用于检测流体介质中压力波的具有静态压力补偿的传感器的制造方法

用于检测流体介质中压力波的具有静态压力补偿的传感器的制造方法
【专利摘要】一种压力传感器装置包括：一填充有压力传递介质(3)的腔室(2)，腔室具有至少一个可以转移流体中至少部分的压力波的窗口(4)；一光纤(10)，所述光纤(10)纵向穿过所述腔室(2)，所述光纤(10)包括一FBG(18)，以及设于FBG(18)的相对两侧的两个安装点(11、12)；一框架(50)，所述框架(50)具有第一框架端(51)和纵向相对的第二框架端(52)；一并联连接到所述两个安装点(11、12)之间的光纤段(13)的压力响应组件(70)，所述压力响应组件包括由一压力响应机构(28)和一运动阻尼器(30)组成的串联结构；一串联到所述光纤段和所述框架(50)的弹性构件(40)。
【专利说明】
用于检测流体介质中压力波的具有静态压力补偿的传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于检测流体介质中，尤其是液体介质中压力波的传感器。
【背景技术】
[0002]在反射地震学的领域内，声脉冲是在海或者海洋的上部区域产生的，然后反射的声信号被测量和分析。这项技术是很有用的，例如，用于绘制海洋底部地图，以及用于探测石油和天然气，在该情况下需要映射地表面以下的结构。
[0003]声波在水中的传播和压力波一样，可以使用压力传感器检测。在实际的安装中，多个传感器沿着数公里长的缆线的长度方向排列，多个传感器的相互间距大约为几米。该缆线，表示为“拖缆”，其在水中被拖曳在船舶的后面。传感器发出的测量信号通过拖缆传输到处理装置，处理装置通常是设于船上。在实践中，船牵引着多个相互平行的拖缆，多个拖缆相互之间距离大约为50米。总而言之，成千上万个压力传感器组成的测量阵列将处于运行。
[0004]置在海底的传感器也用于声波的探测，不论是单点传感器(海底节点)还是布设于缆线中的一连串传感器。此外，声波的探测不仅限于勘探方面的使用，还更广泛地应用于地震检测，也就是，震波的检测，包括由地震引起的波。
[0005]在一典型的现有技术示例中，压力传感器作为一个压电元件实现，压电元件包含了压电晶体。压力变化引起压电晶体收缩或者膨胀，而压电晶体的收缩和膨胀会使得压电晶体产生电信号。在这种情况下，为了传输这些电信号，拖缆需要包括导线，导线通常是由铜制成的，也可以由铝制成的替代。为了保持低的信号损失，导线必须比较厚。可替代地，或者附加地，这些拖缆应包含用于结合、复用和数字化这些传感器信号的数据接收单元。这同样适用于其他类型的拖缆，其中压力传感器产生电信号。
[0006]已经有人提议采用光信号替换电信号，这将使得铜信号线被光纤所替代。也有人提出被动传感器，以替代自身产生光信号的主动传感器。本文所说的“被动”这个表达，是指一项传感器的光学特性随着一个环境参数的改变而发生改变，而这项传感器的光学特性可以通过利用光去探询传感器来测量。号称为光纤布拉格光栅(FBG)反射器的一个被动的光学元件已经在这个方面证明了自身。
[0007]FBG反射器由在其中某些位置纵向布设有材料改性的光纤组成。通常，光纤的光学特性，包括折射率，沿着光纤的长度方向是固定值。然而，材料改性具有稍微不同的折射率。多个相邻间距相等的材料改性，作为光栅，可以反射一小波段。如果产生了一个光脉冲进入到光纤中，基本上所有的波长都会通过这个光栅位置，但是之前说的小波段会被反射。在光纤的输入端会接收到一个反射的光脉冲，这个光脉冲的波长可以指示连续的材料改性之间的相互距离。
[0008]这类FBG反射器传感器对(局部)应力很敏感。应力的改变会引起光纤的长度改变，包括形成光栅的连续的材料改性之间的距离改变。这些距离改变，然后转化为反射光的波长的改变。
[0009]FBG反射器其本身及其在拖缆中的用途都已受到人们关注。在这方面，本文参考了一些参考文献，如美国专利申请2011/0096624和2012/0069703，这两个专利均并入本文中用于所有目的。因为本发明中描述的例子并非直接提供一种改进的光线或者一个改进的 FBG，而且因为使用包含与目前使用的相同型号的光线光栅反射器的光纤即可实施本发明， 此处就省略对包含FBG反射器的光纤的设计和制造更详细的解释。
[0010]在被感测的声波是海水中的压力波的情况下，因为FBG反射器主要是对纵向的应力变化敏感，一个包含FBG反射器的压力传感器，作为敏感元件，需要具有将压力变化转化为光纤应力变化的机构。
[0011]根据本发明的至少几个包含了 FBG元件的压力传感器装置的实施例是可行的，FBG 元件作为传感元件，适用于拖缆中，用于在海洋测量和勘探中测量水的压力波。但应该指出的是这些压力传感器装置也可适用于其他应用领域。
[0012]在一些实施例中，(例如，在拖缆或者其他型号的缆线中应用)，这种压力传感器装置应该具有一个尽可能小的横截面，最好是小于几个厘米。为了一个好的测量结果，压力传感器装置应该尽可能的对声压信号敏感，即，对〇.5Hz至几十kHz的频率范围内的压力变化敏感，应当指出的是，关注的频率变化范围取决于实际的应用。另一方面，拖缆可以靠近海面使用也可以在海面下40米至更深的位置使用。传感器的一些其他应用需要传感器在相当大深度下的可用性，可达海底使用，一般在3000米。因此，压力传感器装置应当对叠加在一个静态背景压力下的极小的压力变化很敏感，可能是在〇 — 300bar(g)范围内变化的极小压力变化。进一步地，根据实际应用，压力传感器装置应该最好对如水流等产生的干扰具有低敏感度。[〇〇13]如果压力传感器装置是稳健的，将是有利的。在一些实施例中，传感器可能设置在一些在很多个月内无需维护和维修仍然要正常运行的设备上，和/或设置在一些更常“处理”的设备上。进一步，理想地，从生产厂家到最终目的地，压力传感器装置应当能够经受住从一 60 °C至+70 °C的温度变化。
[0014]进一步，压力传感器装置应该是小尺寸的。应用于缆线，如拖缆，意味着仅有有限的空间可供给压力传感器，尤其是横截面。美国专利申请2004/0184352，专利号68822595， 作为参考文献并入本文中用于所有目的，其公开了光纤紧缠绕在空心心轴上的设计，在这种情况下，压力变化会引起心轴直径变化，继而引起光纤长度变化，但是这样的设计有一些缺点。一个缺点是缠绕光纤明显需要弯折光纤。然而，这个弯曲的曲率半径不应小于一个最小值，这使得心轴的直径具有一个最小值，后者又转化为一个相对较大直径的缆线。然而作为拖缆，是希望能尽可能地减小其直径，因为更小的直径可以使得材料更少、重量更小、阻力更小、运营成本更低。同时，如果缆线是缠绕的，较大的直径也是个缺点。进一步，所述美国专利2004/0184352中的设计，运行依赖于FBG传感元件之间的光纤长度因声波的激发而发生的改变。但是光纤长度也同样因机械引起的激发和缆线的应力变化而发生改变。根据应用情况，尤其是在拖缆中，缆线的应力因“急拉(jerk)”压力和膨胀波(swell wave)而改变。这会产生背景噪音。优选使用对FBG传感元件之间的光纤长度变化是不太敏感的传感器，理想的不敏感的传感器。[〇〇15] 进一步，所述美国专利2004/0184352的设计中，运行依赖于一个事实，当空心芯轴受到的外部压力增加时，其内部的容积与压力的增加成比例的降低。如果心轴的轴向长度不改变则可实现最佳响应，但是即使如此，与光纤的长度变化成比例的圆周变化的响应，仅与压力变化的平方根成正比。
[0016]例如所述美国专利2004/0184352中公开的，在将光纤紧缠绕在空心心轴上的设计中，这将意味着，FBG传感元件将位于光纤的缠绕在心轴上的部分，其是一个弯曲光纤部分。因为FBG传感元件仅受到轴向张力才能达到最佳的精度，所以是不希望将FBG传感元件设置于弯曲光纤部分的。
[0017]流体中的压力波可以被认为是一个静态压力背景下的动态压力信号。如将在下面说明的，理想的是，压力波传感器对静态背景压力的变化是不敏感的。
[0018]图1A是一个FBG的波长响应谱示意图。值得注意的是，定性地说，一光纤激光器的波长频谱会看起来相似。横轴表示波长，纵轴表示信号幅度(任意单位)。如上面已经提到的，FBG通常可以反射以基本响应波长AR为中心的一个小波段。为了清楚起见，该波段的宽度在图中放大了。
