RU2184383C2

RU2184383C2 - Seismometric transducer

Info

Publication number: RU2184383C2
Application number: RU2000113067/28A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Кульчин; О.Б. Витрик; Ю.С. Петров; В.Г. Перфильев
Original assignee: Дальневосточный государственный технический университет
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2002-06-27

Abstract

FIELD: seismic engineering. SUBSTANCE: device has casing with sensitive member located inside. The latter is designed as fiber light guide with inert mass added. The light guide cross- section is reduced and/or its longitudinal axis is bent on some local area of the fiber light guide being the sensitive member of the transducer. EFFECT: improved transducer sensitivity and noise immunity. 2 dwg

Description

Изобретение относится к датчикам, предназначенным для фиксации параметров сейсмических сигналов, и может быть использовано при изучении механических и волновых и колебательных процессов, происходящих в твердых упругих объектах, например в геофизических исследованиях породных массивов. The invention relates to sensors designed to record the parameters of seismic signals, and can be used in the study of mechanical and wave and oscillatory processes occurring in solid elastic objects, for example in geophysical studies of rock massifs.

Известен сейсмодатчик, содержащий чувствительный элемент, инертную массу, размещенную с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом, и линию передачи измерительных сигналов к блоку обработки данных (см. книгу Ямщикова B. C. Методы и средства исследования горных пород и процессов, М.: Недра, 1982, с. 227, рис. 123). Known seismic sensor containing a sensitive element, an inert mass placed with the possibility of interaction with the sensitive element, and a transmission line of measuring signals to the data processing unit (see the book Yamshchikova BC Methods and means of research of rocks and processes, M .: Nedra, 1982, p . 227, Fig. 123).

Недостаток этого технического решения - недостаточная чувствительность датчика и неудовлетворительная надежность полученных данных, при измерениях в условиях дополнительного воздействия других физических полей, например тепловых, электромагнитных, магнитных и т.п., вследствие недостаточной помехозащищенности датчика и каналов связи с блоками обработки данных. The disadvantage of this technical solution is the lack of sensitivity of the sensor and the unsatisfactory reliability of the data obtained when measuring under conditions of additional exposure to other physical fields, for example, thermal, electromagnetic, magnetic, etc., due to insufficient noise immunity of the sensor and communication channels with data processing units.

Известен также сейсмодатчик, содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, выполненный в виде волоконного световода, снабженного инертной массой (см. патент РФ 2071092, 1997 г.). Also known is a seismic sensor containing a housing, inside which a sensing element is placed, made in the form of a fiber waveguide equipped with an inert mass (see RF patent 2071092, 1997).

Недостатком этого технического решения является недостаточная амплитудная чувствительность волоконного световода к деформирующим воздействиям. The disadvantage of this technical solution is the lack of amplitude sensitivity of the fiber to the deforming effects.

Задача, решаемая заявленным техническим решением, выражается в повышении амплитудной чувствительности датчика к сейсмическим воздействиям при обеспечении повышенной помехозащищенности. The problem solved by the claimed technical solution is expressed in increasing the amplitude sensitivity of the sensor to seismic effects while providing increased noise immunity.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи выражается в усилении влияния деформирующих воздействий на интенсивность направляемого излучения без использования внешних конструкционных элементов, а посредством изменения формы световода. The technical result achieved by solving the problem is expressed in enhancing the influence of deforming influences on the intensity of the directed radiation without using external structural elements, but by changing the shape of the fiber.

Поставленная задача решается тем, что сейсмодатчик, содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, выполненный в виде волоконного световода, снабженного инертной массой, отличается тем, что на локальном участке волоконного световода, составляющем чувствительный элемент датчика, поперечное сечение световода уменьшено и/или продольная ось подвергнута изгибу. The problem is solved in that the seismic sensor containing the housing, inside which the sensing element is placed, made in the form of a fiber waveguide equipped with an inert mass, characterized in that in the local section of the fiber waveguide constituting the sensor element, the fiber cross section is reduced and / or longitudinal the axis is bent.

