一种基于复合干涉仪结构的测斜装置的制作方法

本发明设计属于光纤干涉仪测量领域，具体涉及到一种基于复合干涉仪结构的测斜装置。

背景技术：

我国地大物博，能源储备丰富，建国初期，石油天然气等资源开采相对容易。但随着我国石油天然气的能源需求的大量增加，地表易开采能源的数量逐渐减少，如何发展高难度开采技术已经成了我国的重要发展战略之一。早期的石油开采井为垂直井，因为石油储量巨大，储油附近地貌特性简单，21世纪之后，由于公路铁路等基础设施建设逐渐增多，我国开始出现大斜井，水平井，大位移井等井眼，在深海开采等领域内，倾斜角度不断变化从而躲避深海基岩的复杂井眼也逐渐步入实用化过程。在打井过程中如何保证井眼的轨迹与预计轨迹相同，是保证井眼能否到达储油层，能否顺利躲避岩层障碍的重要因素。常用的智能钻井系统由井下钻头，测量机构以及控制机构组成，其中测量机构与控制机构完成对井眼轨迹的测试与钻头姿态的修正，而测斜仪是测量机构内重要的组成部件之一。

测斜仪是一种测定物体偏转姿态，方位角，旋转角度的空间测量仪器。我国最早的测斜方法是用单摆及罗盘定位井斜角，这种方法比较原始，范围小精度低，而且测量操作方法复杂，不适于现代化的石油开采应用。随着导航，定位等技术的发展，国外先进国家早已停止使用重物块与磁针的方法进行斜角测定，逐渐发展利用陀螺，加速度计等惯导器件进行定位测斜的装置。90年代初期是测斜仪发展比较迅猛的一个阶段，美国的SINCO公司采用双轴加速度计与挠性陀螺制作的503109000系列伺服电机测斜仪专门用于测定岩土的水平位移，在世界市场占有最大的份额。1996年，美国Schlumberger公司利用超声波与伺服电机的方式进行井下姿态定位，对应其LWD系列测井系统可以实时传输有效定位数据。

我国对于测斜仪的研究早期以引进为主，先后引进过SST、DOT以及MS-3等知名公司生产的成熟测斜仪，但由于我国石油蕴藏情况复杂，地形特殊，有些专门为其他国家比如阿拉伯国家，俄罗斯等，设计的井下测斜装置并不适用于我国地貌地形。因此，我国一些科研机构开始着手于地面，水下测斜仪的研制工作。中国航天科工集团三院第三十三研究所与北京市水科学研究院试制过基于伺服电机与加速度计的钻孔倾斜仪，型号为CX-01，使用数字显示，在国内使用较为广泛。但是该测斜仪只用了加速度计，不能对角度进行测定，随后航天702所为了解决斜管的扭动问题，在CX-01基础上增加旋转测量装置，定制型号为CX-56系列测斜仪。后来国内多家公司基于以上装置为原型，进行了测斜仪的研制工作，目前我国的测斜装置有初步进展，深度可达300m，测量角度漂移为小于0.005mrad/month。

传统的传感器存在高温，电磁干扰以及水压等条件的制约，随之井深的增加，地下或水下条件越来越复杂，比如对传感器的使用寿命要求超过5000h，承受温度为120℃，水压60MPa等。光纤传感器作为一种新型测量手段，其耐高温，稳定性，耐压能力以及抗电磁干扰能力相比于传统的机械陀螺，电磁式传感器有更加明显的优势，利用光纤制作的测斜装置不失为一种解决复杂测量环境的新途径。国内对于光纤测斜仪的制作以光纤陀螺为基础发展起来，武汉基深测斜有限公司刘华的发明专利光纤陀螺测斜仪(CN201010173971.8)提出利用一个光纤陀螺与X-Y两个伺服电机加速度计进行测斜，该装置率先引入了光纤陀螺但是仍旧使用伺服电机加速度计，没有完全脱离传统测量方式，而且只能测定X-Y两个方向。北航基于陀螺原理提出的“一种基于光纤陀螺测斜仪的测斜数据的事后处理系统(CN201310031129.4)”同样也是利用了光纤陀螺与加速度计，仍旧将光纤传感器分离，并未实现全光纤传感器的设计。

