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井间地震中光纤光栅加速度检波技术研究

刘钦朋  
【摘要】:光纤布拉格光栅(FBG)作为一种波长型器件,具有抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、体积小和易复用等优点,在光传感领域引起广泛的关注。FBG以温度和应变为基本物理量,可以实现压力、位移、角度和加速度等物理量的测量,在结构健康检测、地球动力学、地震勘探等领域具有独特的优势和重要的应用价值。本文以井间地震勘探技术作为创新应用背景,研究井间地震中FBG加速度检波新方法,主要包括以下几个方面:FBG传感理论分析以及FBG封装方法研究;FBG加速度检波器的设计与实现;FBG加速度检波系统随机误差模型研究;井间地震中FBG加速度检波系统方案设计等。主要研究内容和结果包括: (1)通过理论分析光纤光栅的形成机理,研究了FBG在线性应变作用下反射谱功率和带宽的响应特性,并建立了FBG加速度检波器理论模型。首先,分析了FBG的传感机理,分析了线性应变作用下FBG反射谱功率变化规律;其次,建立了FBG加速度检波模型,并分析了FBG检波原理,讨论了FBG加速度检波器的封装方法及其响应特性。 (2)设计并研制了基于双梁和双孔梁两种新型结构的FBG加速度检波器。提出了全粘短光栅双梁式FBG加速度检波器的封装方法,实验结果表明,双梁式FBG加速度检波器的平坦区范围为5-30Hz,20Hz时对应的加速度灵敏度为155.2pm/G,交叉轴灵敏度小于主轴灵敏度的4.76%;为进一步扩展频带,设计了两点封装的双孔梁式FBG加速度检波器,通过控制预应力来降低封装光纤自振的影响,实验结果表明,双孔梁式FBG加速度检波器在20-400Hz的范围内具有较好的平坦区,在160Hz时加速度响应灵敏度为17.6pm/G,加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8%,但与双梁式检波器相比,交叉轴灵敏度略差,小于主轴灵敏度的5.68%。 (3)设计并研制了基于两点封装的弹性管式FBG加速度检波器,理论分析了该检波器的工作原理,实验研究了弹性管式FBG加速度检波的响应特性。实验结果表明,在10-250Hz频率范围具有较好的平坦区,160Hz时的加速度线性灵敏度为63.0pm/G,为提高横向抗干扰能力,采用横向位移限位的方法,使加速度检波器的交叉轴灵敏度小于主轴灵敏度的4.06%。 (4)提出了基于单膜片全粘环向封装和双膜片两点封装FBG加速度检波器模型,并研制了相应的加速度检波器。研究表明,单膜片全粘封装模型在10-200Hz的频率范围内具有较好的平坦区,在160Hz时对应的加速度的灵敏度为36.6pm/G,动态分辨率为2mG/Hz,交叉轴灵敏度小于主轴灵敏度的1.3%,具有较强的横向抗干扰能力;为进一步拓展工作频带,同时保持较高的主轴灵敏度,研制了基于双膜片结构的加速度检波器,实验结果表明,在50-800Hz的频率范围内具有较好的平坦区,加速度灵敏度的变化范围为23.8pm/G-45.9pm/G,平坦度小于3dB,动态分辨率为0.385mG/Hz,动态范围达到80dB,交叉轴灵敏度小于主轴灵敏度的2.1%。 (5)提出并建立了采用Allan方差评价FBG加速度检波系统综合性能的随机误差模型,并针对设计的双膜片FBG加速度检波器进行随机误差识别实验。分析了FBG加速度检波系统的随机误差的特点和误差源,并通过Allan方差方法分析了FBG加速度检波器的几个主要技术评价指标,为客观评价FBG加速度检波系统的综合性能提供了基本依据。 (6)通过分析井间地震的技术要求和应用特点,提出了井间地震中FBG加速度检波系统方案。分析了井间地震FBG加速度检波系统构成,讨论了井间地震中FBG加速度检波网络化解调方案和FBG检波器波长规划,并设计了FBG加速度检波器下井方案。


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