振动传感器的制作方法

本发明涉及振动传感器，具体是地震检波器或水中听音器。

如已知的，地震检波器和水中听音器是传感器，其能够检测分别在地下或水下传播的声波或地震波振动，将它们转化为电信号或光信号，其适于发送到处理系统从而进行分析。

一般而言，已知类型的振动传感器包括具有从其悬置的检验质量块的支承结构。

在地震检波器的情况中，支承结构埋在大地中，使得其与大地一起振动。由于检验质量块的惯性(其倾向于在空间中维持其位置)，支承结构的振动转化为检验质量块相应的相对于支承结构本身的运动，这些运动的幅度与振动的分量成正比。

根据已知的变型实施例，所述振动传感器构造为检测在空间中沿任何方向传播的振动。这些传感器被称为“矢量”传感器或“三轴”传感器或“三分量”传感器，因为它们能够根据三根独立的轴来检测振动的分量。

矢量传感器的主要优点是允许测量振动信号的幅度的同时也测量其到达角。

更具体地，矢量传感器能够通过使每根轴对于指向正交于该轴的振动信号尽可能无响应而单独地检测沿着三根轴的振动分量。。该特征称为“轴间抑制(cross-axisrejection)”。明显地，高轴间抑制导致更高的传感器的测量保真度(精确度)，因为这意味着更少的在不同轴之间的干扰。

根据已知的实施例，矢量振动传感器由设有腔室的支承结构构成，在该腔室中存在基本上球形的检验质量块，或在任何情况下，存在具有沿着三根轴基本相同的尺寸的检测治质量块。检验质量块借助由橡胶制成的三对柱体维持从支承结构悬置，每对根据相应的轴对齐，并且设置在检验质量块相对的两侧上。光纤围绕每个柱体缠绕，并且形成某种线圈。

由大地中的振动信号导致的支承结构的振动引起圆柱体根据相应的轴的一系列压缩和伸长变形，所述压缩和伸长变形的幅度与振动的根据同一轴指向的分量成正比。

每个圆柱体的轴向变形引起围绕其缠绕的光纤长度方面的变化。具体地，圆柱体的压缩导致其同时的侧向扩张，而这伴随有光纤的伸长，而在圆柱体伸长的情况下发送相反的事。

通过使光穿过光纤，能够例如借助已知类型的干涉仪(测量)的方法来检测光纤的长度方面的变化，并且因此能够检测根据相应的圆柱体的轴线的振动的幅度。

此外，如本领域中已知的，干涉仪可构造为使得：仅当一对中的两个圆柱体经历互相相反的变形时才给出净响应，而不是在两个本体上发生相同的变形时。

上述矢量传感器具有良好的轴间抑制，因为检验质量块沿着三根轴中的一根的运动导致围绕正交于该轴设置的圆柱体缠绕的光纤非常有限的变形。

此外，所述有限的变形可容易地识别出，并且与由沿着该对圆柱体的轴线指向的振动信号直接导致的变形分开。

这是因为，尽管沿着该队圆柱体的轴线指向的振动导致两个柱体中相反的变形，意味着其中一个压缩而另一个伸长，但是沿着垂直于其指向的轴线的振动导致这对圆柱体的两个圆柱体中相同的变形。因为测量变形的系统构造为仅响应于两个本体之间的差分信号，所以不会导致净信号。

虽然有所述的优点，但上述振动传感器的几何形状使得其不允许对在井筒中可获得的空间最优地利用。尽管井筒具有基本上圆柱形的形状，但是所述传感器具有沿所有方向基本上相同的整体尺寸，因此其最适于设置在球形空间中。

该事实主要影响可从传感器实现的灵敏度，如众所周知的，该灵敏度与同一传感器的整体尺寸成正比。明显的是，实际上，上述类型的振动传感器的林敏度取决于光纤响应于给定的振动所经受的变形。如已知的，所述变形取决于围绕圆柱体缠绕的光纤的长度、圆柱体本身的直径以及检验质量块的尺寸。