Сопоставительный анализ совокупностей признаков заявленного решения и признаков аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна". A comparative analysis of the totality of the features of the claimed solution and the features of analogues and prototype indicates the compliance of the claimed solution with the criterion of "novelty."

Признаки отличительной части формулы изобретения характеризуют конструктивную особенность чувствительного элемента сейсмодатчика, обеспечивающего повышение амплитудной чувствительности к изгибу, что объясняется внесением дополнительных потерь излучения в перетяжке световода при рассогласовании распределений световых полей в недеформированном световоде и в перетяжке. The features of the distinguishing part of the claims characterize the design feature of the sensitive element of the seismic sensor, which provides an increase in the amplitude sensitivity to bending, which is explained by the introduction of additional radiation losses in the constriction of the fiber when the light field distributions in the unstrained fiber and in the waist are mismatched.

На фиг.1 схематически показан продольный разрез датчика. Figure 1 schematically shows a longitudinal section of a sensor.

На данном чертеже показаны световод 1, перетяжка 2, корпус датчика 3, грузик 4, заглушки 5 с отверстиями 6, слой клея 7, наполнитель (масло) 8, заливочное отверстие 9, лазер 10, блок обработки данных 11. In this drawing, a light guide 1, a waist 2, a sensor housing 3, a sink 4, plugs 5 with holes 6, a layer of glue 7, a filler (oil) 8, a filling hole 9, a laser 10, a data processing unit 11 are shown.

В качестве световода 1 датчика используют кварцевое волокно (например, двухмодовое с диаметром сердцевины порядка 7 мкм), т.е. чувствительный элемент представляет собой волоконный двухмодовый интерферометр с перетяжкой 2. Перетяжка 2 представляет собой участок световода 1 с локальным уменьшением диаметра, ограниченный с обеих сторон недеформированным световодом 1, который может быть сформирован, например, простым сжатием или вытягиванием разогретого отрезка кварцевого волокна. При малой кривизне изгибаемого участка измерение мощности световой волны, направляемой по световоду на перетяжку, может вызвать затруднения. Для того чтобы преодолеть этот недостаток выполняют перетяжку 2 со смещением в радиальном направлении, для чего участок световода 1 подвергают длительному разогреву. В этом случае гауссовы пучки в основном световоде 1 и перетяжке 2 изначально смещены относительно друг друга на некоторое расстояние d_o (см. фиг.2) так, что в случае изгиба перетяжки суммарный сдвиг становится большим. С учетом данной поправки зависимость мощности прошедшего излучения от угла изгиба становится линейной для малых углов. Для того чтобы избежать преждевременного разрушения изгибаемого световода 1, которое возможно при увеличенных диаметрах перетяжки 2, используют полиакриловое лаковое покрытие для деформируемой области световода. Световод 1 выполняют длиной 100 мм, длина рабочего участка которого составляет 90 мм. Корпус 3 сейсмодатчика выполнен в виде металлического полого цилиндра, длиной порядка 120-130 мм. Его концы снабжены резьбой, соответствующей резьбе, выполненной на внешних кромках заглушек 5. Вес грузика 4 составляет 1 грамм. В качестве основы клеевого слоя 7 целесообразно использовать акриловый клей. Заглушки 5 выполнены в виде дисков, снабженных отверстиями, обеспечивающими проход световодов 1. Одна из заглушек снабжена парой отверстий 9, снабженных резьбовыми пробками.As the optical fiber 1 of the sensor, quartz fiber is used (for example, two-mode with a core diameter of about 7 μm), i.e. the sensitive element is a two-mode fiber interferometer with a constriction 2. The constrictor 2 is a portion of the fiber 1 with a local decrease in diameter, limited on both sides by an undeformed fiber 1, which can be formed, for example, by simply compressing or stretching a heated segment of a silica fiber. With a small curvature of the bent section, the measurement of the power of a light wave directed along the fiber to the constriction can cause difficulties. In order to overcome this disadvantage, a constriction 2 is carried out with a shift in the radial direction, for which a portion of the fiber 1 is subjected to prolonged heating. In this case, the Gaussian beams in the main fiber 1 and the constriction 2 are initially offset relative to each other by a certain distance d _o (see Fig. 2) so that in the case of a bend of the constriction, the total shift becomes large. With this correction, the dependence of the transmitted radiation power on the bending angle becomes linear for small angles. In order to avoid premature destruction of the bent fiber 1, which is possible with increased diameters of the waist 2, a polyacrylic varnish coating is used for the deformable region of the fiber. The light guide 1 is 100 mm long, the length of the working section of which is 90 mm. The body 3 of the seismic sensor is made in the form of a metal hollow cylinder, a length of about 120-130 mm. Its ends are provided with a thread corresponding to a thread made on the outer edges of the plugs 5. The weight of the weight 4 is 1 gram. As the basis of the adhesive layer 7, it is advisable to use acrylic adhesive. The plugs 5 are made in the form of disks equipped with holes that allow passage of the optical fibers 1. One of the plugs is equipped with a pair of holes 9 provided with screw plugs.

