可具有动态范围宽,抗电磁干扰,信号频带宽等特点,易于满足高精度,高分辨率的地震勘探要求. 光纤Bragg 光栅地震检波器在地震石油勘探领域,桥梁结构健康检测领域和海洋开发领域等具有广泛的应用价值,是值得研究并推广的一项新技术.[ 1 ] 陶果,多雪峰. 我国地球物理测井技术的发展与战略初探[J ] .地球物理学进,2001 ,16 (3) :98～101.[ 2 ] 阮驰,崔崧,高应俊. 光纤Bragg 光栅与石油仪器[ J ] . 石油仪器,2001 ,15 (6) :1～4.[ 3 ] 陆文凯,丁文龙,张善文,肖焕钦,赵铭海. 基于信号子空间分解的三维地震资料高分辨率处理方法[J ] . 地球物理学报,2005 ,48 (4) :896～901.[ 4 ] 陈祖传. 地球物理勘探技术的进展[ J ] . 地球物物理学进展,2000 ,10 (3) :1～19.[5 ] 张向林,郭果,刘新茹. 油气地球物理勘探技术进展[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (1) :143～151.[ 6 ] Kersey A D. Fiber grating sensors [ J ] . Lightwave Technol ,1997 ,15 (8) :1442～1463.[ 7 ] Hill K O , Meltz G. Fiber Bragg Grating Technology Funda2mentals andOverviews[J ] . Journal of Lighwave Tet hnology ,1997 ,15 :1263～1274.[ 8 ] 苑立波. 光纤光栅原理和应用[J ] . 光通信技术,1998 ,22 (1) :70～72.[9 ] 梁磊,周雪芳. 新型光纤Bragg 光栅地震检波器的研究[J ] . 承德石油高等专科学校学报,2003 ,5 (1) :4～7.[ 10 ] 高华,李淑清,南忠良,陶知非,蒋诚志. 光栅地震检波器的研究[J ] . 航空精密制造技术,2003 ,39 (1) :40～42.[ 11 ] 王红落,常旭,陈传仁. 基于波动方程有限差分算法的接收函数正演与偏移[J ] . 地球物理学报,2005 ,48 (2) :415～422.[ 12 ] 袁子龙,韦丹宁,李婷婷. 高分辨率地震勘探智能程控型前置放大器的设计[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (1) :300～303.[ 13 ] 姚陈. 地震三维矢量反射波场[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21(2) :430～439 . [ 14 ] 于常青,祁晓明,朴永红,于文芹. 联合高分辨率地震和精细测井资料的剩余油气分析[ J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (2) :张向林,陶果. 油气井生产测井中的光纤传感技术[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20(3) :796～800.[16 ] 周振安,刘爱英. 光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (3) :864～866.[ 17 ] 陈海峰,肖立志,张元中,付建伟,赵小亮. 光纤Bragg 光栅在油气工业中的若干应用及进展[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21(2) :572～577.[ 18 ] 陈相府,安西峰,王高伟. 浅层高分辨地震勘探在采空区勘测中的应用[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (2) :437～439.[ 19 ] 徐朝繁,张先康,刘宝金,等. 高分辨折射地震资料处理方法及其应用[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (4) :1052～1058.[ 20 ] 张军华,吕宁,田连玉,陆文志,钟磊. 