专利名称：垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地震波的采集装置，是一种通过光纤Bragg光栅的拉伸，将振动机械能转换为光能变化，进而检测光信号的高分辨率、低失真度的地震检波器探头。
背景技术：
在石油等矿藏的地球物理探测技术中，一种重要的方法是主动震勘探技术。它的 基本原理是将震源埋置在地层中，当引爆震源后，由震源发出的地震波在地层中向各个方 向传播。当地震波依次传输到波阻抗不同的两层介质的分界面时，就会发生反射和透射，反 射波反射回地面，被设置在地面上的检波器接收。通过接收并分析检波器检测到的不同地 层反射回的地震波信息，可以确定检波器附近地层的分布，从而判定是否有矿藏，以及矿藏 大体储量。由于地震波在地层内的传播过程中，它的能损耗非常严重，结果会造成浅层反射 波和深层反射波的强度差别极大，可达百万倍，即相差120dB。当前，地震勘探使用的检波器 主要是动圈式速度检波器、压电式加速度传感器、变容式微机电加速度传器等，这些检波器 的主要缺陷是检波灵敏度低。目前地震记录仪器的动态范围已经能达到IOOdB,可以满足记 录微弱的地下反射信号的要求。但是，上述这些正在使用的检波器的灵敏度只能达到50 60dB,明显浪费了地震记录仪器的记录能力。另外这些检波器的抗干扰能力差，尤其不能抵 抗电磁干扰。这些缺点极大地限制了深层探矿的可能性，制约了地震勘探技术的发展和应 用。地震检波器的灵敏度已经成了地震勘探技术发展的瓶颈。光纤Bragg光栅(FBG)作为一种新型的传感元件，具有灵敏度高、动态范围大，抗 干扰能力强、可实现分布式检测的突出优点，适合用于制作地震检波器。在传感器的结构设计上，利用光纤Bragg光栅实现对加速度测量的传感器有多种 结构形式，主要是使光纤Bragg光栅产生轴向栅距的变化，即轴向应变。通常是利用悬臂梁 的受力把加速度量转换为应变量，再转化为Bragg光栅中心波长的漂移，通过检测波长的 漂移量即可实现对振子加速度等物理量的测量。光纤Bragg光栅与悬臂梁的安装关系主要有两类。一类悬臂梁结构要求将光纤 Bragg光栅粘贴在梁的表面上，通过梁的表面应变使光纤Bragg光栅产生相同的应变，见图 1。悬臂梁形式有均勻梁，凸型梁，等强度梁，双悬臂梁等多种结构。还有一类悬臂梁是将光 纤Bragg光栅设置为拉伸状态，见图2，光纤Bragg光栅一端固定在外壳上，一端固定在悬臂 梁上，使光纤Bragg光栅处于拉伸应变状态。上述第一类结构的光纤Bragg光栅应变取决于悬臂梁表面的应变和粘贴的强度， 受封装工艺的影响大，粘贴胶层不均勻直接导致光纤受力不均勻，也对梁的尺寸和振子的 质量有较高要求。为了加大梁的应变量，需要使梁的长度尺寸减小，振子质量增大；有时为 了使光纤Bragg光栅的各处应变一致相同，采用等强度梁结构。这种结构需要探头加工完 成后再进行光纤Bragg光栅粘贴。在第二种结构中，光纤Bragg光栅处于拉伸状态，为了固定光纤Bragg光栅，需通 过光纤Bragg光栅使振子与外壳结合在一起。这种结构受限于光纤Bragg光栅的预拉伸，受到封装工艺的影响比较大，不便于安装和维护。

发明内容
本发明目的是提供一种便于安装，灵敏度较高的光纤Bragg光栅振子，解决目前 光纤Bragg光栅振子安装和光纤Bragg光栅应变的问题，减小光纤Bragg光栅传感器的封 装难度，使光纤Bragg光栅传感器的灵敏度易于控制。本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构，包括外壳(1)，L型悬臂梁 (2)，振子(3)，光纤Bragg光栅(4)，光纤Bragg光栅引出线(5)，横梁(6)。L型悬臂梁(2) 一端与横梁(6)固定连接，另一端与振子(3)连接，光纤Bragg光栅(4)的两端与L型悬臂 梁⑵和横梁(6)末端部分固定连接，其中光纤Bragg光栅引出端与引出线(5)连接。本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构，其特征在于，所述的探头结 构由一个L型悬臂梁(2)、振子(3)和横梁(6)组成，在L型悬臂梁⑵和横梁(6)末端上 布置光纤Bragg光栅(4)，且光纤Bragg光栅(4)为垂向拉伸的。 本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构，其特征在于，所述的L型悬臂 梁是等截面的，或是变截面的。本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构，其特征在于，所述的L型悬臂 梁横截面是圆形的，矩形的，或是方形的。本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构，其工作原理为，L型悬臂梁一 端振子在外部激振力的作用下，产生上下振动，而此时横梁的相对于L型悬臂梁振动静止。 结果L型悬臂梁的变形使其与横梁末端的距离也随之发生变化。由于光纤Bragg光栅的两 端固定在L型悬臂梁末端与横梁末端上，振子的振动导致光纤Bragg光栅产生应变变化，使 光纤Bragg光栅的中心波长产生漂移，通过检测波长的漂移量变化实现对加速度等物理量 的测量。本发明是垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构具有如下优点通过将光纤 Bragg光栅固定在L型悬臂梁与横梁末端，可以将其拉伸形式由横向拉伸改为垂向拉伸，使 其灵敏度增加。通过对光纤Bragg光栅的预拉伸，可以使工作状态的光纤Bragg光栅一直 处于拉伸状态。由于光纤Bragg光栅、L型悬臂梁和横梁之间的安装和制造是单独进行的， 不需要在传感器的壳体内部进行，简单易行，安装方便。又由于可以调节L型悬臂梁的尺寸 与形状，实现对其挠度的调节，且方法简单易行。