更长的纤维、更大直径的圆柱体和更重的质量块将导致更高的灵敏度，但也导致更大的传感器。

上述类型的振动传感器还具有这样的缺点，即，其无法区分质量块的任何转动运动与根据三根轴的振动运动。因此，所述转动会产生测量误差。

本发明旨在克服与已知类型有的振动传感器有关的所有上述缺点。

具体地，本发明的一个目标是提出一种振动传感器，该振动传感器相较于上述的已知类型的传感器更适于在井筒中使用。

更确切地，本发明的目标是提出一种振动传感器，该振动传感器使得能够更有效地利用在给定的井筒轴可获得的空间，提供的灵敏度比起在同一井筒中通过使用已知类型的振动传感器能实现的灵敏度更高。

本发明的目标也是提出一种具有与已知类型的传感器的轴间抑制类似的轴间抑制的传感器。

所述目标通过根据柱权利要求构造的振动传感器来实现。

在相应的从属权利要求中描述了本发明的其它特征和细节。

有利地，假设它们在具有相同尺寸的井筒中使用，则作为本发明的主题的传感器的相较于已知类型的传感器的更高的灵敏度得能够实现更精确的振动测量。

仍然有利地，本发明使得能够对待挖掘从而能够容纳具有预先确定的灵敏度的传感器的井筒的直径进行限制。

所述目标和优点在对本发明的一些较佳实施例的描述中强调，所述目标和优点借助非限制性示例参照附图中示出，附图中：

-图1示出本发明的振动传感器的第一实施例的横截面图；

-图2示出图1的放大且局部剖切的细节；

-图3示出图1所示的传感器的纵向剖视图；

-图4和图5分别示出本发明的传感器的第二实施例的横截面图和纵向剖视图；

-图6和图7分别示出本发明的传感器的第三实施例的横截面图和纵向剖视图；

-图8示出本发明的传感器的第四实施例的横截面图；

-图9示出本发明的传感器的第五实施例的横截面图；

-图10示意地示出处于工作构造中的、本发明的传感器的一部分；

-图11示意地示出处于工作构造中的、根据另一实施例的、本发明的传感器的一部分。

根据图1至图3中示出的本发明的第一较佳实施例，振动传感器1包括设有腔室2a的支承结构2，该腔室容纳比腔室2a本身更小的检验质量块3。

所述质量块3通过多个弹性体4、5、7、8、9、10的插设而在腔室2a中悬置，该多个弹性体将质量块3沿着相对应的连接轴线19连接至支承结构2，图3中为了清楚起见仅示出连接轴线19中的一根。

较佳地但非必要地，每个弹性体4、5、7、8、9、10具有圆柱形形状，其轴线限定相对应的连接轴线19。

还较佳地，每个弹性体4、5、7、8、9、10由橡胶制成。

在本发明的变型实施例中，橡胶可由已知类型的任何等同材料替代。

光纤部分11与每个弹性体4、5、7、8、9、10接触，更确切地，该光纤部分围绕相对应的连接轴线19缠绕。具体地，每个光纤部分11限定具有预先确定的匝数的线圈。

该光纤部分11的长度可使用众所周知的光学技术来进行测量。较佳地，对最大灵敏度使用干涉仪(测量)的技术，但本领域已知的其它技术也可使用，诸如对在纤维部分11以内形成的长的、且较佳地为π偏移的光纤布拉格光栅的波长偏移进行测量，或对纤维中光的偏振态的变化进行测量。

检验质量块3具有根据主要参照方向z的细长的形状，并且较佳地其具有沿着所述方向的棱柱形状，例如是棒状的形状或杆状的形状。

较佳地，如图1所示，检验质量块3以基本上正方形的横截面沿所述主要参照方向z发展(延伸)。

根据在附图中未示出的本发明的一个变型实施例，检验质量块3以基本上圆形的横截面沿所述主要参照方向z延伸。

在任何情况下，腔室2a并且因此支承结构2也是根据所述主要方向z是细长的，并且较佳地具有大致圆柱形的形状。

可理解的是，具有如上所述的细长形状的振动传感器1比起已知类型的、具有在三个尺寸方面基本上相同的整体尺寸的振动传感器1允许了对在井筒中可获得的空间更高效的利用。

如图3所示，多个弹性体4、5、7、8、9、10包括两个或更多个第一弹性体7，该两个或更多个第一弹性体沿着主要参照方向z间隔开，并且设置为使得在检验质量块3沿垂直于主要参照方向z的第一参照方向x位移之后，它们全部被致使同时压缩，而在检验质量块3沿与第一参照方向x相反的方向位移之后，它们全部同时被沿着它们相对应的连接轴线19拉伸。