地震资料去噪方法、技术综合评述[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (4) :1083～1091.[ 21 ] 崔若飞,武旭仁,陈同俊. 煤矿地震数据管理系统的开发[J ] .地球物理学进,2005 ,20 (2) :374～376.[22 ] 周灿灿,王昌学. 水平井测井解释技术综述[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 1) :152～160.[ 23 ] 石建新,王延光,毕丽飞,等. 多分量地震资料处理解释技术研究[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :505～511.[ 24 ] 于景邨,刘志新,岳建华,刘树才. 煤矿深部开采中的地球物理技术现状及展望[ J ] .地球物理学进展,2007 ,22 ( 2) : 586 ～591.[ 25 ] 彭富清,霍立业. 海洋地球物理导航[ J ] . 地球物理学进[ 26 ] 孟庆生,楚贤峰,郭秀军,樊玉清,贾永刚. 高分辨率数据处理技术在近海工程地震勘探中的应用[ J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (3) :1006～1010.[27 ] 杨文采,于常青. 深层油气地球物理勘探基础研究[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1238～1242.[ 28 ] 金翔龙. 海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展[J ] .地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1243～1249.[29 ] 张向林,刘新茹,李健,卢涛. 我国油气开发监测技术进展[J ] .地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1360～1363.[ 30 ] 李淑清,陶知非. 未来地震检波器理论分析[ J ] . 物探装备,2003 ,13 (3) :152～156.[ 31 ] 刘光林,刘泰生,高中录,李刚,姚光凯. 地震检波器的发展方向[J ] . 勘探地球物理进展,2003 ,26 (3) :178～185.[ 32 ] 柏冠军,吴汉宁,赵希刚,王靖华. 地震资料预测薄层厚度方法研究与应用[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :554～558.[33 ] 张进铎. 地震解释技术现状及发展趋势[J ] . 地球物理学进展,2006 ,21 (2) :578～587.[34 ] 原宏壮,陆大卫,张辛耘,孙建孟. 测井技术新进展综述[J ] . 地球物理学进展,2005 ,20 (3) :786～795.[ 35 ] 冷元宝,朱萍玉,周杨,王送来. 基于分布式光纤传感的堤坝安全监测技术及展望[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (3) :1001～1005.[ 36 ] 陈会忠. 地震信息系统发展综述[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1142～1146. [ 37 ] 池顺良. 深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学———地震预测观测技术的发展方向,实现地震预报的希望[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1164～1170.[38 ] 陆其鹄,彭克中,易碧金. 我国地球物理仪器的发展[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (4) :1332～1337.[ 39 ] 赖晓玲,刁桂苓,孙译. 用近场余震观测资料研究张北地震的发震构造[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (1) :63～67.[ 40 ] 张福明,查明,邵才瑞,印兴耀. 天然气的测井勘探与评价技术[J ] . 地球物理学进展,2007 ,22 (1) :179～185.。