对于轴向加速度的测量，哈尔滨工程大学杨军，吴冰等人提出多种光纤应变，位移测量方案。如一种超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器及光纤应变仪(CN201210381978.8)，一种短基线差分式激光应变测量仪(CN201210381976.9)，一种超短基线差分盘式光纤位移传感器及光纤应变仪(CN201210381977.3)等，以以上专利为基础，本文设计一种复合干涉仪光路结构，将两个马赫泽德干涉仪，一个迈克尔逊干涉仪与一个萨格纳克干涉仪进行光路复用，同时测量X-Y-Z三个方向加速度与水平旋转角速度，很大程度上减小了测斜仪的体积与制作成本，提高了系统的集成度，同时利用光纤传感器的灵敏度高，动态范围大等特性为测斜装置提供了更加丰富的数据，该方案在石油探测，滑坡测定，水下石油打井，地面深井作业等领域内具有广阔的发展前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于复合干涉仪结构的测斜装置。

本发明的目的是这样实现的：

该装置核心光路为复用干涉仪20，该光路封装于传感探头1中；复用干涉仪20光路连接关系为宽谱光源209连接至第二环形器222的a端口，第二环形器222的b端口连接至第一环形器221的a端口；第一环形器221的b端口连接至1号光栅261，之后通过1号光栅尾纤261a连接至2号探测器202；第一环形器221的c端口通过第一环形器c端口尾纤221c连接至1号探测器201；第二环形器222的c端口连接至第一耦合器231的一个输入端，第一耦合器231的另一个输入端连接至第三环形器223的a端口；第三环形器223的b端口与c端口分别连接至2号光栅262与3号探测器203；第一耦合器231的两个输出端分别连接至上光纤环245与下光纤环246；上光纤环245输出光纤绕在相位调制器250上，连接至第一波分复用器211，第一波分复用器211的一个输出端连接至3号光栅263；下光纤环246的输出端连接至第二波分复用器212，第二波分复用器212的输出端连接至3号光栅263；第一波分复用器211的另外一对儿输入输出端分别连接第三光纤环243与第四光纤环244，第三光纤环243与第四光纤环244的输出端同时连接至第二耦合器232，之后连接至7号探测器207与8号探测器208；第二波分复用器212的另外一对儿输入输出端分别连接第一光纤环241与第二光纤环242，第一光纤环241与第二光纤环242的输出端同时连接至第三耦合器233，之后连接至5号探测器205与6号探测器206。

所述的传感探头1，由传感头外壳12，机械层13，光器件层14与光电转换模块层15组成，传感探头1输出数据经过数据采集11与计算机10相连；传感探头1通过钢丝121顺入探测井内部，传感器上盖125通过内六角螺丝122与传感器外壁126固定，中间有气密垫124；传感探头1中间部分为机械层13，X左方向弹性柱体1311，X右方向弹性柱体1312，Y前方向弹性柱体1313，Y后方向弹性柱体1314，固定于第一质量块131中；第一光纤环241缠绕于X左方向弹性柱体1311，第二光纤环242缠绕于X右方向弹性柱体1312，第三光纤环243缠绕于Y前方向弹性柱体1313，第四光纤环244缠绕于Y后方向弹性柱体1314；弹性盘片133位于4个弹性柱体下方，第二质量块132固定于弹性盘片133的中间，上光纤环245与下光纤环246分别粘贴于弹性盘片133的上下方；相位调制器250固定于传感器外壁126处；通过屏蔽线s连接至光电转换模块层15；光器件层14位于机械层13下方；1号光栅尾纤261a连接至光电转换模块层15的2号探测器202；第三环形器b端口尾纤233b连接至光电转换模块层15的3号探测器203；第二耦合器c端口尾纤232c连接至光电转换模块层15的7号探测器207；第二耦合器d端口尾纤232d连接至光电转换模块层15的8号探测器208；第三耦合器c端口尾纤233c连接至光电转换模块层15的5号探测器205；第三耦合器d端口尾纤233d连接至光电转换模块层15的6号探测器206；第一波分复用器通过第一波分复用器b端口尾纤211b与第一波分复用器d端口尾纤211d连接至机械层13的第三光纤环243与第四光纤环244；第二波分复用器通过第二波分复用器b端口尾纤212b与第二波分复用器d端口尾纤212d连接至机械层13的第一光纤环241与第二光纤环242。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)将4个干涉仪进行复用，体积小，质量轻，节约了制作成本，提高系统集成度。