[0019]如图1A所示，基本响应波长AR适用于大气环境压力的情况。就基于FBG的传统压力传感器而言，压力变化将转化为长度变化，继而转化到响应波长的变化AR。因此，响应波长λR的位置可在响应范围RR内变化，其中，该响应范围RR的宽度取决于对预期的压力的最大值和最小值，并且还取决于压力变化与波长迀移之间的比值(响应因子，放大系数)。
[0020]在实际情况下，一个单一的光纤可包含沿其长度布设的多个FBG传感器部分。用于区分来自不同传感器发出的各个不同的反射信号，如果没有使用时域复用，所述不同的传感器被设置为具有相互不同的基本响应波长AR。这可以例如通过使用不同的FBG的相互不同的光栅参数和/或通过给予相应的光纤部分相互不同的偏压张力来完成。不同传感器的设置将使得相应的响应范围不重叠。图1B相对于图1Α，在一个不同的比例尺度，示意性地示出5个相邻的响应范围及其相应的波长响应频谱的曲线图。但应注意的是，在实践中的传感器的数目N可以是小于或大于5。
[0021]为了实用的目的，只有一个小的总带宽对传感器是可用的。虽然这种带宽的精确位置可能取决于在光纤的成分，合适的实例是从1510纳米至1550纳米的一个范围，即，40nm的带宽。在静态的环境下，这整个带宽对N个传感器都是可用的，每个传感器可以具有40/N纳米宽的响应范围。
[0022]然而，特别针对在水中所使用的传感器而言，存在一个问题就是环境压力不恒定。如果传感器是在从O到40米的深度下使用，环境压力变化超过400千帕。这个压力范围比预期由于声波产生的压力变化要大得多。对于绝对压力传感器，即，对于绝对压力响应的压力传感器，该响应波长AR将在一个大的距离上迀移。假设50fm/Pa的位移作为合理的近似，预计产生20纳米的响应的波长的偏移。这将意味着实际上只有20纳米的带宽仍然对传感器可用，即，每个传感器可以只具有宽20/N纳米宽的响应范围。
[0023]如图1C所示，图1C相对于图1B，在一个不同的比例尺度，示意性地示出了在低压力下(接近水面，如A所示)和在高压力下(深水中，如B所示)5个相邻的响应范围及其相应的波长响应频谱，表明在更高的压力导致较长波长。对环境压力的敏感性意味着每个传感器的响应范围和每个传感器可以承受的动态压力范围，随着水的深度增加而减小，和/或对应每根光纤的传感器的可行数目减少。后一种选择是几乎不可行的，因为拖缆的每根光纤具有固定数量的传感器，特别是当在水深超过40米时。
[0024]应当注意的是，传感器存在一个类似的问题，较高的压力会导致更短的波长。
[0025]还应当注意的是，一个FBG传感元件可以以多种构型使用，多种构型具有一个共同点，那就是都包括一个FBG部。如果FBG传感器是通过外部光来探询，而FBG部反射波长与光栅相匹配的光，这种传感器将被表示为“反射器”。FBG传感器也可以在光纤激光器中被用作镜面部分，使激光器输出波长与光栅相匹配。激光器可以例如是分布式反馈(DFB)光纤激光器，或分布式布拉格反射器(DBR)光纤激光器。应该注意的是，定性地说，一个光纤激光器的波长频谱类似于图1A中的单波长反射光谱。
[0026]进一步指出，光纤可以是单芯的或者多芯的。[〇〇27]在上文中，涉及一种FBG传感元件的问题已经描述了。然而，本发明不仅涉及FBG传感元件的问题。如果要被感测的变量是零，任何传感器类型会给出一个“零信号”，并且将在与该变量的动态范围的相应的动态范围内提供一个实际的信号。如果变量在一自零起始的相对大距离的相对窄范围内变化，同样会保持为实际的测量信号，如果传感器对变量的绝对值是敏感的，这将意味着一个低信噪比。则更普遍希望有一种压力传感器装置，其对静态压力的灵敏度非常小甚至为零，从而使传感器的输出信号的动态范围更接近“零信号”。
【发明内容】
[〇〇28]本发明的一个具体目的是提供一种压力传感器装置，其对静态环境压力的灵敏度非常小甚至为零。[〇〇29]在一个方面，本发明涉及一种压力传感器装置，包括:
[0030]—两个基准点，限定介于其之间的一个操作方向，所述操作方向沿着连接所述基准点的虚拟直线；
[0031]一至少一个弹性张力构件，所述弹性张力构件沿着平行于所述操作方向的方向向所述基准点中至少一个施加一张力；
[0032]—至少一个连接所述基准点的弹性构件，所述弹性构件优选具有比所述弹性张力构件的更大的刚性；[〇〇33] 一至少一个压力响应组件，所述压力响应组件并联到所述弹性构件和连接到所述基准点;所述或每个所述压力响应组件包括由至少一个压力响应机构和至少一个高通传力构件组成的串联结构;其中，所述压力响应机构具有用于响应压力的与所述操作方向平行的可操作的长度，所述压力响应机构是用于施加沿着平行于所述操作方向的拉或推的操作力;其中，高通传力构件用于基本传递具有高于阈值的频率的所述操作力，基本减少或阻止具有低于所述阈值的频率的所述操作力；[〇〇34] 一用于测量所述基准点的实际距离的测量机构，所述基准点的实际距离代表要感测的压力。[〇〇35]在一具体的实施方案中，所述压力传感器装置还包括:填充有压力传递介质的腔室，该腔室适于于流体中浸没，并具有至少一个窗口，该窗口至少部分地转移该流体中的压力波；[〇〇36]其中，所述压力响应机构设于所述腔室内，并对所述压力传递介质的压力作出响应。[0〇37]在一具体的实施方案中，所述压力传递介质包括液体。
[0038]在一具体的实施方案中，所述弹性构件包括张紧于所述基准点之间的光纤部分。
[0039]在一具体的实施方案中，所述光纤部分包括光传感部分。
[0040]在一具体的实施方案中，所述光传感部分包括至少一个FBG。
[0041 ]在一具体的实施方案中，所述FBG包括用于反射外部探询光束的一波段的反射器。
[0042]在另一具体实施方案中，所述FBG包括光纤激光器的反射镜。
[0043]在另一具体实施方案中，所述传感器装置还包括:
[0044]一具有第一框架端和与其纵向相对的第二框架端的框架；
[0045]—其中，所述张力构件连接于所述两个基准点之一和所述两个架端之一之间。
[0046]在另一具体实施方案中，所述传感器装置还包括:
[0047]一具有第一框架端和与其纵向相对的第二框架端的框架；
[0048]一其中，所述张力构件连接于所述两个基准点之一和所述两个架端之一之间。
[0049]在另一具体实施方案中，所述传感器装置还包括:
[0050]具有第一框架端和与其纵向相对的第二框架端的框架；
[0051]一其中，所述张力构件串联连接到所述压力响应组件的平行结构和所述光纤部分。
[0052]在一具体的实施方案中，所述压力响应机构包括设置有渐进反作用力产生装置的压力响应元件。
[0053]在一具体的实施方案中，所述压力响应元件包括在缸中的活塞。
[0054]在一具体的实施方案中，所述压力响应元件包括波纹管。
[0055]在一具体的实施方案中，所述压力响应元件包括一布尔登管。
[0056]在一具体的实施方案中，所述张力构件连接于所述两个基准点之一和第一框架端，且其中，所述两个基准点之另一个相对于相对的第二框架端固定。在另一具体实施方案中，第一张力构件连接于所述两个基准点之一和第一框架端之间，并且第二张力构件连接于所述两个基准点之另一和相对的第二框架端。
[0057]在一具体的实施方案中，所述压力传感器装置还包括两个并联连接的压力响应组件，其中，所述两个压力响应组件和所述弹性构件被布置在共同的虚拟平面上。在另一具体实施方案中，所述压力传感器装置还包括并联连接的三个或更多的压力响应组件，其中，所述三个压力响应组件布置成围绕所述弹性构件。在一更具体的实施方案中，所述压力响应组件以相互的等角间隔围绕所述弹性构件布置。
[0058]在一具体的实施方案中，各压力响应组件相对于一虚拟横向平面呈镜面对称。
[0059]在一具体的实施方案中，各压力响应组件包括一压力响应机构，其串联设置于两个传力构件之间。
[0060]在一具体的实施方案中，所述压力响应组件的中央部分相对于框架固定。
[0061]在一具体的实施方案中，每一个压力响应组件包括由串联于两个传力构件之间的两个压力响应机构组成的串联结构。
[0062]在一具体的实施方案中，所述两个压力响应机构之间的一点相对于框架固定。
[0063]在一具体的实施方案中，每一个压力响应组件包括由串联于两个压力响应机构之间的传力构件组成的串联结构。
[0064]在一具体的实施方案中，每一个高通传力构件包括活塞，所述活塞在填充有流体的缸中往复运动。
[0065]在一具体的实施方案中，两个所述高通传力构件的两个所述活塞相互连接。在另一具体的实施方案中，两个所述高通传力构件的两个缸相互连接。[〇〇66]在一具体的实施方案中，压力传感器装置还包括:
[0067]—第一传力构件，包括:在第一缸内往复运动的第一活塞，其中，所述第一活塞的第一端与所述两个安装点之一连接，并且其中，所述第一活塞的相对的第二端通过第一张力构件与框架连接。
[0068]—第二传力构件，包括:在第二缸内往复运动的第二活塞，其中，所述第二活塞的第一端与所述两个安装点之另一连接，并且其中，所述第二活塞的相对的第二端通过第二张力构件与框架连接。[〇〇69] 一至少一个压力响应机构，所述压力响应机构具有第一端和第二端，其中，所述压力响应机构或每个压力响应机构的第一端连接到第一缸，所述压力响应机构或每个压力响应机构的第二端连接到第二缸。
[0070]在另一方面，本发明涉及用于勘探的拖缆段，其包括至少一个如上所述的压力传感器装置。
[0071]在又一方面，本发明涉及用于勘探的一根拖缆，其包括至少一个如上所述的压力传感器装置。
[0072]在又一方面，本发明涉及一拖缆阵列，包括两根或多根如上所述的拖缆。
[0073]在又一方面，本发明涉及一种探测系统，探测系统包括至少一根如上所述的拖缆或如上所述的拖缆阵列、用于牵引拖缆或拖缆阵列的船，和用于接收和处理来自传感器装置的测量信号的处理装置。
[0074]在又一方面，本发明涉及缆线，所述缆线用于铺设在海床，用于水下压力监测或水下声探测，缆线包括至少一个如上所述的压力传感器装置。这里，短语“海洋”和“海底”都是广义的解释，是指任何水体，如海洋、海、河流等。
[0075]在又一方面，本发明涉及一种海洋底部节点，所述海洋底部节点用于铺设在海床， 其包括至少一个传感器、用于接收和处理来自传感器的光输出信号的处理装置、用于无线传输测量结果的发射器，以及用于给所述处理装置和所述发射器供电的电池，其中，所述传感器是如上所述的压力传感器装置。
[0076]在又一方面，本发明涉及一种扩音器，其包括至少一个如上所述的压力传感器装置。
[0077]在又一方面，本发明涉及一种影响光纤的光学性质的方法。该方法包括以下步骤: 以恒定的张力张紧具有至少一个FBG的光纤；当光纤在流体中从第一平均压力区移动至第二平均压力区时保持恒定的张力；将压力传递介质与流体隔离；向压力传递介质传递至少一部分的压力波;产生一响应所述传递的力；使光纤的长度沿直线路径改变，以响应这个力。
[0078]在一具体的实施方案中，所述张紧的步骤包括将光纤的第一部分安装到框架上， 将光纤的第二部分安装到弹性构件上，所述弹性构件与所述框架连接，其中，所述光纤张紧成一条直线。
[0079]在一具体的实施方案中，所述改变光纤的长度的步骤包括向连接到所述弹性部件的结构构件施加力的步骤。所述保持恒定的张力的步骤可以是包括:为了响应从第一平均压力区到第二平均压力区的平均压力改变，调整所述结构构件的张力。
[0080]在又一方面，本发明涉及一种影响光纤的光学性质的系统。该系统包括张紧装置，用来以恒定的张力张紧具有至少一个FBG的光纤;保持恒定的张力的装置，用于当光纤在流体中从第一平均压力区移动至第二平均压力区时保持恒定的张力；隔离的装置，用于将压力传递介质与流体隔离;传递至少部分压力波的装置，用于向压力传递介质传递至少一部分的压力波；用于产生力以响应所述传递的装置，用于使光纤的长度沿直线路径改变以响应这个力的装置。
[0081]在一具体的实施方案中，所述拉紧装置包括将光纤的第一部分安装到框架上的安装机构，将光纤的第二部分安装到弹性构件上的安装机构，所述弹性构件与所述框架连接，其中，所述光纤张紧成一条直线。
[0082]在一具体的实施方案中，所述隔离的装置包括将一框架封闭在其中的腔室。所述用于传递压力波的装置包括设于腔室的一窗口，所述窗口上覆盖有柔性膜。
[0083]在一具体的实施例中，所述用于产生力的装置包括可以响应压力变化而改变其长度的元件，其中所述元件按纵长方向连接至结构构件。所述元件可以包括连接在结构构件的长度上的波纹管。所述元件可以包括驻留在连接在结构构件的长度上的缸内的活塞。所述用于改变光纤的长度的装置可以包括一附接装置，用于将结构构件附接至光纤。所述附接装置可包括一连接元件，其附接至结构构件和附接至弹性构件。所述保持张力的装置可以包括调节结构构件的张力的装置，用于响应从所述第一平均压力区至所述第二平均压力区的平均压力的变化。所述调节结构构件的张力的装置可包括驻留在沿着结构构件长度方向设置的缸内的活塞。
[0084]在又一方面，本发明涉及用于进行地震勘探的方法。该方法包括以下步骤:在海洋布设光纤;在所述海洋生成声学压力波;通过所述光纤接收所述声学压力波;影响光纤的光学性质，以响应所接收的声学压力波。
[0085]在又一方面，本发明涉及用于进行地震勘探的方法。该方法包括以下步骤:在拖缆中设置多个光纤;将拖缆布设于海洋中；在所述海洋生成声学压力波;通过至少一根所述光纤接收声学压力波;影响所述光纤的光学性质，以响应所接收的声学压力波。
[0086]在又一方面，本发明涉及用于进行地震勘探的方法。该方法包括以下步骤:提供多个拖缆，每个拖缆包括多个光纤;将所述拖缆排成阵列；将所述拖缆阵列布设于海洋中；在所述海洋中生成声学压力波;通过至少一根所述光纤接收声学压力波;影响所述光纤的光学特性，以响应所接收的声学压力波。
[0087]在一具体的实施方案中，所述拖缆或拖缆阵列分别被牵引于所述海洋中。在一具体的实施方案中，测量所述光纤的光学特性，并接收和处理从所述光纤得到的测量信号。
[0088]在又一方面，本发明涉及一种用于海底压力监测的方法。该方法包括以下步骤:在缆线中配置多根光纤;将所述缆线设于海床;通过至少一根所述光纤接收声学压力波;影响所述光纤的光学特性，以响应所接收的声学压力波。
[0089]在又一方面，本发明涉及一种海底声检测的方法。该方法包括以下步骤:在缆线中配置多根光纤;将所述缆线设于海床;通过至少一根所述光纤接收声学压力波;影响所述光纤的光学特性，以响应所接收的声学压力波。
[0090]在又一方面，本发明涉及一种海底声检测的方法。该方法包括以下步骤:在一海洋底部节点中布设光纤;在海床上布设底部节点;通过所述光纤接收声学压力波;影响所述光纤的光学特性以响应接收到的声学压力波;测量所述光纤的光学特性;接收和处理从所述光纤信号得到的测量信号;无线传输这个测量结果。
[0091]在又一方面，本发明涉及一种拾取声音的方法。该方法包括以下步骤:在空气中布设光纤;通过所述光纤接收声波;影响所述光纤的光学特性，以响应接收到的声波。
[0092]在又一方面，本发明涉及在介质中感测压力的方法。该方法包括以下步骤:提供两个基准点;在所述两个基准点之间连接至少一个弹性构件;在这个弹性构件上施加一张力； 在所述介质中接收压力波;产生响应于介质中的瞬时压力的压力响应力；高通过滤所述压力响应力，以获得过滤的响应力;从张力减去所述过滤的响应力;光学测量代表要被感测的压力的所述基准点之间的实际距离。所述弹性构件可以包括包含有FBG的光纤。
[0093]在又一方面，本发明涉及在介质中感测压力的方法。该方法包括以下步骤:提供两个基准点;在所述介质中接收压力波;产生响应于介质中的瞬时压力的压力响应力;高通过滤所述压力响应力，以获得过滤的响应力；向所述基准点中的至少一个施加过滤的响应力； 光学测量代表要被感测的压力的所述基准点之间的实际距离。【附图说明】
[0094]本发明的在这些和其他方面的特征和优点将通过下述的参照附图的一个或多个优选的实施例作进一步描述，附图中相同的标号表示相同或相似的部分，并且其中:[〇〇95]图1A是一 FBG的波长响应谱示意图；
[0096]图1B为相对于图1A，在一不同的比例尺度上，十个不同的传感器的十个相邻的响应范围的示意图；
[0097]图1C为相对于图1B，在一不同的比例尺度上，多个传感器的静态压力响应的示意图；
[0098]图2A是基于本发明的光学压力传感器装置的基本设计和操作的示意图；[00"]图2B是一压力响应元件的一可行的实施例的示意图；
[0100]图2C是一压力响应元件的另一可行的实施例的示意图；[〇1〇1 ]图2D为相对于图2A，是图2A所不的设计的变形例的不意图；
[0102]图3为相对于图2A，基于本发明的光学压力传感器装置的第二示例性实施例的设计的示意图；
[0103]图4为相对于图2A，基于本发明的光学压力传感器装置的另一示例性实施例的设计的示意图；
[0104]图5A — 5G是基于本发明的光学压力传感器装置的再一示例性实施例的设计变化的不意图；
