井间地震中光纤光栅加速度检波技术研究

发布时间：2016-11-12 13:37

  本文关键词：井间地震中光纤光栅加速度检波技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

《西北工业大学》 2015年

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。

【关键词】：
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P631.815;TN253
【目录】：

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