地震勘察仪器原理与结构
地震勘探仪器原理与结构5.1 地震勘探对仪器的基本要求5.1.1 地震波运动学特征对仪器的要求为了利用地震波的运动学特征来推测地下反射界面的位置和形态，就要求记录多道地震信号，以便进行波的对比，识别同相轴；记录震源激发信号作为计算反射时间的起点；记录计时信号作为计算反射时间的标尺；在采用炸药震源时还要记录井口信号，以测定地震波从炮井井底的炸药爆炸点传到炮井井口的时间- T值，进而依据已知的炮井深度h来推算表层的速度v = h/T,为今后地震资料处理时进行静校正提供依据。
除地震信号以外的这些需要记录的信号统称为辅助信号。
通常所说的地震仪记录道数指的是地震道的道数，辅助道不包括在内。
地震仪对地震信号的数据采集过程从震源激发时刻开始,一直持续到最深目的层反射信号完全到达时为止。
采集过程的持续时间称为记录长度, 采用炸药等冲激震源时, 记录长度T 为:T=2h/v 式中h---勘探目的层最大深度；v 地震波的平均速度。
在地震勘探中,有意义的最大反射界面的深度很少超过10km ,而达到这样深度的平均地震波速度，至少是3500m/s。
因此，通常要求的记录长度为6s。
深钻、地质解释和地震信号穿透力等项技术改进后,需要的记录时间还可能增加。
反射时间的标记是根据磁带上记录的计时信号进行的,如果计时信号本身不精确的话, 依据它测出的反射时间也就不精确, 由此推测出的反射界面的位置也就不准确, 因此, 一般要求计时信号的可重复性和绝对准确度都应保持在0 .05 ％的容许范围内。
5.1.2 地震波动力学特征对仪器的要求为了能利用地震波的动力学持征来推测地下岩性, 甚至直接找油找气, 就要求地震仪高保真、高信噪比、高分辨宰地把地震波记录下来。
具体来说,应满足以下几项基本要求：（1）地震仪允许输入的幅度范围（简称仪器的动态范围）必须大于需要记录的地震信号的动态范围。
需要记录的地震信号的最大幅度是从震源到最近的检波点的直达波幅度, 它与偏移距的大小有关；需要记录的地震信号的最小幅度是最深目的层反射波传到地表时的幅度,由勘探深度要求决定。
地震勘探检波器原理和特性及有关问题解析
地震勘探检波器原理和特性及有关问题解析摘要:地震勘探检波器的应用，能够接收地震信号，在地震勘探中起到了非常关键的作用。
本文在分析地震勘探检波器原理及特性的基础上，进一步对地震勘探检波器相关问题及排除方法进行分析，以期为地震勘探检波器的正确、科学使用提供有效建议。
本文采集自网络，本站不保证该信息的准确性、真实性、完整性等，仅供学习和研究使用，文中立场与本网站无关，版权和著作权归原作者所有，如有不愿意被转载的情况，请通知我们删除已转载的信息。
关键词:地震勘探检波器;原理;特性;问题在地震勘探工作中，检波器主要的作用为接收地震信号，属于对地震信号进行接收的前段环节，投入应用能够以直接的方式感知大地质点振动。
但是，从实际工作来看，倘若不能了解地震勘探检波器的原理和特性，那么在使用过程中将会出现一些问题，从而影响地震勘探效果[1]。
基于地震勘探工作的效率提升角度考虑，本文便有必要对地震勘探检波器原理和特性及有关问题进行分析。
1.地震勘探检波器原理及特性分析1.1地震勘探检波器原理对于地震勘探检波器来说，属于一种振动传感器，其工作原理和振动传感器相同，为一个单自由度的振动系统。
以感应振动信号的物理量差异，可细分为三类传感器，即:位移传感器、速度传感器以及加速度传感器。
但是，不论哪一类型的振动传感器，均对当中的一个物理量感应，切主要以输出的电信号和哪个物理量成正相关为准则[2]。
此外，从地震检波器的机电转换来看，其主要作用为把振动系统感应的振动信号等比例地转换成电信号。
根据转换原理角度来看，涵盖的检波器较多，如:电磁感应检波器、电容检波器以及压电检波器等。
1.2地震勘探检波器特性从地震勘探检波器的特性来看，主要有两类:其一为动态特性;其二为静态特性。
两方面的特性对检波器的品质有非常重要的影响。
对于动态特性参数来说，涵盖了固有频率、阻尼系数、频率响应范围以及频率特性等等。
对于静态特性参数来说，涵盖了有线性度、灵敏度、分辨率以及稳定性等。
三分量全光纤加速度地震检波器的测量原理
精密测量理论与技术报告三分量全光纤加速度地震检波器的测量原理导师:学号:姓名:摘要:本文介绍了顺变柱体型三分量全光纤加速度地震检波器。