(2)抗电磁干扰能力强，能够适应几百度高温。

(3)灵敏度高，动态范围大，使用干涉信号相位作为测量标准，对加速度的频域分辨率最小可达到ng量级。

附图说明

图1是一种基于复合干涉仪结构的测斜装置结构图；

图2是机械层剖面图；

图3是弹性柱体俯视图；

图4是光器件层连接图；

图5是光路原理图；

图6是角度测量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

1.一种基于复合干涉仪结构的测斜装置，该装置核心光路为复用干涉仪20，该光路封装于传感探头1中；复用干涉仪20光路连接关系为宽谱光源209连接至第二环形器222的a端口，第二环形器222的b端口连接至第一环形器221的a端口；第一环形器221的b端口连接至1号光栅261，之后通过1号光栅尾纤261a连接至2号探测器202；第一环形器221的c端口通过第一环形器c端口尾纤221c连接至1号探测器201；第二环形器222的c端口连接至第一耦合器231的一个输入端，第一耦合器231的另一个输入端连接至第三环形器223的a端口；第三环形器223的b端口与c端口分别连接至2号光栅262与3号探测器203；第一耦合器231的两个输出端分别连接至上光纤环245与下光纤环246；上光纤环245输出光纤绕在相位调制器250上，连接至第一波分复用器211，第一波分复用器211的一个输出端连接至3号光栅263；下光纤环246的输出端连接至第二波分复用器212，第二波分复用器212的输出端连接至3号光栅263；第一波分复用器211的另外一对儿输入输出端分别连接第三光纤环243与第四光纤环244，第三光纤环243与第四光纤环244的输出端同时连接至第二耦合器232，之后连接至7号探测器207与8号探测器208；第二波分复用器212的另外一对儿输入输出端分别连接第一光纤环241与第二光纤环242，第一光纤环241与第二光纤环242的输出端同时连接至第三耦合器233，之后连接至5号探测器205与6号探测器206。

2.所述的传感探头1，主要由传感头外壳12，机械层13，光器件层14与光电转换模块层15组成，传感探头1输出数据经过数据采集11与计算机10相连；传感探头1通过钢丝121顺入探测井内部，传感器上盖125通过内六角螺丝122与传感器外壁126固定，中间有气密垫124；传感探头1中间部分为机械层13，X左方向弹性柱体1311，X右方向弹性柱体1312，Y前方向弹性柱体1313，Y后方向弹性柱体1314，固定于第一质量块131中；第一光纤环241缠绕于X左方向弹性柱体1311，第二光纤环242缠绕于X右方向弹性柱体1312，第三光纤环243缠绕于Y前方向弹性柱体1313，第四光纤环244缠绕于Y后方向弹性柱体1314；弹性盘片133位于4个弹性柱体下方，第二质量块132固定于弹性盘片133的中间，上光纤环245与下光纤环246分别粘贴于弹性盘片133的上下方；相位调制器250固定于传感器外壁126处；通过屏蔽线s连接至光电转换模块层15；光器件层14位于机械层13下方；1号光栅尾纤261a连接至光电转换模块层15的2号探测器202；第三环形器b端口尾纤233b连接至光电转换模块层15的3号探测器203；第二耦合器c端口尾纤232c连接至光电转换模块层15的7号探测器207；第二耦合器d端口尾纤232d连接至光电转换模块层15的8号探测器208；第三耦合器c端口尾纤233c连接至光电转换模块层15的5号探测器205；第三耦合器d端口尾纤233d连接至光电转换模块层15的6号探测器206；第一波分复用器通过第一波分复用器b端口尾纤211b与第一波分复用器d端口尾纤211d连接至机械层13的第三光纤环243与第四光纤环244；第二波分复用器通过第二波分复用器b端口尾纤212b与第二波分复用器d端口尾纤212d连接至机械层13的第一光纤环241与第二光纤环242。

