BRPI0601039B1

BRPI0601039B1 - Acelerômetro ótico e sistema de sensor sísmico

Info

Publication number: BRPI0601039B1
Application number: BRPI0601039-3A
Authority: BR
Inventors: J. Maas Steven; Richard Metzbower D.
Original assignee: Pgs Americas, Inc.
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2018-06-05
Also published as: BRPI0601039A; GB201007610D0; GB2467069B; GB2424700B; NO338426B1; US7222534B2; CA2535057C; GB201007608D0; AU2006201171B2; AU2006201171A1; CA2535057A1; GB0602549D0; GB2467068B; GB2467069A; GB2424700A; NO339563B1; EG24977A; GB2467068A; MXPA06003577A; US20060219009A1

Abstract

"acelerômetro ótico, inclinômetro ótico e sistema de sensor sísmico usando tais acelerômetro e inclinômetro". a presente invenção refere-se a um acelerômetro ótico que inclui um feixe e pelo menos uma fibra ótica afixada em um lado do feixe de tal modo que a deflexão do feixe muda um comprimento da fibra ótica. um meio para detectar a mudança no comprimento da fibra ótica é funcionalmente acoplado a pelo menos uma fibra. um sistema de sensor sísmico inclui pelo menos dois acelerômetros, orientados de modo que seus eixos sensíveis pelo menos sejam parcialmente alinhados ao longo das direções mutuamente ortogonais. cada acelerômetro inclui um feixe e pelo menos uma fibra ótica afixada em um lado do feixe de tal modo que a deflexão do feixe muda um comprimento de pelo menos uma fibra ótica. um meio para detectar a mudança no comprimento da fibra ótica é funcionalmente acoplado pelo menos a uma fibra de cada acelerômetro.

Description

(54) Título: ACELERÔMETRO ÓTICO E SISTEMA DE SENSOR SÍSMICO (51) Int.CI.: G01P 15/13 (30) Prioridade Unionista: 31/03/2005 US 11/095,860 (73) Titular(es): PGS AMÉRICAS, INC.

(72) Inventor(es): STEVEN J. MAAS; D. RICHARD METZBOWER

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ACELERÔMETRO ÓTICO E SISTEMA DE SENSOR SÍSMICO.

Referência Cruzada aos Pedidos Relacionados

Não aplicável

Documento referente à pesquisa ou desenvolvimento patrocinado federalmente

Não aplicável

Antecedentes da Invenção

Campo da Invenção

A invenção refere-se geralmente ao campo de dispositivos detectores de aceleração e inclinação óticos. Mais particularmente, a invenção refere-se aos acelerômetros e inclinômetros óticos usados para, porém não limitados a, detecção de energia sísmica.

Técnica Anterior

Dispositivos óticos para detectar parâmetros tais como aceleração, movimento e/ou pressão são usados para, entre outros propósitos, detectar a energia sísmica da subsuperfície da Terra. A energia sísmica pode ser aquela que ocorre naturalmente ou pode ser comunicada pela fonte de energia sísmica para o propósito de realizar sondagens sísmicas de reflexão. A detecção de energia sísmica pode incluir a detecção de pressão ou mudanças na pressão, em um corpo de água. Um sensor usado para medir tais mudanças na pressão é conhecido como um hidrofone. A detecção de energia sísmica também inclui a detecção do movimento em ou próximo à superfície da Terra. O movimento pode ser detectado usando dispositivos conhecidos como geofones. Os sinais de geofones são relacionados à velocidade do movimento. Os acelerômetros, que produzem os sinais relacionados à derivada de tempo de velocidade de movimento (aceleração), são também usados para detectar a energia sísmica. Os inclinômetros, que produzem sinais relacionados à orientação relativa de um dis30 positivo com respeito à atração gravitacional da Terra são usados para gerar os dados no local de um dispositivo com respeito ao nível e outros sensores no sistema.

Petição 870170097883, de 14/12/2017, pág. 4/13 • * » ♦ · ·

Os sensores conhecidos na técnica que respondem aos parâmetros físicos acima geram um sinal ótico em resposta aos parâmetros físicos detectados.

O sinal ótico pode ser, por exemplo, uma mudança no comprimento de onda refletida, uma mudança na fase ou um padrão de interferência em resposta às mudanças no parâmetro físico.