[0105]图6是基于本发明的光学压力传感器装置的再一示例性实施例的实例示意图；
[0106]图7是一地震勘探系统的示意图；
[0107]图8是一海底压力监控系统的示意图；[〇1〇8]图9是一扩首器的不意图；
[0109]图10是海洋底部节点的示意图。
【具体实施方式】
[0110]图2A是基于本发明的示例性压力传感器装置1001的基本设计和操作的示意图。压力传感器装置的目的是感测在周围的介质中的压力，所述介质通常是流体，而且在大多数实际情况下通常是液体或气体。对于海洋的应用，所述液体通常是水，特别是海水。尽管如此，本发明的压力传感器设备也可以在气态环境中使用，例如空气。在下文中，为了简单起见，周围的介质也简单地表示为“环境流体”，而周围介质的瞬时压力(在传感器的附近)也将被简单地表示为“环境压力”或“流体压力”。
[0111]在压力传感器装置的一些实施例中，压力传感器装置的组件可与周围介质的直接接触，但是这通常不是优选的。因此，在所示的实施例中，压力传感器装置1001包括腔室2，所述腔室2的内部填充有压力传递介质3，所述腔室2被设计成允许环境压力到达压力传递介质，该设计依赖于环境。
[0112]在一示例性实施例中，压力传递介质是气体。在另一个示例性实施例中，压力传递介质是液体。在又一个示范性实施例中，压力传递介质是一种凝胶。在又一个示范性实施例中，压力传递介质是具有类似于液体性质的压力传递性质的有机硅材料。在又一个示范性实施例中，压力传递介质是具有类似于液体性质的压力传递性质的橡胶材料。在又一个示范性实施例中，压力传递介质是任何上述材料的混合物。在一个优选的实施方案中，有利地，该压力传递介质为油状物。
[0113]在一些应用中，压力传递介质与环境流体是相同的。在这样的情况下，该腔室2与周围环境开放连通的实施方式是可行的。在压力传递介质与环境流体不同的情况中，和/或在不希望环境流体进入腔室2内的情况中，腔室2如图所示，最好是密封的。虽然腔室2是密封的，腔室2还是具有至少一个窗口4，所述窗口4是至少部分可供压力波透过，使得，当腔室2浸在环境流体中时，在腔室2中的压力传递介质3的压力能对环境压力作出响应，S卩，在腔室2中的压力传递介质3的压力随环境压力而改变。优选地，至少在一工作压力范围内，在腔室2中的压力传递介质3的压力正比于环境压力，并且理想状态下，在腔室2中的压力传递介质3的压力与环境压力基本上是相同的，但是这不是必须的。如果在腔室2中的压力传递介质3的压力是环境压力的函数，也是足够的，建立所述函数可以用于校准压力传感器装置。
[0114]例如，窗口4可以使用膜来实现。膜材料应选择可与环境流体和压力传递介质共存、环境流体和压力传递介质不能渗透、且足够柔韧可以传递压力的材料。合适的材料包括橡胶或有机硅，或者可以包括金属箔。
[0115]在腔室2内，设置了一细长的框架50，框架50固定到腔室2上。如图所示，框架50可具有矩形形状，具有一第一纵向框架端51和第二纵向框架端52。
[0116]压力传感器装置1001包括两个基准点11、12，两个基准点11、12之间限定了沿着连接所述两个基准点的虚拟直线的方向的操作方向。所述操作方向在图2A中为水平方向。
[0117]压力传感器装置1001还包括至少一个弹性张力构件40，弹性张力构件40沿着平行于所述操作方向的方向向基准点11、12中的至少一个施加偏置力。如示例性实施例所述，该张力构件40为螺旋弹簧，但其它实施方式也是可行的。张力构件40设于第一基准点11和第一纵向框架端51之间。如图所示，张力构件40可以设有一个用于调节张力的调节螺丝41。
[0118]压力传感器装置1001还包括至少一个连接所述基准点11、12的弹性构件13。在一些实施方案中，该弹性构件13的硬度大于所述弹性张力构件40。但是这并不是必需的。在示出的实施例中，所述弹性构件13包括张紧于所述基准点11、12之间的光纤部分13。
[0119]在示出的实施例中，第二基准点12相对于所述第二纵向框架端52固定。当张力构件40向第一基准点11施加一拉力，也即向弹性部件13施加一拉力时，第二纵向框架端52向弹性部件13施加一相同大小的反作用力，从而弹性构件13产生拉伸。在光纤部分13的实施例中，光纤部分被拉紧成直线。还应当注意的是，在一稳定状态，在弹性构件13上的力等于在张力构件40上的力。
[0120]压力传感器装置1001还包括至少一个压力响应组件70,压力响应组件70与所述弹性构件13并联，且压力响应组件70连接到所述基准点11、12。在图2A中，只示出了一个压力响应组件70。压力响应组件70包括由至少一个压力响应机构28和至少一个高通(high-pass) 传力构件 30 组成的串联结构。[〇121]压力响应机构28设以响应所述压力传递介质3的压力。压力响应机构28具有两个彼此相对的相互作用端21、22,相互作用端21、22分别直接或间接地连接到所述第一和第二安装点11、12。连接这两个相互作用端21、22的虚拟线作为操作轴23,并且该操作轴23的方向表示为轴向的方向，其平行于所述操作方向。当一净外力(推或拉)施加在所述两个相互作用端21、22上时，两个相互作用端21，22能够在轴向方向上相对彼此移位。压力响应机构 28沿操作轴23的长度将在下文中定义为“操作长度”。压力响应机构具有一特征，就是操作长度是响应于压力的，即，操作长度是净外力的函数。压力响应机构28设置为用于在平行于所述操作方向的方向上施加拉或推的操作力。
[0122]将参照图2B和2C进行说明，该压力响应机构28在功能上包括压力响应元件20,其与渐进的(progressive)反作用力发生器机构27并联，该并联结构连接到两个相互作用端 21、22〇
[0123]压力响应元件将外部压力转化为机械力。压力响应元件20可以以多种实施方式来实现。图2B示出了一实施例，其中，压力响应元件20包括设于在缸25内的活塞24，而图2C示出了一实施例，其中，压力响应元件20包括波纹管26。轴向力分别由外部压力和缸25或波纹管26内的压力之间的压力差产生，且分别因活塞24或波纹管26的横截表面而增大。
[0124]渐进反作用力发生器机构27是用于产生随着相互作用端21、22逐渐增加的位移而增大或减小的反作用力，以使相互作用端21、22在根据压力的相互距离上保持基本静止， 即，压力响应机构28根据压力基本保持静止于一长度。因此，这个长度代表压力。这里，渐进反作用力发生器27表示压力响应机构28的刚性。如图2B和2C所示，这样的渐进反作用力发生器27可以是并联安装于压力响应元件20上的螺旋弹簧。
[0125]在一些实施方案中，渐进反作用力发生器机构27是相邻于所述压力响应元件20安装的一外部部件。也可以是分别围绕缸25或波纹管26设置螺旋弹簧。也可能是分别在缸25 或波纹管26的内部设置渐进反作用力发生器机构27。如果缸25或波纹管26,分别填充有气体，被压缩的气体也用作反作用力发生器。至于波纹管，在一些实施方案中，波纹管的结构有足够的刚度，从而使渐进反作用力发生器27能被有效地集成在压力响应元件20。
[0126]在下文中，对本发明的实施例作进一步解释和说明，其中，压力响应机构28用具有足够的内在刚度的波纹管来实施，即，具有集成的反作用力发生器。在一可能的实施例，波纹管优选地使用金属来制。例如，一金属波纹管可以采用如下方法制得:在心轴上电沉积金属，再除去心轴材料(例如使用加热法或化学法)，留下金属波纹管。波纹管材料、波纹管长度和直径、以及间距和波纹起伏的深度的选择是波纹管的设计参数，由本领域的技术人员是可以理解的，以获得所需的波纹管特性，特别是硬度。波纹管不必具有圆形横截面轮廓。
[0127]如上所述，压力响应机构28具有通过改变其工作长度来响应外界压力的变化的物理特性。虽然已经描述了一些可以达到这种效果的设计的可选的方法，但是本发明并不限定于这些可选的方法，因为仍存在很多其他将压力(变化)转化为到位移(变化)的可选的方法。
[0128]理想情况下，长度变化基本上与压力变化成正比。而，在压力响应机构28的运行可以由以下公式来描述:
[0129]AL= AF/K= ΔΡ.Α/Κ
[0130]其中:
[0131]Δ P表示压力变化；
[0132]AF表示所导致的施加在响应元件上的轴向力的变化；
[0133]A表示响应元件的横截面面积；
[0134]K表示响应单元的轴向刚度。