光路复用结构：

本装置用于测量探头所处位置的方位角与顶角，三轴方向加速度，测量原理图如图5所示。其工作方式如下：

宽谱光源209通过第二环形器222将光注入到复合干涉仪20中，该复合干涉仪共有2个马赫泽德干涉仪，1个迈克尔逊干涉仪以及1个萨格纳克干涉仪复合而成。

萨格纳克干涉仪光路为：第一耦合器231一路输出经过上光纤环245，第一波分复用器211，经过3号光栅263，经过第二波分复用器212，经过下光纤环246，连接至第一耦合器231；最后输出干涉信号分别经过第一环形器221到达1号探测器201，另一路输出经过第三环形器223至3号探测器203。

迈克尔逊干涉仪光路为：第一耦合器231一路输出经过上光纤环245，第一波分复用211至3号光栅263，满足反射条件的光被原路返回至第一耦合器231，构成迈克尔逊干涉仪的一个臂；第一耦合器231另一路输出经过下光纤环246，第二波分复用212，至3号光栅263，满足反射条件的光被原路返回至第一耦合器231，构成迈克尔逊干涉仪的另一个臂。最后输出干涉信号经过第一环形器221到达2号探测器202。

第一马赫泽德干涉仪光路为：第一耦合器231一路输出经过上光纤环245，第一波分复用211，第四光纤环244至第二耦合器232，构成马赫泽德干涉仪的一臂；第一耦合器231另一路输出经过下光纤环246，第二波分复用器212，3号光栅263，第一波分复用211，第三光纤环243至第二耦合器232，构成马赫泽德干涉仪的另一臂；两束光在第二耦合器232内发生干涉，由7号探测器207与8号探测器208输出。

第二马赫泽德干涉仪光路为：第一耦合器231一路输出经过下光纤环246，第二波分复用212，第二光纤环242至第三耦合器233，构成第二马赫泽德干涉仪的一臂；第一耦合器231一路输出经过上光纤环245，第一波分复用211，3号光栅263，第二波分复用器212，第一光纤环241至第三耦合器233，构成第二马赫泽德干涉仪的另一臂；两束光在第三耦合器233内发生干涉，由5号探测器205与6号探测器206输出。

加速度测量原理：

本装置利用2个马赫泽德干涉仪与1个迈克尔逊干涉仪进行加速度测量。其测量原理是将干涉仪的两个臂缠绕在变化方向两端相反的弹性柱体上，该柱体特点是受到外力作用后对应的向外拉伸或向内收缩，此时可以将这种拉伸与收缩的弹性形变量传递给缠绕在上面的光纤环上；此时即对迈克尔逊干涉仪/马赫泽德干涉仪的两个传感臂施加了力的作用，利用相位调制器对迈克尔逊干涉仪进行调制，可以得到干涉光输出信号形式为：

其中I₁I₂分别为两束干涉光光强，A为干涉后光强的直流分量，B为干涉后光强的交流分量，为干涉相位变化值，该相位变化可表示为：

其中分别为干涉初相位，加速度引起的相位变化，调制信号引起的相位变化。调制信号变化量与光源调制频率ν有关。

其中n为光纤折射率，l为两臂臂长差，c为光速，若此时的调制电流为i＝i₀cosω₀t则对应光源频率变化为ν＝Δνcosω₀t，由公式(2-3)可以得到相位变化量为：

其中C为调制深度，是一个与光纤干涉仪以及调相波参数相关的固定常量，若不考虑干涉的初相位，公式(2-1)可化简为：

此时可知相位为加速度引起的相位变化，利用相位解调算法对相位求解，即可得出相位变化对应的臂长差l的变化情况。

旋转速度测量原理：

本装置利用萨格纳克干涉仪完成对旋转速度的测量。萨格纳克干涉信号光的两个分量走过光路完全相同。设光在光纤中传播速度为c/n，其中c为真空中光速，n为光纤折射率。当整个环发生角速度为ω的旋转时，对应顺逆两束光实际的速度为

式中c_a与c_b分别为顺时针逆时针经过光路的两束光实际速度，R为外围环半径大小，此时两束光在外围光纤环绕行时间为：

对应顺时逆时针光路相差的时间与光程分别为：

式中A为外围光纤环面积，将光程差转换为相位差：

此时可以看出，外围光纤环旋转速度ω与环面积大小有关，已知外围光纤环面积后，对其旋转速度的测定可转换为对萨格纳克干涉仪输出信号相位变化的测量。

顶角与方位角计算：

如图6所示，设该测斜装置原始状态为坐标系OXYZ，当其发生一定旋转，变换为坐标系oxyz后，可以得到原始坐标与当前坐标的关系，旋转后的顶角θ与水平方位角存在如下关系：