换言之，所有第一弹性体7设置为相对于检验质量块3在相对于一平面的同一侧上，该平面平行于主要参照方向z、正交于第一参照方向x并且与检验质量块3相交。

下文中，上述第一弹性体7总体将有时被称为“(一)组”弹性体，并且该组将使用与构成该组的弹性体相同的附图标记。这同样适用于将稍后限定的其它组弹性体。

注意到，上述第一参照方向x也隐含地包含了定向，即与第一弹性体7的压缩向对应的定向。如在下文中将是明了的，这同样适用于下面限定的其它参照方向。

可以理解的是，第一弹性体7使得振动传感器1能够检测根据第一参照方向x的振动，使得其与上文中描述的已知类型的振动传感器所允许的完全类似，因此提供相同的优点。

然而，在本发明的振动传感器1中，能够检测沿着第一参照方向x的振动信号的多个第一弹性体7的存在使得能够大大增加旨在用于检测沿着所述第一参照方向x传播的振动的相应的光纤11的总体长度。

具体地，在不增加第一弹性体7的长度或直径的情况下，并且因此是在不增加振动传感器1沿着第一参照方向x的总体尺寸的情况下，实现了光纤11的更长的长度，因此仅增加了沿者主要参照方向z的尺寸，然而，这与传感器1在井筒中的使用相容。

因此，可理解的是，上述振动传感器1，尽管适于在井筒中使用，但是也提供了沿垂直于井筒本身的方向的方向的高测量灵敏度，这因此使得能够实现本发明的目标之一。

具体地，所述传感器1比起具有同样总体尺寸的、根据现有技术的传感器所能实现的灵敏度提供了更高的灵敏度。

有利地，若干第一弹性体7的存在使得能够限制检验质量块3围绕垂直于主要参照方向z的方向的不期望的转动的影响，由此减小由所述转动所引起的干扰。

第一参照方向x可限定为平行于多个矢量的矢量和，该多个矢量分别具有与第一弹性体7的连接轴线19相同的方向，并且朝向检验质量块3定向。上述限定适用于第一弹性体7具有平行的连接轴线19的情况和具有不平行的连接轴线19的情况。上述限定也适用于将在下文中限定的其它参照方向。

然而，如果对第一参照方向和其它参照方向使用不同的限定，本发明也适用。

较佳地，多个弹性体4、5、7、8、9、10包括两个或更多个第二弹性体8，该两个或更多个第二弹性体沿着主要参照方向z间隔开，并且设置为使得在检验质量块3沿垂直于主要参照方向z和第一参照方向x两者的第二参照方向y位移之后，它们全部被致使同时压缩，而在检验质量块3沿与第二参照方向y相反的方向位移之后，它们全部同时被致使沿着它们相对应的连接轴线19拉伸。

有利地，除了第一弹性体7之外所述第二弹性体8的存在使得能够测量根据两个相互正交的参照方向中任一参照方向检测到的振动。

较佳地，多个弹性体也包括一个或多个第三弹性体9，该一个或多个第三弹性体沿着主要参照方向z间隔开，并且设置为使得在检验质量块3沿第一参照方向x、即，沿与全部第一弹性体7的压缩相对应的方向位移之后，它们全部被致使同时沿着它们对应的连接轴线19拉伸，而在检验质量块3沿与第一参照方向x相反的方向位移之后，它们全部同时沿着它们相对应的连接轴线19压缩。