[0135]再次参考图2A，高通传力构件30具有两个可相互移位的部件31、32，当一外部的力(推或拉)施加到部件31、32上时，能够在一运动方向上相互移位。这个移动方向将被表示为操作轴33。高通传力构件30具有连接到第一基准点11的所述可相互移位的部件中的第一部件31，还具有连接到所述压力响应机构28的所述可相互移位的部件中的第二部件32。
[0136]高通传力构件30有一物理特性，即在所述两个组件31、32之间的抵抗所述两个组件31、32相对于彼此发生位移的与频率相关的阻力，低频率时所述阻力较小，高频率时所述阻力较大。因此，所述两个组件31、32相对于彼此的位移会在所述两个组件31、32之间产生一取决于频率的反作用力。在一些实施方案中，这个反作用力可能与施加在压力响应机构28上的外部力成正比。在一些实施方案中，该反作用力可能与施加在压力响应机构28上的外部力改变的速度成正比。在一些实施方案中，这个反作用力可能均与上述两者成正比。在任何情况下，最终结果将是，所述部件31，32的相互移位将会减慢。因此，高通传力构件30也可以表示为运动阻尼器。
[0137]鉴于取决于频率的阻力，高通传力构件30至少在操作方向上具有与频率相关的力传递特性。尤其地，如果频率高于频率阈值，所述压力响应机构28的操作力将大幅通过所述传力构件30;如果频率低于频率阈值，所述压力响应机构28的操作力则大幅减少或被阻挡。
[0138]如果由压力响应机构28施加一连续的(静态)力，所述传力构件30的部件31、32会按照该力缓慢移动，其中，移动速度会反比于施加的力；因此可以理解，传力构件30不能在延长的时间传递静态力，且只有当这个力减小到零时，才能达到平衡位置。如果压力响应机构28以逐级的方式采取一新的操作长度，合力将引起所述传力构件30的部件31、32缓慢地屈服于该力，使得该力减弱，直到达到一新的稳定状态下的一新的平衡位置，同时该力已减弱到零。达到平衡位置的所需时间取决于所述阻力，并且将随着所述阻力增加。“响应时间常数”可以定义为所述力削减50 %所需的时间。
[0139]如果由压力响应机构28施加一交变力，传力构件30将响应为使其部件以交变的方式相对于彼此移动，但随着频率的增加相对运动的幅度会下降。高于特定阈值的频率，所述相对运动的幅度可以忽略不计，可以视为两个部件31，32彼此机械地固定在，与交变力的时间上的平均值相应的平衡位置。这意味着，就传递长度变化或传递力而言，传力构件30可被视为一高通滤波器，即，在足够高的频率下由传力构件30施加的反作用力等于由压力响应机构28施加的力。
[0140]为实现力传递构件30，有若干种设计是可行的。
[0141]在一些实施例中，传力构件30包括在填充有流体的缸36内往复运动的活塞35。在一些具体的实施方案中，流体是胀流型流体(dilatant fluid)。在其他一些具体实施方案中，流体是磁流变流体。在又一些其它实施例中，缸36设置有扼流圈，即一小开口，通过它流体可流出或进入缸。活塞/缸组合并不需要有一圆形横截面轮廓。
[0142]在一些替代的实施例中，传力构件30包括替代缸36的一线圈和替代活塞35的磁芯，并且通过电磁感应施加一反作用力。
[0143]在一些替代的实施例中，传力构件30包括壅塞波纹管(choked bellow)。
[0144]但应注意的是，设计者可以通过改变传力构件30的一个或多个参数在一宽的数值范围内自由设计响应时间常量，例如压力传递介质3的粘度、该装置的尺寸和附属元件的刚度。也可以通过调节张力构件40的张力调整响应时间常量，例如通过调节构件41来调节张力构件40。
[0145]压力传感器装置1001的操作如下，在装置的平衡状态下，没有作用力作用在传力构件30上，因此，压力响应组件70不会对第一基准点11施加任何力，而弹性构件13上的张力与弹性构件40上的张力平衡。
[0146]如果该装置经受着声压的变化，高于阈值频率时，传力构件30则作为第一基准点11和压力响应机构28之间的刚性构件。压力响应机构28将在弹性张力构件40的容许下展示出长度变化以响应压力变化，弹性张力构件40将呈现相应的但相反的长度变化。
[0147]传力构件30将基本上不表现出任何长度的变化。如果压力(瞬时地)增加，该压力响应机构28将收缩，并且弹性构件40会拉长，从而使得两个基准点11、12之间的相互距离缩短。相反地，如果压力(瞬时地)减小，压力响应机构28将拉长，而弹性构件40会收缩，从而使得两个基准点11、12之间的相互距离伸长。应当注意的是，响应特性，S卩，距离变化作为压力变化的函数，是取决于响应装置28、弹性构件40和弹性构件13的组合刚度，并且还取决于响应时间常数。
[0148]当环境压力在比声压变化周期更大，从而在比响应时间常数大得多的时间尺度上慢慢改变时，例如由于大气压力增加，或因为设备被降低到水中更深的位置，压力响应机构28将以同样的方式作出反应，在这个例子中，是通过缩短其长度。然后压力响应组件70将对第一安装点11施加一拉力，拉长弹性构件40，而缩短两个基准点11、12之间的相互距离。然而，这只能在传力部件30传递压力响应机构28的拉力时，才能保持。但是，随着时间的过去，施加在传力构件30上的稳定的拉力会导致传力构件扩张。当传递构件30的扩张恰好补偿压力响应机构28的收缩时，达到平衡情况。在这个情况下，弹性构件13仅(再次)被弹性构件40张紧。初始平衡状态已经恢复，连同弹性构件13恢复相同的偏置张力，连同两个基准点11、12恢复相同的相互距离。
[0149]因此，静压力变化被完全补偿，因此不会导致在两个基准点11、12之间的相互距离发生任何变化。此外，在元件28的动作被设计成线性的实施例中，动态压力变化的灵敏度保持恒定，与绝对静态压力无关。
[0150]从以上的说明中，已清楚阐述了，滤除低频率压力改变后，这两个基准点11、12之间的相互距离是代表压力的测量量。压力传感器设备还包括用于测量代表压力的所述基准点11、12之间的实际距离的机构。[〇151]若干测量技术可用于测量所述基准点11、12之间的距离。在本实施方式中，如图2A 所示，所述测量机构是光学测量机构，并且包括穿过所述腔室2的光纤10,所述光纤10平行于所述操作方向，且相对于所述基准点11、12固定，光纤部分的光学传感部分18设于所述基准点11、12之间。特别是，在所示实施例中，基准点11、12之间的光纤部分也是前面提到的弹性部件13。此外，在所示实施例中，设于所述基准点11、12之间的光纤部分也是前面提到的弹性构件13。进一步地，在所不实施例中，光学传感部分18包括至少一个光纤布拉格光栅 (FBG)18〇
[0152] 可以看出的是，光纤10穿过腔室2的壁的小孔延伸，在这些孔中，优选应用密封剂5 防止压力传递介质3泄漏。[〇153]上面已经解释了，张力是在设于所述第一基准点11和第二基准点12之间的光纤13 的拉伸过程产生的。该张力是在图2A中表示为相反的彼此反向等量的力F1和F2。其结果是， 光纤的这种拉伸导致被拉紧成一条直线。在第一和第二基准点11、12外侧的光纤的精确形状不是必须的，并且，在第一和第二基准点11、12外侧的光纤可以是不受张力的。
[0154]光纤的所述拉伸也可以如张紧光纤部分13所示。
[0155]改变所述基准点11、12之间的所述距离，将导致在拉紧光纤部分13的张力变化，继而将导致FBG18的长度改变，而如上所述且本身是公知的，FBG18的长度改变可以光学测量的。
[0156]在最基本的实施例中，基准点11、12中的一个是相对于框架50固定的，而另一基准点是经由弹性张力构件40连接到该框架50上的。在示例性实施例中，该弹性张力构件40以螺旋弹簧来实施，如所示，但是其它实施方式也是可行的。弹性张力构件40的一重要功能是给张紧的光纤部分13的施加一张力。除此之外，该张力决定了FBG的标称响应波长。在一些实施例中，提供了一调节构件(例如一调节螺钉41)，用于调节张力。
[0157]图2A示出了一结构60,当且仅当力的作用方向和位移的方向平行于操作方向时， 结构60代表传力构件30和弹性张力构件40与第一基准点11的连接件。在此示意图中，构件 30、40和10并未显示在一条线上。如果结构60的转动及其导致的光纤10的弯曲是可以接受的，那么图2A中简单的设计是合乎需求的，否则，结构60应当具有额外的导向装置56,以防止结构60旋转及其导致的光纤10的弯曲。
[0158]因此，FBG18感测到声压变化。进一步，静压变化被完全补偿，因此不会导致光学响应范围的任何偏移。