该检波器由1个质量块,6个顺变柱体,3套迈克尔逊干涉仪光路组成。
其单一轴向的加速度可达103rad/g(其中,g为重力加速度),可同时检测3个轴向的加速度ax、ay、az,矢量合成得空间加速度a,从而实现加速度的实时、高精度检测。
关键词:三分量;全光纤加速度检波器;迈克尔逊干涉仪;顺变柱体1 引言光纤加速度检波器由于具有灵敏度高、抗电磁干扰等诸多优点,有着广泛的发展前景。
已经研制出一种实用型单分量全光纤加速度检波器及其信号处理系统。
还开展了顺变柱体型三分量加速度检测的研究。
本文对三分量全光纤加速度地震检波器进行了研究。
它具有并行、实时、高分辨率、高灵敏度检测及抗电磁干扰等优点。
2结构及传感机理图1是设计的三分量全光纤加速度检波器的系统结构简图。
一般地,单分量检波器由2个完全相同的顺变柱体支撑着1个质量块组成。
在一定的张力下紧密地缠绕在两柱体上的单模光纤形成了迈克尔逊干涉仪的两臂,两臂端面镀有高反铝膜。
而三分量检波器是在单分量的基础上进行设计的,它由6个顺变柱体支撑着1个质量块组成,相对的两柱体上缠绕的光纤形成了单分量的迈克尔逊干涉仪两臂。
该系统使用了3个光源即3套光路,相当于3个单分量的组合(图1)。
顺变柱体采用硫化硅橡胶材料,质量为mk,每一柱体上都缠有单模光纤,其复合刚度系数为Km。
质量块为金属立方体,它的6个面上分别固接着6个顺变柱体,它们的另一端与套筒固定,其作用是把外壳与质量块间的相对轴向运动转变为光纤张力。
任何外界加速度的x、y、z 3个分量分别迫使该方向上的顺变柱体沿轴向压缩或拉长,从而形成推挽式结构。
推挽式结构可以用来消除温度和压力变化对检波器的影响。
而迈克尔逊干涉仪结构则使该检波器的灵敏度得到提高,因为光通过每一个光纤线圈2次。
干涉仪两臂的长度差必须保证在激光光源的相干长度范围内,以便产生很好的边缘可见度,而对耦合器光源输入和信号输出端的传输光纤无此类限制。
地震仪器中地震道检波器的测试原理和方法
地 蔑 检波器的性能 测试亦 受到许多 因素
。
本 文从 检 波器 的结 构 及 工 作 原理 出 发 系 统 地 阐述 了 地 震 仪 器 中对 检 波器 ( 串 ) 的测 试 原 理 和 测 试 方 法
、
对
野 外 施 工 中正 确 测 试 快 速 判 断和 排 除 检 波 器 ( 串 ) 故 障 提 高 数 据 采 集 质 t
—
十
稳 态枪 出和 暂态
器 的 自然 频 率 时 则 电 流 超 前 于 电 压 ; 只 有 当 振 荡 器 的 频 率 等 于 检 波 器 的 自然 频 率 时 两 者 才 能 重 叠 图
, , 。
,
3
是 测 量 检 波 器 阻 尼 的线 路 原 理 图
,
。
继 电器
吸 合 时 直 流 电压 接 通 到 检 波 器 的 线 圈 上 当 继 电 器 开启 后 线 圈 自 由振荡
,
有极 大 的帮 助
。
主题词
检波器
脉冲
响应
性 能 测试
。 ,
检波 器 的 结 构 及 工 作 原 理
在讨 论 地 震 道 检波 器 串 的性 能 测试 以 前 我 们 先 来 简 单 分 析一 下 检 波 器 的结 构 及 工 作 原 理 器 的 种类较 多 现 以 陆 用 动 圈检波 器 为例
, 。 。 ,
。
:
,
这 两 点 缺一不 可
,
。
因 为这 种测 定是 我
式 中 C 为临 界 阻 尼
:
。
。
们 在使 用 和 测 量 检 波器 时 进 行 数据 对 比和 判 断 其 好坏 的 依 据
(5 )
。
天津大学硕士学位论文三分量全光纤...
天津大学硕士学位论文三分量全光纤加速度地震检波器的研制姓名：***申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：***20030101中文摘要“三分量全光纤加速度地震检波器的研制”是国家自然科学基会资助项目“三分量全光纤加速度地震检波技术的理论与实验研究”的子课题。
三分量全光纤加速度地震检波器是在本研究室研制的“单分量顺变柱体型全光纤加速度地震检波器”的基础上，研制成功的一种可以实现三维空间加速度三个分量（ａ。
，ａ。
，ａｚ）的并行，实时，高精度检测的新型加速度地震检波器。
该检波器的三个检测分量用６个顺变柱体共同支撑一个质量块，并采用三个迈克尔逊光纤干涉传感系统，构成三维简谐振子系统。