换言之，第一弹性体7和第三弹性体9根据主要参照方向x设置在检验质量块3的相应的相对侧上。

有利地，上述第三弹性体9可与第一弹性体7一起以差分构造(differentialconfiguration)使用，以根据上述原理将由沿着第一参照方向x的振动所产生的测量信号和关于所述方向交叉的振动所导致的干扰信号区分开。

较佳地，每个第一弹性体7可与对应的第三弹性体9配对，一对中的两个弹性体基本上相同并且具有共线的连接轴线19。有利地，该布置有助于消除由相对于每对的各弹性体的连接轴线交叉地传播的振动所导致的信号，因为使用基本上相同的对将导致交叉的振动，产生在形成一对的每个半部的弹性体中基本上类似的干扰信号，而该干扰信号然后能根据上文中已提到的原理通过操作处于差分构造中的对来消除。

较佳地，多个弹性体也包括一个或多个第四弹性体10，该一个或多个第四弹性体沿着主要参照方向z间隔开，并且设置为使得在检验质量块3沿第二参照方向y、即，沿与全部第二弹性体8的压缩相对应的方向位移之后，它们全部被致使同时沿着它们的对应的连接轴线19拉伸，而在检验质量块3沿与第二参照方向y相反的方向位移之后，它们全部同时沿着它们相对应的连接轴线19被压缩。

换言之，第二弹性体8和第四弹性体10根据第二参照方向y设置在检验质量块3的相应的相对侧上。

第二弹性体8和第四弹性体10可具有相同的关系(相关性)，并且带来与上文对于第一弹性体7和第三弹性体9所提到的相同的优点。

较佳地，多个弹性体也包括第五弹性体4，设置为其对应的连接轴线19与主要参照方向z平行，从而将检验质量块3的一个端部连接到腔室2a的对应的端部。

有利地，除了第一弹性体7和第二弹性体8之外，第五弹性体4使得能够实现三轴矢量传感器，即，能够将任何振动分解为三个空间分量，即，第一参照方向x、第二参照方向y和主要参照方向z的传感器。

较佳地，多个弹性体也包括第六弹性体5，其具有平行于主要参照方向z并且沿着所述主要参照方向、相对于质量块3与第五弹性体4相对的相应的连接轴线19。

第五弹性体4和第六弹性体5可具有相同的关系(相关性)，并且带来与上文对于第一弹性体7和第三弹性体9所提到的相同的优点。

较佳地，每个第一弹性体7的连接轴线19与第一参照方向x在与主要参照方向z正交的平面上形成小于45°的角度。

借助刚才提到的构造，每个第一弹性体7的响应的主要分量指向根据第一参照方向x，有利于传感器1根据所述方向的整体响应。明显地，随着上述角度减小至零，该益处提升。

更佳地，上述连接轴线19都平行于对应的共同的参照平面，并且较佳地位于该共同的参照平面上。

与上文中对于第一弹性体7所公开的相同的特征较佳地应用于第二弹性体8、第三弹性体9和第四弹性体10中的任一个，对于其可限定对应的共同参照平面。

此外，较佳地，第一弹性体7和第三弹性体9的所有连接轴线19位于共同的第一参照平面16上，而第二弹性体8和第四弹性体10的所有连接轴线19位于对应的共同的第二参照平面17上。

根据图4和图5中示出的本发明的第二实施例，其中由13标示的传感器与前述实施例不同在于，第一弹性体7、第二弹性体8、第三弹性体9和第四弹性体10设置为，在检验质量块3围绕主要参照方向z转动之后，它们所有都被压缩，而在检验质量块3沿反方向转动之后，它们所有都被拉长。

较佳地，所述构造由此实现，将第一弹性体7设置为使得所有第一弹性体7的连接轴线19基本上平行，并且位于与主要参照方向z平行但从其偏离的第一参照平面16中，以及将第三弹性体9设置为使得所有第三弹性体的连接轴线19基本上平行，并且位于平行于第一参照平面16并且从其偏离的第二参照平面16a中，第一参照平面16和第二参照平面16a设置在主要参照方向z的对应的相对侧上。同样情形(作必要的修改)适用于第二弹性体8和第四弹性体10。