[0159]图2D是图2A中设计的变型1002的示意图。在这些图的每一个中，传力构件30连接到第一基准点11，而压力响应机构28连接到第二基准点12。在图2A中，弹性张力构件40连接在第一基准点11和基准框架50之间，而第二基准点12相对于该基准框架50固定，而相比较图2D，其中，该弹性张力构件40连接在第二参考点12和基准框架50之间，而第一间基准点11 相对于基准框架50固定。[〇16〇]图3是基于本发明的光学压力传感器装置1003的又一示例性实施例的设计图，在其中，所述光学压力传感器装置包括两个弹性张力构件40、340，分别连接在框架和第一基准点11之间，以及框架和第二基准点12之间。运行与上述相同，但是该实施例具有一优点，即它对在光纤的长度方向上的机械振动不太敏感，因为安装在第一和第二基准点U、12之间的元件能够相对于框架50作为整体振动，而不拉伸光纤13，因此也不与FBG18得到的感测信号发生干扰。
[0161]在图2A、图2D和图3中，都只示出了平行于张紧的光纤部分13的一个压力响应组件70。尽管这样的实施例将确实是可行的，这样的布置的一潜在的缺点是，光纤可能弯曲。为了改善的稳定性，也为了提高灵敏度，优选的是所述光学压力传感器装置具有两个或两个以上平行于张紧的光纤部分13布置的压力响应组件，更优选的是围绕光纤10等角间隔布置。
[0162]图4是基于本发明的光学压力传感器装置1004的第三个示例性实施例的设计图，在其中，有两个压力响应组件70、470，两个压力响应组件70、470相对于光纤10成180°布置，以使得组件的纵向轴线和光纤的纵向轴线在一共同的虚拟平面延伸;这样的实施例具有一优点，垂直于所述虚拟平面测量到的传感器装置的横向尺寸可以很小。值得注意的是，两个(或更多)压力响应组件优选具有彼此相同的性能，并优选具有彼此相同的设计。
[0163]图4还示出了基于本发明的光学压力传感器装置的一优选的设计特点。为了安装光纤10，光学压力传感器装置包括第一和第二安装支架61、62。安装支架61、62具有基本为T形的设计，具有一中间体63、64和两个相对的臂，分别是65、66和67、68。中间体63、64彼此相对设置，并且分别与第一和第二安装点11、12连接。弹性构件40、340分别连接到中间体63、64相对的一侧，弹性构件40、340分别大致与光纤部分13成一条直线。两个压力响应组件连接到相对的中间体63、64的相对的臂。
[0164]在具有三个或更多平行于光纤排列的压力响应组件的一实施例中，每个安装支架可具有三个或更多个臂，或各个臂可以由垂直于中间体63、64的一360°圆盘来代替。
[0165]在图4中，所示两个压力响应组件彼此平行。可替换地，两个压力响应组件可以彼此反向平行。
[0166]应该注意的是，在一些实施例中，光学压力传感器装置具有彼此平行布置的两个(或更多)的压力响应组件一些实施方案中，这些组件中的相应的部件相互机械连接。
[0167]在图2A、图2D、图3和图4中，每个压力响应组件70仅包括一个压力响应机构28和仅一个运动阻尼器30。为了改善压力的灵敏度，也为了减小对纵向结构振动的敏感性，也为了减小部件成本，优选的是每一个压力响应组件70相对于一想象的横向平面对称。图5A — 5F是基于本发明的光学传感器装置的第四个示例性实施例的设计变形图，其中每个压力响应组件总是镜面对称的。
[0168]在图5A中，每个压力响应组件包括相互串联的两个压力响应机构，而两个传力构件设于这两个压力响应机构的相对两侧。这两个压力响应机构可以由一压力响应机构来代替，如图5B所示。
[0169]在图5C中，每个压力响应组件包括相互串联的两个传力构件，而两个压力响应机构设于两个运动阻尼器的相对两侧。这两个传力构件可由一传力构件代替。
[0170]在图5C中，两个传力构件各自以一活塞/缸组合来实施，两个缸相互连接。图5D示出了一类似的实施方案，不过这个实施方案中两个活塞相互连接。图5E示出了一相当于图5C的实施例，其中，两个缸结合为包含两个相对设置的活塞的单个缸。[0171 ]在这样的对称式设计中，每个分支的中心应该保持原地不动，以使得将这个中心固定在框架50上，使得稳定性增强。图5F示出了相当于图5B的一实施例，其中，中间的波纹管的中心固定于框架上。另外，也可以考虑两个波纹管的串联连接，一波纹管和另一波纹管的内部的流体连通。
[0172]在图4、图5A、图5B、图5F的实施例中，两个传力构件各自以一活塞/缸组合来实施， 其中，缸与安装有光纤10的支架61、62连接。在替代的实施例中，如图5G所示另一相当于图 5F的实施例的实施例，传力构件的方向反转，使得活塞与安装有光纤10的支架61、62连接， 而缸与各自的压力响应机构连接。同时保持横向对称，在一些实施方案中，如图6所示，两个 (或更多)的传力构件由单个公共的传力构件代替，所述公共的传力构件具有单个公共的缸和单个公共的活塞，所述公共的缸与所有压力响应机构连接，所述公共的活塞上安装有光纤10和张力构件40。如果此公共的缸的直径比两个(或多个)压力响应机构之间的径向距离更小，如在图6所示情况下，这个公共的缸具有用于连接两个(或多个)压力响应机构的安装法兰。应该注意的是，就光纤10和弹簧40之间的连接件而言，支架61的功能被公共的活塞接替，而且，就压力响应机构之间的连接件以及光纤10和弹簧40之间的连接点而言，各个传力构件和安装臂65、66的功能被公共的缸和安装法兰接替。
[0173]图7示意性示出了按照本发明实现的一地震勘探系统4000。地震勘探系统4000包括缆线4100的阵列4001，阵列4001表示为“拖缆”。阵列4001由船4002牵引着。各个缆线的相互距离约为50米。每根缆线4100,其长度为数公里，可以是缆线的一个整体长度，但通常一缆线包括彼此相互连接的多个缆线段4110,以便能够容易地调整缆线长度。每个缆线4100 包括沿其长度布设的多个传感器4111，传感器4111的相互距离约为几米。如图所示，每个缆线段4110可以只包括一个传感器4111，或者可以包括两个或更多个传感器。每根缆线4100 具有设于缆线段4110之间的功能单元，例如所谓的“鸟”(已是公知的)，用于控制在水中拖缆的水平。[〇174]传感器可以都具有彼此相同的设计，但是这不是必须的。在海或海洋上执行反射地震学，通过声脉冲发生器机构在水面或靠近水面产生声脉冲，声脉冲发生器机构是常规的，为了简洁，声脉冲发生器机构在图中未示出。反射的声波，作为压力波在水传播，被压力传感器4111感测到。从传感器4111发出的测量信号沿拖缆4100传输到处理装置4003,如实施例中所示，处理装置4003设在船4002上。可替代地，这样的处理装置4003可以设于缆线段 4110之间的一单元上。
[0175]在以水作为波导介质的情况下，本发明的压力感测设备的一有利的示例性应用是在海底压力监测。图8示意性地示出了海底压力监测系统5000,其包括铺设于海床B的缆线 5001和多个传感器5002。如果目的是定点监测，系统可选地可以仅包括一个传感器。
[0176]如图10所示，本发明的压力感测设备的另一有利的示例性应用是在海洋底部节点 7000。这种节点包括给设备供电的电池7004,所述设备包括至少一个传感器7002、用于接收和处理传感器7002输出的光信号(可以是一反射光束或激光光束)的处理装置7003和用于将测量结果无线传输给一些远程位置的发射机7005。
[0177]波导介质也可以是空气(或其他气体)。图9示意性地示出了声音检测系统6000,其包括一扩音器6001，所述扩音器6001包含至少一个用于检测空气中压力波的光学空气压力传感器装置6002。
[0178]在实施例的变形中，在传感器的功能部件相对于腔室2安装和固定的情况下，一单独的框架可以被省略，或者框架50可以与腔室2—体化。在任何情况下，单独的框架50的存在有利于部件安装到所述框架上之后，组装好的框架及部件将被安装到所述腔室内。如果，不使用硬质固定，框架50被柔性连接到所述腔室2，振动灵敏度可进一步减小。
[0179]此外，不使用油3来填充腔室2，其他适用的液体、凝胶、气体等均可使用。
[0180]更进一步地，在上面，本发明已经针对FBG构件进行说明。然而，本发明可以与任何类型的光纤感测构件结合实施，所述光纤感测构件依据和代表应变和/或光纤的感测部分的长度变化产生输出信号。