可广泛用于地震监测，工程振动测量，航空航天惯性导航以及石油天然气和会属矿藏的开采等领域，理论计算表明，灵敏度可达到２．８９ｘ１０３ｒａｄ／ｇ，可探测到的最小加速度为１０ｎｇ／、／Ｈｚ。
本文对三分量全光纤加速度地震检波器进行了深入的理论研究：从光纤传感的机理出发，利用牛顿定律、光纤应力应变效应阻及顺变柱体特性推导出了相干光相位差与外界加速度场之间的关系，建立了三维简谐振子系统的振动力学模型，并进行了三分量光纤传感系统的受力分析计算。
文中首先对检波器单个分量检测单元的工作原理、结构设计及关键部件顺变柱体的特性进行了简单介绍。
进而详细阐述了三分量检波器的系统结构设计，相位补偿技术及信号处理电路。
在上述理论研究的基础上，我们成功的设计出了新型的三维空心顺变柱体型双光路简谐振子系统，完成了三分量检波器样机的制备，在丹麦ＰＭＶｉｂｒａｔｉｏｎＥｘｃｉｔｅｒ４８０８震动台上对其进行了模拟实验测试，结果表明，检波器样机的输出信号与振动台信号一致，频响特性曲线与理论计算相符，加速度灵敏度为１２ｍｖ／ｃｍ／ｓ２。
关键字：三分量顺变柱体全光纤迈克尔逊干涉仪加速度地震检波器Ａｂｓｔｒａｃｔ“Ｄｅｖｅｌｏｐｅｍｅｎｔｏｆｔｈｒｅｅ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｌｌ·ｆｉｂｅｒａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｉｓｍｉｃｇｅｏｐｈｏｎｅ”ｉｓｔｈｅｓｕｂ—ｐｒ两ｅｃｔｏｆ“Ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｒｅｅ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｌｌ—ｆｉｂｅｒａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｉｓｍｉｃｇｅｏｐｈｏｎｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｐｐｏａｅｄｂｙＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ。
浅谈三分量地震勘探接收质控技术
浅谈三分量地震勘探接收质控技术摘要：随着近年来采集技术的不断发展，对于三分量采集技术日趋进步和成熟。
本文结合三分量采集技术发展实际就近年来三分量采集技术中的接收质控技术进行了总结，旨在和三分量采集技术管理者进行交流探讨，共促三分量采集接收质控技术的不断提高。
关键词：三分量；地震勘探；接收；质控近几年，针对成熟油田探区，特别是川西地区裂缝性油气探区，都在尝试和探索开展三分量地震勘探资料采集。
作为近年来地震勘探采集技术发展的前沿技术，本人结合三分量生产实际，以I/ON公司的SVSM数字三分量检波器为例，从设备性能、设备检测、辅助设备测试以及检波器矢量保真等多个方面，对于三分量采集接收质量控制技术进行了不断的摸索、尝试和总结。
1、数字三分量检波器各项主要技术性能指标及地震勘探接收原理作为三分量地震勘探采集来说，目前的数字三分量检波器主要是加速度检波器，以SVSM数字三分量检波器为例，三个相同的加速度计(如下图1-1)垂直地安放在一个精制的铝制立方体上，从而保证了检波器的稳定性，具有较好的矢量保真度；加速度计置于检波器单元的底部，这样可以更好的与地面耦合，并且减小刮风噪音的影响；排列电缆抖动不会引起VectorSeis检波器噪音；应用VectorSeis三分量数字检波器进行全波场采集；平坦的频率和相位响应扩展了频带范围；高矢量保真度将改善高分辨率三分量地震成像质量。
较常规模拟检波器具有如下优势：①数字三分量检波器直接输出24位数字信号；②动态范围为105dB，较常规检波器(45dB)更高；③频率和相位呈线性响应；④畸变量为0.003%，仅为常规检波器(0.03%)的十分之一；⑤无电缆抖动引起的噪音；⑥倾斜角度自动测量，并自动计算出倾斜校正量。
三分量采集接收主要就是依靠数字三分量检波器来接收来自三个方向的地震信号，包括纵波分量和两个水平分量。
三个分量分布遵循右手法则，三个分量两两相互垂直，如下图1-2所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
精密测量理论与技术报告
三分量全光纤加速度地震检波器的测量原理
导师:
学号:
姓名:
摘要:本文介绍了顺变柱体型三分量全光纤加速度地震检波器。
该检波器由1个质量块,6个顺变柱体,3套迈克尔逊干涉仪光路组成。
其单一轴向的加速度可达103rad/g(其中,g为重力加速度),可同时检测3个轴向的加速度ax、ay、az,矢量合成得空间加速度a,从而实现加速度的实时、高精度检测。
关键词:三分量;全光纤加速度检波器;迈克尔逊干涉仪;顺变柱体
1 引言
光纤加速度检波器由于具有灵敏度高、抗电磁干扰等诸多优点,有着广泛的发展前景。
已经研制出一种实用型单分量全光纤加速度检波器及其信号处理系统。
还开展了顺变柱体型三分量加速度检测的研究。
本文对三分量全光纤加速度地震检波器进行了研究。
它具有并行、实时、高分辨率、高灵敏度检测及抗电磁干扰等优点。
2结构及传感机理
图1是设计的三分量全光纤加速度检波器的系统结构简图。
一般地,单分量检波器由2个完全相同的顺变柱体支撑着1个质量块组成。
在一定的张力下紧密地缠绕在两柱体上的单模光纤形成了迈克尔逊干涉仪的两臂,两臂端面镀有高反铝膜。
而三分量检波器是在单分量的基础上进行设计的,它由6个顺变柱体支撑着1个质量块组成,相对的两柱体上缠绕的光纤形成了单分量的迈克尔逊干涉仪两臂。
该系统使用了3个光源即3套光路,相当于3个单分量的组合(图1)。
顺变柱体采用硫化硅橡胶材料,质量为mk,每一柱体上都缠有单模光纤,其复合刚度系数为Km。
质量块为金属立方体,它的6个面上分别固接着6个顺变柱体,它们的另一端与套筒固定,其作用是把外壳与质量块间的相对轴向运动转变为光纤张力。
任何外界加速度的x、y、z 3个分量分别迫使该方向上的顺变柱体沿轴向压缩或拉长,从而形成推挽式结构。
推挽式结构可以用来消除温度和压力变化对检波器的影响。
而迈克尔逊干涉仪结构则使该检波器的灵敏度得到提高,因为光通过每一个光纤线圈2次。
干涉仪两臂的长度差必须保证在激光光源的相干长度范围内,以便产生很好的边缘可见度,而对耦合器光源输入和信号输出端的传输光纤无此类限制。
如图1所示,耦合器输入端接收LD光源发出的K0=1.3Lm的窄带相干光。
经3 dB耦合区后分成2束进入干涉臂,由镀有
的高反铝膜的2光纤端面反射回来,于3 dB耦合区处干涉,经输出端由PIN光电探测器将干涉得到的光强信号转变为电信号并输出给信息处理系统,信号处理系统采用交流相位跟踪零差补偿(PTAC)技术把待测信号从诸多噪声中提取出来。
x、y和z方向上加速度信号的矢量合成,即得到要测的空间加速度信号。
3顺变柱体
该检波器属传感型,光纤既传光又作敏感元件。
采用工作波长为1.3Lm单模阶跃型光纤。
裸光纤的外径dw为260Lm,包层直径db为125Lm,芯半径为a=4.5Lm,芯层折射率n1=1.458,相对折射率差$=0.004 5,临界曲率半径为Rc≈11.5 mm。
在选择材料时,要尽量考虑减少外界环境(如温度等)的影响,因此选用硫化硅橡胶浇铸。
为了给橡胶顺变柱体加预紧力和有利于质量块与顺变柱体的定,在顺变柱体的两端各加了一个铝帽,且将铝帽与顺变柱体浇注在一起。
在浇注过程中,要保持上下两铝端帽有很好的平行度。
经计算,绕此顺变柱体一圈所需的光纤长度l=PD≈72.26 mm,绕满一层光纤所需的光纤长度(即光纤的有效长度)L=N·l=4121.1 mm,式中,N=h/dw=57为所绕的光纤圈数。
定义光纤硬度-长度之乘积为
Kfn=Y A (1)
式中,Y为光纤杨氏模量;A为光纤横截面积。
假定顺变柱体本身无能量损耗,可推出缠有光纤的顺变柱体的复合刚度系数为
Km=NPD4h2Kfn (2)
式中,h为顺变柱体的高度;N为缠绕的光纤匝数;D为顺变柱体直径。
当D=23 mm、h=15 mm 时,Km=4.1×106N/m。
4动力学模型
检波器响应外界加速度,质量块M将受到一个惯性力F的作用。
F=Ma,而a=ax+ay+az。
则
Max=6Fx= 2Kmõx+ 4Ktõx
May=6Fy= 2Kmõy+ 4Ktõy
Maz=6Fz= 2Kmõz+ 4Ktõz (3) 式中,x、y、z为质量块相对基座的相对位移;Kt为顺变柱体受剪切力而发生径向变形的刚度系数。
考虑到我们需要的是缠在顺变柱体上的有效光纤长度的应力应变效应引起的光相位变化,顺变柱体只是起到换能元件的作用。
