Сейсмодатчик

 

Изобретение относится к датчикам, предназначенным для фиксации параметров сейсмических сигналов, и может быть использовано при изучении механических, волновых и колебательных процессов, происходящих в твердых упругих объектах, например в геофизических исследованиях породных массивов. Технический результат - повышение амплитудной чувствительности датчика к сейсмическим воздействиям при обеспечении повышенной помехозащищенности. Сущность: сейсмодатчик содержит корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, выполненный в виде волоконного световода, снабженного инертной массой. На локальном участке волоконного световода, составляющем чувствительный элемент датчика, поперечное сечение световода уменьшено и/или продольная ось подвергнута изгибу. 2 ил.

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.

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).

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.

Известен также сейсмодатчик, содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, выполненный в виде волоконного световода, снабженного инертной массой (см. патент РФ 2071092, 1997 г.).

Недостатком этого технического решения является недостаточная амплитудная чувствительность волоконного световода к деформирующим воздействиям.

Задача, решаемая заявленным техническим решением, выражается в повышении амплитудной чувствительности датчика к сейсмическим воздействиям при обеспечении повышенной помехозащищенности.

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.

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.

Сопоставительный анализ совокупностей признаков заявленного решения и признаков аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

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.

На фиг.1 схематически показан продольный разрез датчика.

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.

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.

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).

Собранный описанным образом датчик обеспечивает измерения сейсмоакустических колебаний в полосе частот от 15 до 1000 Гц.

Сейсмодатчик работает следующим образом.

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.

Таким образом, протарировав сигнал на выходе сейсмодатчика, через количественную характеристику измеряемого параметра сейсмических колебаний получают количественную оценку этого сигнала.

Формула изобретения

Сейсмодатчик, содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, выполненный в виде волоконного световода, снабженного инертной массой, отличающийся тем, что на локальном участке волоконного световода, составляющем чувствительный элемент датчика, поперечное сечение световода уменьшено и/или продольная ось подвергнута изгибу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2