Geralmente, os sensores óticos conhecidos na técnica incluem um comprimento selecionado de fibra ótica afixada a um dispositivo que muda o formato em resposta às mudanças no parâmetro físico sendo detectado. A mudança no formato do dispositivo é transformada em uma mudança no comprimento da fibra ótica. A mudança no comprimento da fibra ótica pode ser detectada por uma de inúmeras diferentes técnicas de medição ótica. Tais técnicas incluem mudança no comprimento de onda refletida de luz como um resultado de uma mudança no comprimento de onda de uma grade de Bragg formada na fibra ótica ou acoplamento ótico de um feixe de luz transmitido através da fibra ótica com um feixe de luz transmitido através de uma outra fibra ótica, conhecida como fibra de referência. A fibra de referência pode ser disposta de tal modo que seu comprimento permaneça essencial mente inalterado independente do valor do parâmetro físico. Os feixes de luz da fibra afixada no dispositivo e a fibra de referência, são aco20 piados em um interferômetro ótico. Um padrão de interferência ou mudança de fase na luz gerada no interferômetro é relacionado à mudança no comprimento da fibra acoplada ao dispositivo, e assim no parâmetro físico sendo medido. Tipicamente, a saída do interferômetro é acoplada a um fotodetector, que gera um sinal elétrico relacionado à amplitude de luz aplicada ao fotodetector.

Um hidrofone ótico de fibra é descrito, por exemplo, na Patente norte-americana n° 5.625.724 publicada por Frederick e outros. O hidrofone descrito na Patente 5.625.724 inclui uma fibra de referência enrolada em torno de um cilindro interno rígido. Uma camada sólida de material confor30 mável é aplicada sobre a fibra de referência. O braço de detecção do interferômetro é envolto sobre a camada de material aplicado sobre a fibra de referência. O material externo é suficientemente conformável para prover sensi• · • · « bilidade acústica comparável àquela dos hidrofones sustentados a ar. Um outro hidrofone ótico de fibra é descrito na Patente norte-americana N° 6.549.488 publicada por Maas e outros e cedida a cessionária da presente invenção. Um hidrofone de acordo com Maas e outros. Patente 6.549.488 inclui um mandril detector conformável coaxial com e adjacente a um mandril de referência rígido. Uma primeira fibra ótica é enrolada em torno do mandril detector conformável. Uma segunda fibra ótica é enrolada em torno do mandril de referência. As primeira e segunda fibras óticas compreendem diferentes braços de um interferômetro. Os membros de vedação flexíveis, tais como anéis em O, vedam o mandril detector conformável em relação ao mandril de referência rígido. Em uma concretização, um anel em O está disposto próximo de cada extremidade do mandril detector. Um membro de suporte cilíndrico é disposto dentro do mandril detector. Pelo menos uma porção do membro de suporte é espaçada do mandril detector de modo a prover uma cavidade vedada entre o mandril detector e o membro de suporte. A cavidade vedada é enchida com o ar ou uma substância conformável similar.

A Patente norte-americana N° 5.369.485 publicada por Hofler e outros descreve um acelerômetro ótico em que o disco elástico e uma predeterminada massa são suportados por um corpo para flexão do disco devido à aceleração, choque, vibração e deslocamento do corpo em uma direção axial do disco. Tal disco, ou uma pluralidade de tais discos, é envolto com um par de espirais planos de fibra ótica, cada espiral sendo fixamente presa em um lado do disco correspondente de modo que a flexão do disco alongue uma espiral em um lado do disco e encurte uma espiral em um outro lado do disco. Tais espirais nos lados do disco voltando-se opostamente são conectados como pernas opostas de interferômetro ótico de fibra de modo que o interferômetro proporcione uma saída correspondente à amplitude da flexão. Um par simétrico (push-pull) de espirais pode ser disposto opostamente de um disco termocondutor para minimizar as diferenças de temperatura entre o par de espiral simétrico. Um acelerômetro de acordo com a descrição na patente de Hofler e outros é construído com um disco centralmente suportado tendo a massa distribuída em tomo da periferia do disco. Tal construção • · • ♦ • · · • · · · · · · * · · « « visa ser vantajosa para isolamento originário do esforço crescente e para prover uma pluralidade de discos coaxialmente montados para sensibilidade aumentada.

