光纤震动传感探头及光纤微震监测系统技术方案

本发明专利技术提供一种光纤震动传感探头及光纤微震监测系统，该传感探头包括壳体，具有容置腔体；阻尼液或阻尼机构，容置于壳体的容置腔体内；至少一薄板悬臂梁，设置于容置腔体内，且薄板悬臂梁的固定端固定安装于所述壳体的壳壁；一对并列设置的光纤干涉仪，该光纤干涉仪的一端位于所述壳体外部作为光输入端，另一端伸入所述壳体内部并固定于所述薄板悬臂梁的表面；所述光纤干涉仪的伸入所述壳体内部的分段的内部沿光输入方向间隔设置有两个反射界面，通过控制所述一对光纤干涉仪中各自的两个反射界面的间距来使所述一对光纤干涉仪的相位差奇数倍π/2。本发明专利技术的光纤微震监测系统具有小型化、低成本、温度不敏感、高灵敏的特点，可应用于不同的应用场景。

Optical fiber vibration sensor probe and optical fiber microseismic monitoring system

【技术实现步骤摘要】
光纤震动传感探头及光纤微震监测系统
本专利技术涉及光纤传感
，特别是涉及光纤震动传感探头及光纤微震监测系统。
技术介绍
经济持续高速发展大大推动了我国资源开发和基础工程建设，大规模深部矿产资源开采、水电建设与深埋隧道建设已成为我国采矿工业和基础工程发展的大势所趋。自二十世纪六十年代以来，由于在矿山动力灾害、冲击地压、矿震、岩爆预警、煤与瓦斯突出预警、突水预测、大坝边坡健康监测、油气勘测等领域得到规模应用并取得显著效益，微震监测技术越来越受到关注和重视。对比传统电学震动传感器和微震监测系统，光纤震动传感器和光纤微震监测系统具有高灵敏度、抗电磁干扰、本征安全、方便遥测和大规模组网等优点，可以在易燃易爆、高温高湿等特殊场景中应用。目前光纤微震监测系统按照传感机理和解调方案，主要分为强度型、光纤光栅型和干涉型。强度调制型光纤微震监测系统结构简单，但是测量精度差，无法应用于微震监测场景。光纤光栅型光纤微震监测系统适用于煤矿等软岩环境，但由于工作频率带宽较窄、分辨率差，无法适用于金属矿山等硬岩环境的微震监测要求，且光纤光栅型光纤微震监测系统需要对温度进行补偿，系统较复杂。干涉型光纤微震监测系统具有灵敏度高和工作频带可灵活设计的优点，但通常需要高成本的窄线宽激光器和复杂的零差或者外差解调电路系统。因此，提供一种，对于应力场扰动所诱发的微破裂和微震事件监测十分有意义。。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种小型化、低成本、温度不敏感的光纤震动传感探头和测量精度高、结构简单、解调算法失真小的光纤微震监测系统。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种光纤震动传感探头，所述光纤震动传感探头包括：壳体，具有容置腔体；阻尼液或阻尼机构，容置于所述壳体的容置腔体内；至少一薄板悬臂梁，设置于所述容置腔体内，且所述薄板悬臂梁的固定端固定安装于所述壳体的壳壁；一对并列设置的光纤干涉仪，所述光纤干涉仪的一端位于所述壳体外部作为光输入端，另一端伸入所述壳体内部并固定于所述薄板悬臂梁的表面；其中，在每个所述光纤干涉仪内，沿光入射方向间隔设置有两个反射界面，并且两个所述反射界面位于对应的所述光纤干涉仪的位于所述壳体内部的分段上，通过控制所述一对光纤干涉仪中各自的两个反射界面的间距来使所述一对光纤干涉仪的相位差奇数倍π/2。在一可选实施例中，所述光纤震动传感探头还包括固定装置，设置于所述壳体的壳壁上，所述薄板悬臂梁的固定端通过所述固定装置固定安装于所述壳体的壳壁上。在一可选实施例中，所述光纤干涉仪包括依次设置且相互连接的第一光纤分段、第二光纤分段和第三光纤分段；所述第二光纤分段具有中空管状结构，所述第一光纤分段的与所述第二光纤分段连接的一端表面作为一个反射界面，所述第三光纤分段与所述第二光纤分段连接的一端表面作为另一个反射界面。在一可选实施例中，所述第一光纤分段包括单模光纤，所述第二光纤分段包括空心光纤，所述第三光纤分段包括单模光纤、多模光纤、保偏光纤和无芯光纤中的任意一种。在一可选实施例中，所述第三光纤分段的与所述第二光纤分段连接的一端表面镀有反射膜，所述反射膜包括电介质膜、金膜、银膜或者铝膜。在一可选实施例中，所述第三光纤分段的磨端面为粗糙面或加工成斜八度角。在一可选实施例中，所述第一光纤分段的与所述第二光纤分段连接的一端表面镀有部分反射模，所述部分反射膜包括电介质膜。在一可选实施例中，所述光纤干涉仪的两个反射界面通过光纤微加工形成。在一可选实施例中，所述光纤震动传感探头包括两个所述薄板悬臂梁以及两对光纤干涉仪，两个所述薄板悬臂梁相互垂直设置，每个所述薄板悬臂梁上设置一对所述光纤干涉仪。在一可选实施例中，所述光纤震动传感探头包括三个所述薄板悬臂梁以及三对光纤干涉仪，三个所述薄板悬臂梁相互垂直设置，每个所述薄板悬臂梁上设置一对所述光纤干涉仪。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种光纤微震监测系统，所述光纤微震监测系统包括：至少一个如上述任意一项所述的光纤震动传感探头；光传输单元；光源单元，通过所述光传输单元与所述光纤震动传感探头连接，用于提供单波长激光；微震信号解调单元，通过所述述光传输单元与所述光纤震动传感探头连接；其中，所述微震信号解调单元接收所述光纤震动传感探头输出的光信号，经光电转换及数据处理后拾取振动信号。