有利地，所述构造使得能够增加检验质量块3围绕主要参照方向z的稳定性，限制其围绕所述方向的转动，从而避免对应的测量误差。

同样有利地，当弹性体7、8、9、10的组如上所述地作为差分的对工作时，由上述转动引入到这些组中的任何残留信号会被抵消。

根据图6和图7中示出的本发明的第三实施例，上述优点通过弹性体7、8、9、10不同的构造来实现，在该构造中，第一弹性体7的其对应的连接轴线19基本上相互平行但位于两个或更多个不同的平面上，同样的情形可适用于第二弹性体8、第三弹性体9和第四弹性体10中的任一种。较佳地，第一弹性体7和第三弹性体9具有设置为使得在两个平行的平面16和16b上偏离的连接轴线19，而第二弹性体8和第四弹性体10具有设置为使得在两个平行的平面17和17b上偏离的连接轴线19。

较佳地，两个平面16和16b关于检验质量块3的纵向轴线对称，并且两个平面17和17b也是如此。

在图8中示出的本发明的第四实施例中，由12标示的传感器包括多个第五弹性体4和/或第六弹性体5。该构造使得能够增加可围绕本体4和/或5缠绕的纤维11的总长度，由此提高传感器的灵敏度，而不增大传感器沿着主要参照方向z的尺寸。

在所有上述的本发明的实施例中，各弹性体设置为基本上平行于相互正交的三个参照方向x、y、z。

图9中示出的本发明的第五实施例设想了一种由15标示的振动传感器，在该振动传感器中，第一弹性体7、第二弹性体8和第三弹性体9具有相互形成不同于90°的角度的并且较佳地基本上等于120°的角度的相应的参照方向x、v、w。

较佳地，第一弹性体7具有它们相应的连接轴线19，所有连接轴线19平行于共同的第一参照平面16，并且较佳地设置于其上；第二弹性体8具有它们相应的连接轴线19，所有的连接轴线19平行于共同的第二参照平面17，并且较佳地设置于其上；以及第三弹性体9具有它们相应的连接轴线19，所有连接轴线19平行于共同的第三参照平面18，并且较佳地设置于其上，其中，第一参照平面16、第二参照平面17和第三参照平面18中的每一个平行于所述主要参照方向z并且平行与对应的参照方向x、v、w。

有利地，所述传感器15相较于前述实施例具有减小的整体横向尺寸，并且使用更少的部件，虽然其提供良好的、关于主要参照方向z交叉的检验质量块3的良好的稳定性。。

在后一个实施例中，根据三个方向x、v、w检测到的振动信号可借助电子装置和/或软件来进行处理，该电子装置和/或软件适于将振动的各分量根据两个相互正交的方向进行分解，并且也适于根据检验质量块3围绕参照方向z的转动、独立于沿参照方向x、v或w的任何平移来计算信号。

在所有上述实施例中，第一弹性体7的光纤部分11相互连接，以从而形成单根纤维。同样的情形适用于第二弹性体8、第三弹性体9和第四弹性体10中的任一种。有利地，这使得能够对于各个参照方向x、y、z、v、w获得单独的信号，由此减小了设备的复杂性。

本发明的另一方面涉及信号的光学抑制，该信号与在位于沿着共同的参照轴线的弹性体7、8、9、10的各相对的组的每个组中的相同。这些共模信号由检验质量块3的轴间运动、即垂直于共同的轴线的运动导致，或由诸如热效应和/或质量块转动之类的其它干扰源导致。

有利地，这方面改进了如上所限定的传感器的精度，以及包括具有沿着共同的参照轴线对齐的相应的连接轴线19的两个弹性体的任何传感器的精度。

上述方面在图10中示意地示出，将已知的干涉仪的方法推广到用于通过将光纤部分11a和11b串联(连续地)连接来测量纤维的长度的变化，光纤部分11a和11b分别围绕设置在关于检验质量块3相对的侧上的两个弹性体4、5缠绕，并且具有根据平行于参照方向z的共同的轴线对齐的连接轴线19。两个光纤部分11a和11b具有基本上相同的长度。