图1为悬臂梁式光纤Bragg光栅传感器(贴片式)图2为悬臂梁式光纤Bragg光栅传感器(拉伸式)图3为本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构的示意图，悬臂梁为L型悬臂梁。图4为本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构的示意图，悬臂梁为变 截面悬臂梁。图中，1-外壳；2-L型悬臂梁；3-振子；4-光纤Bragg光栅；5_光纤Bragg光栅引 出线；6_横梁。
图5为实施的方案图。
具体实施例方式本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构，解决目前光纤Bragg光栅地 震检波器的探头安装不便，应变较小的问题。具体实施的方案图，见图5。通过将悬臂梁改 为L型悬臂梁与横梁的组合将光纤Bragg光栅固定住，使光栅的拉伸方向与振动方向相同， 可提高其灵敏度。通过改变L型悬臂梁与横梁间的距离，可完成光纤Bragg光栅的预拉伸， 操作简单，安装方便。同时，也可能通过改L型悬臂梁的截面形状和尺寸，达到调节振子的 固有频率的目的，方法简单易行，调节效果显著。为了实现上述的发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现见图3。L型悬臂梁⑵一端与横梁(6)固定连接，另一端与振子(3)连接，横梁 (6)与外壳⑴固定在一起。光纤Bragg光栅(4)的两端与L型悬臂梁与横梁的两端垂直 固定，其中光纤Bragg光栅引出端与引出线(5)连接。L型悬臂梁一端振子在外部激振力的 作用下，产生上下振动，而此时横梁的相对于L型悬臂梁振动静止。结果L型悬臂梁的变形 使其与横梁末端的距离也随之发生变化。由于光纤Bragg光栅的两端固定在L型悬臂梁末 端与横梁末端上，振子的振动导致光纤Bragg光栅产生应变变化，使光纤Bragg光栅的中心 波长产生漂移，通过检测波长的漂移量变化实现对加速度等物理量的测量。L型悬臂梁可以为等截面梁，也可以为变截面梁。
权利要求
垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构，包括外壳(1)，L型悬臂梁(2)，振子(3)，光纤Bragg光栅(4)，光纤Bragg光栅引出线(5)，横梁(6)。L型悬臂梁(2)一端与横梁(6)固定连接，另一端与振子(3)连接，光纤Bragg光栅(4)的两端与L型悬臂梁(2)和横梁(6)末端部分固定连接，其中光纤Bragg光栅引出端与引出线(5)连接。
2.根据权利要求1所述的垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头，其特征在于，所述的 探头结构由一个L型悬臂梁(2)、振子(3)和横梁(6)组成，在L型悬臂梁(2)和横梁(6) 末端上布置光纤Bragg光栅(4)，且光纤Bragg光栅(4)为垂向拉伸的。
3.根据权利要求1所述的垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头，其特征在于，所述的 L型悬臂梁是等截面的，或是变截面的。
4.根据权利要求1所述的垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头，其特征在于，所述的 L型悬臂梁横截面是圆形的，矩形的，或是方形的。
全文摘要
本发明垂向光纤Bragg光栅地震检波器的探头结构，由外壳(1)，L型悬臂梁(2)，振子(3)，光纤Bragg光栅(4)，光纤Bragg光栅引出线(5)，横梁(6)组成。L型悬臂梁(2)一端与横梁(6)固定连接，另一端与振子(3)连接，光纤Bragg光栅(4)的两端与L型悬臂梁(2)和横梁(6)末端部分固定连接，其中光纤Bragg光栅引出端与引出线(5)连接。该探头与其他类型的悬臂梁探头相比，由于光纤Bragg光栅、L型悬臂梁和横梁之间的安装和制造是单独进行的，不需要在传感器的壳体内部进行，简单易行，安装方便。又由于可以调节L型悬臂梁的尺寸与形状，实现对其挠度的调节，且方法简单易行。
文档编号G01V1/18GK101806918SQ20101013400
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者苟其勇, 陶果, 雷永强, 魏耀东 申请人:中国石油大学(北京)