A Patente norte-americana n° 6,650.418 publicada por Tweedy e outros descreve um sensor ótico de fibra que inclui um disco flexível tendo um par de bobinas óticas de fibra montadas nos seus lados opostos e oticamente acoplado junto para formar um interfero metro que produz um sinal de saída em resposta à aceleração do disco flexível. O acelerômetro inclui um alojamento tendo primeira e segunda placas de extremidade com uma parede lateral que se estende entre as placas da extremidade. A parede lateral tem um sulco voltando-se para dentro no qual uma porção da borda externa do disco flexível é montada. Um amortecedor compressivo é montado no alojamento e disposto para exercer uma força compressiva no disco flexível para controlar o seu movimento em resposta à aceleração do disco flexível ao longo do eixo de detecção e controlar deste modo o sinal de saída.

A Patente norte-americana N° 6.575.033 publicada por Knudsen e outros descreve um acelerômetro altamente sensível, que inclui uma massa dentro do alojamento suspenso pelos membros de suporte que se opõem. Os membros de suporte são alternadamente envoltos em torno de um par de mandris fixos e da massa em uma disposição de simetria (push-pull). Peio menos uma porção de um dos membros de suporte compreende bobinas de fibra ótica como membros de suporte para uso nos processos de detecção interferométrico.

Mais recentemente, os sensores de movimento sensível de multidireção (multicomponente), em conjunção com hidrofones (OBCs com sensor duplos) substancialmente dispostos, têm sido usados no fundo de um corpo de água para sondagem sísmica marítima. Ver, por exemplo, a Patente Norte Americana N° 6.314.371 publicada por Monk, que descreve um processo para processamento de dados de OBC com sensor duplo que corrige o ângulo de incidência da energia, corrige a refletividade estimada e combina os traços de sensor sísmico corrigidos usando uma técnica de escalonamento de diversidade ótima. Em uma concretização, o processo descrito toma traços sísmicos de um geofone e um hidrofone, corrige o traço de geofone quanto ao ângulo de incidência, determina filtros de diversidade para combinar os traços de geofone e hidrofone, aplica os filtros de diversidade, estima um coeficiente de refletívidade para o fundo do oceano (potencial5 mente para diferentes ângulos de reflexão), escala os dados de geofone de acordo com a refletívidade e reaplica os filtros de diversidade para obter um traço combinado. Espera-se que o traço combinado tenha vários artefatos eliminados incluindo imagens, ou reflexões fantasma e reverberação e que tenha uma razão de sinal em relação ao ruído otimamente determinado.

É importante que os sensores de movimento em geral e, em particular, aqueles sensores usados nos OBCs com sensor duplo tenham boa sensibilidade, sejam relativamente insensíveis ao ruído e tenham boa rejeição ao sinal componente transversal( significando que os sensores de movimento são substancialmente insensíveis ao movimento ao longo de qual15 quer direção, exceto da direção axial sensível). Conseqüentemente, há uma necessidade contínua de sensores de movimento e/ou de aceleração que tenham melhorada sensibilidade, reduzida sensibilidade ao ruído e reduzida sensibilidade a componente transversal.

Sumário da Invenção

Um aspecto da invenção é um acelerômetro ótico. Um acelerômetro de acordo com este aspecto da invenção inclui um feixe e pelo menos uma fibra ótica afixada em um lado do feixe de tal modo que a deflexão do feixe muda um comprimento da fibra ótica. Meios para detectar a mudança no comprimento da fibra ótica são funcionalmente acoplados a pelo menos uma fibra.

Um outro aspecto da invenção é um sistema de sensor sísmico. Um sistema de acordo com este aspecto da invenção inclui pelo menos dois acelerômetros. Cada acelerômetro compreende um feixe e pelo menos uma fibra ótica afixada a um lado do feixe de tal modo que a deflexão do feixe muda um comprimento da fibra ótica. Pelo menos os dois acelerômetros são orientados de modo a serem sensíveis à aceleração pelo menos em parte ao longo das direções mutuamente ortogonais. Meios para detectar a mudança ♦ · « a · · na extensão da fibra ótica em cada um dos aceierômetros são funcionaimente acoplados a cada fibra.