将oz轴绕oy轴旋转顶角θ，然后将ox轴绕oz轴旋转方位角即可得到原始坐标OXYZ，经过顶角旋转与方位角旋转后的变换的方向余弦矩阵为M

此时如果加速度计输出三方向信号为G_x，G_y，G_z则存在以下关系：

其中g₀为测斜仪垂直放置时标准重力加速度。将等式(2-14)与(2-15)联立可求得：

则根据加速度计输出结果，即可求得顶角大小θ，对于其方位角的求解，虽然上式有结果，但是可以直接使用陀螺输出结果，对角速度的时间做积分求得方位角

为清楚地说明一种同时垂直地震波与旋转地震波的光纤传感装置，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

传感器装置如图1，图2与图5所示，传感使用器件选择与参数如下：

(1)宽谱光源209的中心波长1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率为1mW～10mW；

(2)1号光栅261，2号光栅262，3号光栅263中心波长为1550nm，相移点带宽<100MHz，反射率>99.5％，尾纤接头为FC/APC；中心波长为1550nm，波长表偏差+/-0.3，3dB带宽0.1～1nm，栅区长度为1～20mm，抗拉力大于100kpsi；

(3)第一环形器221，第二环形器222，第三环形器223中心波长为1550nm，插入损耗小于1dB，每通道最小隔离度40dB，最大串扰50dB，偏振模式色散0.1ps，结构为三端口，额定功率500mW；

(4)第一耦合器231，第二耦合器232，第三耦合器233工作波长1550nm&1310nm，分光比50.5％/49.5％，两路插入损耗分别为3.03dB，3.12dB；

(5)第一波分复用器211，第二波分复用器212通道波长为ITU 100GHz Grid(约为0.8nm左右)，中心波长准确度±0.05nm，最小信道间隔100GHz～(0.8nm)，插入损耗IL(<6.0dB)，通道插损均匀性(<2.0dB)，温度敏感度损耗(<0.003dB/℃)，波长位移与温度(<0.002nm/℃)，存储温度(-40～+85℃)，工作温度(0～+70℃)，注入功率(<300mW)，注意使用该波分复用器选择相距最远的两个信道，如32路DWDM选择第1信道与第32信道；

(6)第一光纤环241，第二光纤环242，第三光纤环243，第四光纤环244，上光纤环245，下光纤环246工作波长1550nm，环串扰<-18dB，环衰减<1dB/km，环内径13～250mm，环外径30～260mm，光纤长度80～3000m，每层匝数8～250匝；选取光纤环长短保证干涉仪臂长差关系，根据干涉长度计算公式l＝λ²/Δλ，可以得出两个马赫泽德干涉仪的臂长差应小于3mm，迈克尔逊干涉仪臂长差小于3m，所以其中第一光纤环241，第二光纤环242，上光纤环245与下光纤环246构成的干涉仪臂长差小于3mm；第三光纤环243，第四光纤环244，上光纤环245与下光纤环246构成的干涉仪臂长差小于3mm；3号光栅263处于上光纤环245与下光纤环246中间位置，保证上下两臂臂长差小于3m；

(7)第一质量块131，第二质量块132为正方体，圆柱体或垂体重物，质量在1～20g之间，材料为铝合金，铝或钢制材料，其质量分布均匀，内部无缺陷，凹洞等，保证其热膨胀系数小于0.9×10^-10/℃；

(8)弹性盘片135为铜，铝或合金圆盘，厚度在0.5～3mm，柔韧性好，质量分布均匀，其材质最终应能够良好传导应力变化。内径为10～50mm，外径为100～500mm。

(9)相位调制器250为圆柱形压电陶瓷环，谐振频率为2000Hz，谐振电阻小于200欧姆，电容量为50nF±30％，环厚度0.5～2mm，环高度10～300mm，环外径10～60mm，光纤缠于压电陶瓷环上并用强效胶水粘接。

(10)X左方向弹性柱体1311，X右方向弹性柱体1312，Y前方向弹性柱体1313，与Y后方向弹性柱体1314为弹性材料，长度在5-30mm之间，外径大小在5-10mm之间。