在一可选实施例中，所述光传输单元包括分光器、光纤环形器、光缆以及光纤跳线；所述分光器的一端与所述光源单元连接，另一端通过光纤跳线与所述光纤环形器的一个端口连接，所述光纤环形器的另一个端口依次通过所述光纤跳线及所述光缆与所述光纤震动传感探头连接，所述光纤环形器的第三个端口与所述微震信号解调单元连接。在一可选实施例中，所述微震信号解调单元包括依次通过信号线缆连接的光电平衡探测器、数据采集装置以及数据处理装置，所述光电平衡探测器将所述微结构光纤震动传感探头的输出的干涉光强转换成电压信号，经过所述数据采集装置采集后，送入所述数据处理装置处理。在一可选实施例中，所述光源单元包括半导体激光器或光纤激光器。本专利技术的光纤震动传感探头具有小型化、低成本、温度不敏感的特定；本专利技术的光纤震动传感探头的工作频率带宽和灵敏度可以根据悬臂梁的几何尺寸来进行灵活调整，以适应于不同的应用场景；将本专利技术的光纤震动传感探头运用到光纤微震监测系统进行微震监测作业时，所述光纤微震监测系统结构小巧、对温度不敏感、微震信号解调系统简单、失真小、测量精度高；本专利技术提供的光纤微震监测系统通过检测激光的相位变化拾取微震信号，具有灵敏度高、前端不带电、本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压等优点，适用于多种微震监测场景。附图说明图1显示为本专利技术的光纤震动传感探头的结构示意图。图2显示为本专利技术的光纤震动传感探头中一对干涉仪的结构示意图。图3为显示为本专利技术的光纤震动传感探头中一对干涉仪的微结构光纤长度差与激光器波长关系图。图4为显示为本专利技术的光纤震动传感探头中的一对干涉仪的微结构光纤长度分别为400微米和419.57微米时的干涉仪输出光谱图。图5为显示为本专利技术光纤震动传感探头中微结构光纤长度为419.57微米的干涉仪在20-120℃温度区间内的温度响应。图6为显示为本专利技术的光纤微震监测系统的结构示意图。图7为显示为本专利技术的光纤微震监测系统的微震信号解调单元的流程框图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1-图7，在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤震动传感探头，其特征在于，包括：/n壳体，具有容置腔体；/n阻尼液或阻尼机构，容置于所述壳体的容置腔体内；/n至少一薄板悬臂梁，设置于所述容置腔体内，且所述薄板悬臂梁的固定端固定安装于所述壳体的壳壁；/n一对并列设置的光纤干涉仪，所述光纤干涉仪的一端位于所述壳体外部作为光输入端，另一端伸入所述壳体内部并固定于所述薄板悬臂梁的表面；/n其中，在每个所述光纤干涉仪内，沿光入射方向间隔设置有两个反射界面，并且两个所述反射界面位于对应的所述光纤干涉仪的位于所述壳体内部的分段上，通过控制所述一对光纤干涉仪中各自的两个反射界面的间距来使所述一对光纤干涉仪的相位差奇数倍π/2。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤震动传感探头，其特征在于，包括：
壳体，具有容置腔体；
阻尼液或阻尼机构，容置于所述壳体的容置腔体内；
至少一薄板悬臂梁，设置于所述容置腔体内，且所述薄板悬臂梁的固定端固定安装于所述壳体的壳壁；
一对并列设置的光纤干涉仪，所述光纤干涉仪的一端位于所述壳体外部作为光输入端，另一端伸入所述壳体内部并固定于所述薄板悬臂梁的表面；
其中，在每个所述光纤干涉仪内，沿光入射方向间隔设置有两个反射界面，并且两个所述反射界面位于对应的所述光纤干涉仪的位于所述壳体内部的分段上，通过控制所述一对光纤干涉仪中各自的两个反射界面的间距来使所述一对光纤干涉仪的相位差奇数倍π/2。


2.根据权利要求1所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述光纤震动传感探头还包括固定装置，设置于所述壳体的壳壁上，所述薄板悬臂梁的固定端通过所述固定装置固定安装于所述壳体的壳壁上。


3.根据权利要求1所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述光纤干涉仪包括依次设置且相互连接的第一光纤分段、第二光纤分段和第三光纤分段；所述第二光纤分段具有中空管状结构，所述第一光纤分段的与所述第二光纤分段连接的一端表面作为一个反射界面，所述第三光纤分段与所述第二光纤分段连接的一端表面作为另一个反射界面。


4.根据权利要求3所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述第一光纤分段包括单模光纤，所述第二光纤分段包括空心光纤，所述第三光纤分段包括单模光纤、多模光纤、保偏光纤和无芯光纤中的任意一种。


5.根据权利要求1所述的光纤震动传感探头，其特征在于，所述光纤干涉仪的两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，吴许强，葛强，俞本立，李世丽，左铖，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34