[0181]进一步，虽然本发明在反射地震学领域的合理性已经在前面说明了，但是本发明所述的传感器的适用范围并不局限于此领域。在任何想要感测压力波的情况下，这样的传感器都是有用的。波导介质的性质不是至关重要的。本发明也不局限于海底应用，本发明可应用于大的直流背景下检测交变的压力，特别是声音的各种情况。
[0182]至于张力构件40，应当注意的是，根据不同的测量装置的性质，由张力构件施加的公称张力或偏压张力可以等于零。在包括光纤的实施方案中，这种偏差张力通常高于零。
[0183]至于所述压力传感装置的窗口，应该注意的是，窗口可能是打开的也可能是封闭的。在一封闭的窗口的情况下，如果窗口被通过柔性构件封闭是有利的，例如是膜，可以承受由于扩展或收缩活塞或波纹管导致的体积变化。
[0184]本领域技术人员应清楚本发明并不局限于上面讨论的示例性实施例，如所附权利要求限定的本发明的保护范围内的一些变形和修改也是可行的。即使某些特征记载在不同的从属权利要求中，本发明还涉及一共同包括这些特征的实施例。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制该权利要求的范围。
【主权项】
1.一种压力传感器装置(1001 ； 1002 ； 1003 ； 1004 ； 1005)，包括: 一两个基准点(11、12)，在其之间限定了沿着连接所述基准点的虚拟直线的操作方向；一至少一个弹性张力构件(40)，用于向所述基准点(11、12)中的至少一个施加张力，所述张力的方向平行于所述操作方向； 一至少一个压力响应组件(70)，所述压力响应组件(70)与所述弹性构件(13)并联，且与所述基准点(U、12)连接，所述或每一个压力响应组件(70)包括由至少一个压力响应机构(28)和至少一个高通传力构件(30)组成的串联结构； 其中，压力响应机构(28)具有一平行于所述操作方向的操作长度，所述操作长度响应于压力，所述操作长度设置为用于施加平行于所述操作方向的拉或推的操作力;且， 其中，高通传力构件(30)设置为使频率高于阈值频率的所述操作力大幅通过，并大幅减弱或阻挡频率低于阈值频率的所述操作力； 一光学测量机构，用于测量代表待检测的压力的所述基准点之间的实际距离。2.根据权利要求1所述的压力传感器装置，还包括: 一填充有压力传递介质(3)的腔室(2)，所述腔室(2)适于浸没在流体中，并具有至少一个窗口(4)，窗口(4)转移至少部分的在所述流体中的压力波； 一其中，所述压力响应机构(28)设于所述腔室(2)内，并且响应于所述压力传递介质(3)的压力。3.根据权利要求2所述的压力传感器装置，其中，所述压力传递介质包括一种液体。4.根据权利要求1所述的压力传感器装置，还包括至少一个连接所述基准点(11、12)的弹性构件(13)，其中所述弹性构件(13)包括张紧于所述基准点(11、12)之间的光纤部分(13)。5.根据上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置，其中，所述测量装置包括张紧于所述基准点(11、12)之间的光纤部分(13)。6.根据权利要求5所述的压力传感器装置，其中，所述光纤部分(13)包括光学感测部(18)。7.根据权利要求6所述的压力传感器装置，其中，所述光学感测部(18)包括至少一个光纤布拉格光栅(18)。8.根据权利要求7所述的压力传感器装置，其中，所述光纤布拉格光栅包括用于反射外部探询光束的一波段的反射器。9.根据权利要求6所述的压力传感器装置，其中，所述光学感测部(18)包括一光纤激光器的一部分。10.根据权利要求1所述的压力传感器设备，还包括: 一一框架(50)，具有第一框架端(51)和一纵向相对的第二框架端(52); 一其中，所述张力构件(40)连接于所述两个基准点(11、12)之一和所述两个框架端之一的之间。11.根据权利要求4或5所述的压力传感器装置，还包括: 一一框架(50)，具有第一框架端(51)和一纵向相对的第二框架端(52); 一其中，所述张力构件(40)与由所述压力响应组件(70)和所述光纤部分(13)组成的并联结构串联。12.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应机构(28)包括具有压 力响应构件(20 )，压力响应构件(20)具有渐进反作用力发生器机构(27)。13.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应构件(20)包括设于缸(25)内的活塞(24)。14.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应构件(20)包括波纹管(26)〇15.根据权利要求1所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应构件(20)包括一布尔登管。16.根据上述权利要求1 一5中任一项所述的压力传感器装置，其中，所述张力构件(40) 连接于所述两个基准点之一(11)和第一框架端(51)之间，且其中所述两个基准点中的另一 个(12)相对于相对的第二框架端(52)固定。17.根据上述权利要求1 一 15任一项所述的压力传感器装置，其中，第一张力构件(40) 连接于所述两个基准点之一(11)和第一框架端(51)之间，且其中第二张力构件(340)连接 于所述两个基准点中的另一个(12)和相对的第二框架端(52)之间。18.根据上述权利要求4 一 17任一项所述的压力传感器装置，包括两个并联的压力响应 组件(70)，其中，所述两个压力响应组件(70)和所述弹性构件(13)设于同一虚拟平面。19.根据上述权利要求4 一 17任一项所述的压力传感器装置，包括三个或更多个并联的 压力响应组件(70 )，其中，所述压力响应组件(70)围绕所述弹性构件(13)布设。20.根据上述权利要求1 一 17任一项所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应组件 布置为具有彼此等角间隔的环形结构。21.根据上述权利要求1 一20任一项所述的压力传感器装置，其中，在纵向上，每个压力 响应组件(70)相对于一虚拟横向平面呈镜面对称。22.根据权利要求21所述的压力传感器装置，其中，每个压力响应组件(70)包括串联于 两个传力构件(30)之间的压力响应机构(28)。23.根据权利要求22的所述的压力传感器装置，其中，所述压力响应组件(70)的中心部 分相对于所述框架(50)固定。24.根据权利要求21所述的压力传感器装置，其中，每个压力响应组件(70)包括由串联 于两个传力构件(30)之间的两个压力响应机构(28)所组成的串联结构。25.根据权利要求24所述的压力传感器装置，其中，所述两个压力响应机构(28)之间的 一点相对于所述框架(50)固定。26.根据权利要求21所述的压力传感器装置，其中，每个压力响应组件(70)包括由串联 于两个压力响应机构(28)之间的两个传力构件(30)所组成的串联结构。27.根据权利要求26所述的压力传感器装置，其中，每个传力构件(30)包括在填充有流 体的缸(36)内往复运动的活塞(35)。28.根据权利要求27所述的压力传感器装置，其中，所述两个传力构件(30)的两个活塞连接在一起。29.根据权利要求27所述的压力传感器装置，其中，所述两个传力构件(30)的两个缸连接在一起。30.根据权利要求21所述的压力传感器装置，包括: 一第一传力构件(30)，其包括在第一缸(36)内往复运动的第一活塞(35)，其中，所述第一活塞(35)的第一端与所述两个安装点之一(11)连接，且其中，所述第一活塞(35)的相对的第二端通过第一张力构件(40)与所述框架(50)连接； 一第二传力构件(30)，其包括在第二缸(36)内往复运动的第二活塞(35)，其中，所述第二活塞(35)的第一端与所述两个安装点中的另一个(12)连接，且其中，所述第二活塞(35)的相对的第二端通过第二张力构件(340)与所述框架(50)连接； 一至少一个具有第一端和第二端的压力响应机构(28)，其中，所述或每一个压力响应机构(28)的第一端与第一缸(36)连接，而所述或每一个压力响应机构(28)的第二端与第二缸(36)连接。31.用于勘探的拖缆段(4110)，包括至少一个如上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置(1001 ； 1002 ； 1003 ； 1004; 1005)。