明显地，上述构造可通过连接光纤部分11来在其它参照方向x、y上使用，光纤部分11围绕设置在关于检验质量块3相对的侧上的一对弹性体缠绕，并且根据平行于所述参照方向的共同的轴线对齐。

系统也包括三个部分反射元件20a、20b、20c，其适于反射波长的重叠范围。这些部分反射元件中的第一和第二个20a和20c分别设置在光纤部分11a和11b的自由端部处，而第三部分反射元件20b设置在光纤部分11a和11b之间的连接点处。较佳地但非必需的，部分反射元件是光纤布拉格光栅。

为了实现使用上文所公开的构造对振动信号的测量，光源21发出通过光环行器21a的光学信号，并且然后联接至例如围绕弹性体4缠绕的光纤部分11a的一个端部。由部分反射元件20a、20b和20c所反射的光学信号通过光环行器21a与来自光源21的入射光分离，并且该光学信号的已由上述部分反射元件20a、20b、20c以不同方式反射的两部分用干涉仪选择并进行比较。

具体地，在这样的两个信号部分之间进行比较，一个信号部分在光纤部分11a内由部分反射元件20b反射了两次且由部分反射元件20a反射了一次，因此其已行进(通过)这部分四次，另一个信号部分已双向行进两个光纤部分11a和11b的整体长度，因此已经由部分反射元件20c反射一次。

上述比较可例如通过这样来进行，即，确保由部分反射元件所反射的光具有的相干长度小于光纤部分11a、11b的长度，但也大于两个部分11a、11b之间长度方面的任何残差，使得上文提到的两个信号部分是系统输出部处仅有的两个相互相干的部分。

因为上述光纤部分11a、11b具有相同的长度，所以检验质量块3的任何轴间运动将会使它们拉伸相等的量，不会导致两个反射之间的净光学路径差异，因此没有净干扰信号。因此，该构造允许关于方向z的轴间信号的光学抑制。

明显地，与上述相同的效果可通过比较任何两个信号部分来实现，倘若一个部分行进通过仅一个弹性体，而另一部分行进通过两个弹性体，并且这两个部分沿着光纤行进基本相同的总体距离。

较佳地，上述系统用于检测来自超过一对的相对的弹性体的振动信号。在该情况下，与每个另一对相对应的光纤串联连接到第一对的上述光纤部分11a、11b。两对的响应可分别使用不同波长的通道来相互区分，其可借助波长分离器24来分开并且通过相应的检测器25、26来检测。

上述构造具有这样的优点，即，对于每对弹性体需要仅一个波长通道，即，仅一个对应的波长检测器，而不是像现有技术的波长复用系统中那样的两个，即对于每对内的每个弹性体需要一个。同时，由于能够连续地使信号平均，基于呈脉冲形式的光学信号，该构造相较于时间复用系统减小了噪音，其中，反射延迟允许区分对应于不同弹性体的信号。

同样有利地，因为在弹性体对中的差分测量直接在光域中进行，所以不存在像已知的系统中所需要的那样的在相减之前将来自两个弹性体的信号在电子件和/或软件中精确匹配。

在图11中示出的变型实施例中，将额外的路径长度插入到光纤部分11a、11b中的一个中，该额外的路径长度比起由部分反射元件所反射的光的相干长度更长，这由补偿干涉仪23匹配，并且允许后者将模制信号引入到光学系统中。该模制信号允许使用相位生成载波技术或本领域中已知的其它手段、诸如相移或光学频移来连续且毫无疑义地追踪干涉仪的相位。通过连续地追踪相位，避免了相位偏置和相位模糊的问题，其否则会在上文中所描述的更简单的方案中存在。

明显地，上文所公开的振动传感器实现了本发明的目标。

具体地，使用细长的检验质量块使得传感器特别适合于在井筒中使用。同时，设置在沿着检验质量块的纵向轴线的不同位置中的多个弹性体的存在使得能够从所述传感器性能等级实现，该传感器性能等级与由已知类型的传感器所提供的性能等级类似。

还有，对共模型号的直接光学抵消的使用导致了较高的轴间抑制而不使用额外的波长通道。