如图2所示,只有顺变柱轴向的压缩或拉伸引起缠在其上的光纤长度变化才是明显的;而当顺变柱体的径向变化(弯曲或倾斜)时,根据体积不变性,顺变柱体的高度不变,则水平方向的截面面积也不变,即光纤圈的直径D1=D2,有效光纤长度不变,即使是有变化也微乎其微,相对于柱体轴向变形引起的长度变化可以忽略。
所以(3)式可以写为
Max=6Fx= 2CxKmõx
May=6Fy= 2CyKmõy
Maz=6Fz= 2CzKmõz （4）
式中,Cx、Cy和Cz为3轴向的补偿系数,其值应大于1。
因为Kt对相应的的Km而言是一种约束,其所对应的一部分力产生的后果是造成了一定的能量损耗,使得质量块的轴向位移比无Kt时要小一些。
(4)
5分析计算
为简化计算,假定各个顺变柱体的Km相同,同样Kt也可看成相同。
这样,任一轴向的共振频率可表示为
fni=12P2CiKmM(i=x,y,z) (5) 用DSS-25T电子万能实验机测得顺变柱体的弹性模量E=2×106N/m2,当D=23 mm、h=15 mm和M=430 g时,算得Km=4.1×106N/m;而顺变柱体的刚度系数K=ES/h=5.54×104N/m(S为顺变柱体的截面积)。
取Kt=K,则Ci=(Km+2Kt)/Km=1.027。
从而可以估算出单一轴向的共振频率fm=705 Hz,比单分量的fn(=695 Hz)略有升高。
3 dB光纤耦合器探测到的光相移是光程差的函数,1个顺变柱体变化产生的光相移为
D<1=2Pn1K0DL (6)
其中,D<1是单个顺变柱体引起的光相移;K0是真空中的光波长;n1是光纤的芯层折射率;DL 是1个干涉臂光纤长度的总变化量。
考虑到采用的是迈克尔逊干涉仪和推挽式结构,则任一轴向的总的光相移是D<1的4倍,即x、y或z向的总的光相移为
D<=4D<1=8Pn1K0DL (7) 根据L=NPD和顺变柱体的体积不变性,可知
DL=NPDD=NPD2hDh (8) 由(4)式知,任一轴向上存在
Nai=2CiKmDh(i=x,y,z) (9) 由(8)式和(9)式,可得出
DL=NPDMai4hCiKm (10) 将(10)式代入(7)式,可以得出任一轴向的加速度灵敏度
D<ai=2P2n1NDMK0hCiKm=8Pn1hMK0CiKfn (11) 从而,得出任一轴向的理论灵敏度为1.94×103rad/g(g=9.8 m/s2,为重力加速度)。
6讨论
由公式(1)和(2)可得
Km=NPD4h2Kfn=PYA4dw·Dh (12) 由此可见,在光纤确定的基础上,Km的大小取决于顺变柱体的径高比D/h。
但通过改变D/h13改变Km的效果有限,因为考虑到顺变柱体的压缩稳定性,径高比不可能太小。
我们采用的是包层直径为125Lm的普通光纤,若采用80Lm的光纤,则可使得Km大为降低。
而由(5)式可知,这将降低任一轴向的共振频率;当然,共振频率的降低也可以通过加大质量块的质量来实现。
同样,根据(11)式可以看出,增加顺变柱体的h和加大质量块的M,都可以提高检波器对加
速度的灵敏度,但受径高比和体积的限制,不能无限制地增大。
缩短光源的K0和减小传感光纤包层db得到的效果也很明显,如,若采用0.85Lm的光源和包层直径80Lm的光纤,而保持其它参数不变,则任一轴向的理论灵敏度为7.23×103rad/g,使得对加速度的灵敏度提高了几倍。
若换了光源和光纤的同时,再适当地增加顺变柱体的h,则可使得检波器对加速度的灵敏度上升1个数量级,达到104rad/g。
参考文献:
[1]CHEN Cai-he,DING Gui-lan,ZHANG De-long,et al.Michelson fiber optic accelerometer[J].Review of sci-entific Instruments,1998,69(9):3123-3126.
[2] D L Gardner,S L Garrett.Fiber-optic Seismic Sensor[A].Proc.SPIE[C].1987,838:271.
[3]R D Pechstedt,D A Jackson.Performance analysis of afiber optic accelerometer based on
a compliant cylinderdesign[J].Rev.Sci.Instrum,1995,66(1):207-214.
[4]丁桂兰,刘振富,陈才和,等.顺变柱体型全光纤加速度检波器敏感元件[J].光子学报,2000,29(Z1):171-174.。