Сборку сейсмодатчика осуществляют в следующем порядке: на световоде 1, подготовленном вышеописанным способом, фиксируют (например приклеивают) грузик 4 (целесообразно, чтобы в грузике имелось отверстие, через которое пропускают световод). Свободные концы световода 1 пропускают через отверстия 6 в заглушках 5 и фиксируют клеем 7 второй конец световода 1. Далее, удерживая приклееный конец световода 1, осуществляют его натяжение (с силой 1 Н), после чего отверстия 9 закрывают пробками (на чертеже не показаны). The seismic sensor is assembled in the following order: on a light guide 1 prepared as described above, a weight 4 is fixed (for example, glued) (it is advisable that there is a hole in the weight through which the light guide is passed). The free ends of the fiber 1 pass through the holes 6 in the plugs 5 and fix the second end of the fiber 1 with glue 7. Next, holding the glued end of the fiber 1, tighten it (with a force of 1 N), after which the holes 9 are closed with plugs (not shown in the drawing) .

Собранный описанным образом датчик обеспечивает измерения сейсмоакустических колебаний в полосе частот от 15 до 1000 Гц. The sensor assembled in the described manner provides measurements of seismic-acoustic vibrations in the frequency band from 15 to 1000 Hz.

Сейсмодатчик работает следующим образом. The seismic sensor operates as follows.

Излучение лазера 9 вводится в световод 1 интерферометра, к свободному концу которого подключен блок обработки данных 11, состоящий из двух фотодиодов, подключенных на входы дифференциального усилителя, который фиксирует изменение интенсивности двух интерференционных пятен на выходе сейсмодатчика. Колебания поверхности объекта на котором зафиксирован сейсмодатчик, вызывают соответствующие колебания грузика 4, которые приводят к поперечному деформированию световода и тем самым к модуляции фазы направляемого по световоду излучения. The laser radiation 9 is introduced into the optical fiber 1 of the interferometer, to the free end of which is connected a data processing unit 11, consisting of two photodiodes connected to the inputs of a differential amplifier, which records the change in the intensity of two interference spots at the output of the seismic sensor. Oscillations of the surface of the object on which the seismic sensor is fixed cause corresponding vibrations of the weight 4, which lead to transverse deformation of the fiber and thereby modulate the phase of the radiation directed through the fiber.

Таким образом, протарировав сигнал на выходе сейсмодатчика, через количественную характеристику измеряемого параметра сейсмических колебаний получают количественную оценку этого сигнала. Thus, having calibrated the signal at the output of the seismic sensor, a quantitative estimate of this signal is obtained through the quantitative characteristic of the measured parameter of seismic vibrations.

Claims

A seismic sensor containing a housing inside which a sensing element is placed, made in the form of a fiber light guide provided with an inert mass, characterized in that the cross section of the light guide is reduced and / or the longitudinal axis is bent at a local section of the fiber light guide constituting the sensor element.