32.用于勘探的拖缆(4100)，其包括至少一个如上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置(1001 ； 1002 ； 1003 ； 1004; 1005)。33.拖缆阵列(4001)，其包括两根或更多根如权利要求32所述的拖缆(4100)。34.勘探系统(4000)，其包括至少一根如权利要求32所述的拖缆(4100)或如权利要求33所述的拖缆阵列(4001)、用于牵引拖缆(4100)或拖缆阵列(4001)的船(4002)，以及用于接收和处理传感器装置(4111)发出的测量信号的处理装置(4003)。35.铺设于海床(B)、用于海底压力监测或水下声探测的缆线(5001)，所述缆线(5001)包括至少一个如上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置(1001; 1002; 1003; 1004;1005;2002)。36.海洋底部节点(7000)，包括至少一个传感器(7002)、接收和处理所述传感器(7002)发出的光输出信号的处理装置(7003)、用于无线传输测量结果的发射器(7005)，以及用于给处理装置(7003)和发射器(7005)供电的电池(7004)，其中，所述传感器(7002)是如上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置(6002; 1001; 1002; 1003; 1004; 1005)。37.扩音器(6001)，其包括至少一个如上述权利要求中任一项所述的压力传感器装置(6002；1001；1002；1003；1004;1005)。38.一种影响光纤的光学特性的方法，该方法包括: 以恒定的张力张紧其中含有至少一个FBG的光纤； 当光纤在流体中从第一平均压力区移动至第二平均压力区时，保持恒定的张力； 将压力传递介质与流体隔离； 向压力传递介质传递至少一部分的压力波； 产生一响应所述传递的力； 使光纤的长度沿直线路径改变，以响应这个力。39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述张紧的步骤包括将光纤的第一部分安装到框架上，将光纤的第二部分安装到弹性构件上，所述弹性构件与所述框架连接，其中，所述光纤张紧成一条直线。40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述改变光纤的长度的步骤包括向连接到所述弹性部件的结构构件施加力的步骤。41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述保持恒定的张力的步骤包括:为了响应从第一平均压力区到第二平均压力区的平均压力改变，调整所述结构构件的张力。42.—种影响光纤的光学性质的系统，该系统包括:张紧装置，用来以恒定的张力张紧其中含有至少一个FBG的光纤；保持恒定张力的装置，用于在光纤在流体中从第一平均压力区移动至第二平均压力区 时，保持恒定的张力；隔离的装置，用于将压力传递介质与流体隔离；传递的装置，用于向压力传递介质传递至少一部分的压力波；产生力的装置，用于响应所述传递；改变光纤长度的装置，使光纤的长度沿直线路径改变，以响应这个力。43.根据权利要求42所述的系统，其中，所述拉紧装置包括:用于将光纤的第一部分安装到框架上的安装机构，以及用于将光纤的第二部分安装到弹性构件上的安装机构，所述弹性构件与所述框架连 接，其中，所述光纤张紧成一条直线。44.根据权利要求42所述的系统，其中，所述隔离的装置包括将框架封闭在其中的腔室。45.根据权利要求44所述的系统，其中，所述传递的装置包括设于腔室的一窗口，所述窗口覆盖有柔性膜。46.根据权利要求42所述的系统，其中，所述用于产生力的装置包括响应压力变化而改 变其长度的元件，其中，所述元件按纵长方向连接于结构构件中。47.根据权利要求46所述的系统，其中，所述元件包括连接在结构构件的长度上的波纹管。48.根据权利要求46所述的系统，其中，所述元件包括驻留在缸内的活塞，所述缸连接 在结构构件的长度上。49.根据权利要求46所述的系统，其中，所述改变光纤长度的装置包括一附接装置，用 于将结构构件附接至光纤。50.根据权利要求48所述的系统，其中，所述附接装置包括附接至结构构件和附接至弹 性构件的连接元件。51.根据权利要求48所述的系统，其中，所述保持的装置包括调节结构构件的张力的机 构，用于响应从所述第一平均压力区至所述第二平均压力区的平均压力的变化。52.根据权利要求49所述的系统，其中，所述调节结构构件的张力的机构包括驻留在沿 着结构构件长度方向设置的缸内的活塞。53.用于进行地震勘探的方法，该方法包括以下步骤:在海洋布设光纤；在所述海洋生成声学压力波；通过所述光纤接收所述声学压力波；当使用如权利要求38 — 41任一项所述的方法时，影响所述光纤的光学性质以响应接收 到的声学压力波。54.用于进行地震勘探的方法，该方法包括以下步骤:在拖缆中设置多个光纤； 在海洋中布设所述拖缆； 在所述海洋中生成声学压力波； 通过至少一根所述光纤接收声学压力波； 当使用如权利要求38 — 41任一项所述的方法时，影响所述光纤的光学性质以响应接收到的声学压力波。55.用于进行地震勘探的方法，该方法包括以下步骤: 提供多个拖缆，每个拖缆包括多个光纤； 将所述拖缆排成阵列； 将所述拖缆阵列布设于海洋中； 在所述海洋中生成声学压力波； 通过至少一根所述光纤接收声学压力波； 当使用如权利要求38 — 41任一项所述的方法时，影响所述光纤的光学性质以响应接收到的声学压力波。56.根据权利要求54或55所述的方法，还包括分别将所述拖缆或拖缆阵列牵引于所述海洋中。57.根据权利要求56所述的方法，还包括:测量所述光纤的光学特性，以及接收和处理来自所述光纤的测量信号。58.用于海底压力监测的方法，该方法包括以下步骤: 在缆线中配置多根光纤； 将所述缆线设于海床； 通过至少一根所述光纤接收声学压力波； 当使用如权利要求38 — 41任一项所述的方法时，影响所述光纤的光学性质以响应接收到的声学压力波。59.水下声学检测的方法，该方法包括以下步骤: 在缆线中配置多根光纤； 在海床设置多根所述缆线； 通过至少一根所述光纤接收声学压力波； 当使用如权利要求38 — 41任一项所述的方法时，影响所述光纤的光学性质以响应接收到的声学压力波。60.水下声学检测的方法，该方法包括以下步骤: 在一海洋底部节点中设置光纤； 在海床布设所述底部节点； 通过所述光纤接收声学压力波； 当使用如权利要求38 — 41任一项所述的方法时，影响所述光纤的光学性质以响应接收到的声学压力波； 测量所述光纤的光学特性； 接收和处理来自所述光纤信号的测量信号； 无线传输测量结果。61.拾取声音的方法，该方法包括以下步骤:在空气中布设光纤；通过所述光纤接收声波；当使用如权利要求38 — 41任一项所述的方法时，影响所述光纤的光学性质以响应接收 到的声波。62.在介质中感测压力的方法，该方法包括以下步骤:一设置两个基准点(11、12);一在所述两个基准点(11、12)之间连接至少一个弹性构件(13);一在所述弹性构件(13)上施加一张力；一在所述介质中接收压力波；一产生响应于介质中的瞬时压力的压力响应力；一高通过滤所述压力响应力，以获得过滤的响应力；一从张力中减去所述过滤的响应力；一光学测量代表要被感测的压力的所述基准点(11、12)之间的实际距离。63.根据权利要求62所述的方法，其中，所述弹性构件(13)包括包含有光纤布拉格光栅 (18)的光纤。64.在介质中感测压力的方法，该方法包括以下步骤:一设置两个基准点(11、12);一在所述介质中接收压力波；一产生响应于介质中的瞬时压力的压力响应力；一高通过滤所述压力响应力，以获得过滤的响应力；一向所述基准点(11、12)中的至少一个施加过滤的响应力；一光学测量代表要被感测的压力的所述基准点(11、12)之间的实际距离。
【文档编号】G01L1/24GK106030269SQ201480073596
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年11月18日
【发明人】W·德容, G·E·诺珀斯, D·M·卡拉巴卡克, B·莫尔布洛克
【申请人】辉固技术有限公司