Um outro aspecto da invenção é um sistema de orientação de gravidade. Um sistema de acordo com este aspecto da invenção inclui três aceierômetros, cada acelerômetro tendo um feixe e pelo menos uma fibra ótica afixada em um lado do feixe de tal modo que a deflexão do feixe muda um comprimento da fibra ótica. Pelo menos os três aceierômetros são cada qual orientados para ser sensíveis à aceleração pelo menos em parte ao longo das direções mutuamente ortogonais. A pelo menos uma fibra em cada acelerômetro compreende uma grade de Bragg na mesma, de tal modo que uma orientação com relação à gravidade da Terra de um eixo de deflexão de cada feixe é determinável pela medição de uma mudança no comprimento de onda da luz refletida pela grade de Bragg. Por assim medir, a mudança no comprimento da grade de Bragg, uma orientação de cada acelerômetro e assim do sistema com relação à gravidade da Terra é determinável.

Outros aspectos e vantagens da invenção se tornarão evidentes a partir da seguinte descrição e reivindicações anexas.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 mostra uma vista lateral de uma concretização de um acelerômetro de acordo com a invenção.

A Figura 2 mostra uma vista do topo do acelerômetro mostrado na Figura 1.

A Figura 3 mostra uma vista lateral de uma outra concretização de um acelerômetro.

A Figura 4 mostra uma vista oblíqua de um sistema de sensor sísmico de multicomponentes, de acordo com um outro aspecto da invenção.

A Figura 5 mostra uma concretização de um interferômetro usado para determinar a mudança no comprimento de fibras em várias concretizações de aceierômetros.

A Figura 5A mostra uma disposição alternativa de interferômetro.

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A Figura 6 mostra um feixe de acelerômetro suportado em ambas as extremidades longitudinais.

A Figura 7 mostra uma concretização particular de um feixe de acelerômetro.

A Figura 8 mostra uma concretização do sistema de detecção ótico usado para determinar a orientação de gravidade (inclinômetro) de um acelerômetro.

A Figura 9 mostra uma concretização alternativa de inclinômetro.

A Figura 10 mostra uma concretização do inclinômetro mostrado na Figura 9 quando montado em um sistema de sensor de acordo com a Figura 4.

A Figura 11 mostra uma concretização alternativa de um inclinômetro.

A Figura 11A mostra uma concretização alternativa de um inclinômetro que trabalha em um princípio similar ao dispositivo mostrado na Figura 11.

A Figura 12 mostra um exemplo do sistema de sensor sísmico de multicomponentes incluindo inclinômetros como mostrado na Figura 11. Descrição Detalhada da Invenção

Geralmente, os acelerômetros de acordo com os vários aspectos da invenção trabalham no princípio do feixe de deflexão, em que o feixe é tipicamente suportado pelas suas extremidades longitudinais. Suportar o feixe nas suas extremidades longitudinais evita substancialmente a flexão do feixe em qualquer direção transversal ao plano do feixe. A Figura 1 mostra uma concretização de um conjunto de feixe do acelerômetro 10 incluindo um feixe 12 que pode ser feito de plástico ou outro material apropriado sujeito à deformação elástica sob aceleração. O feixe 12 tem dimensões mostradas na figura 1 por 12 X, que é a extensão ou dimensão longitudinal e 12Z que é a dimensão da espessura. O plano do feixe 12 é transversal a dimensão da espessura 12Z. As dimensões 12X e 12Z deverão ser selecionadas para possibilitar uma flexão relatívamente livre na direção da espessura 12Z enquanto prevenindo substancialmente qualquer flexão do feixe ao longo da dimensão longitudinal 12X. A concretização mostrada na Figura 1 inclui uma fibra ótica 14 afixada a uma face ou lado do feixe 12. Afixação da fibra 14 ao feixe 12 pode ser realizada pela ligação de adesivo ou técnica similar.

Na concretização da Figura 1, uma segunda fibra ótica 16 é

- 5 mostrada afixada na face oposta do feixe 12. Como o feixe 12 deflete sob aceleração ao longo da direção da espessura 12Z, as fibras óticas 14, 16 são esticadas ou comprimidas, dependendo da direção da deflexão do feixe 12. O esticamento e a compressão de uma fibra 14 está na polaridade oposta àquela da outra fibra 16 porque elas estão dispostas nos lados opostos do feixe 12. Tais disposições são conhecidas como conexões de simetria de fibras óticas.

Um sinal proveniente do acelerômetro relativo a aceleração aplicada ao mesmo é gerado pela determinação de uma mudança na extensão da fibra ótica 14, se apenas uma fibra for usada ou ambas as fibras 14, 16.

Nas concretizações práticas, a medição da mudança na extensão da fibra pode ser realizada por um interferômetro ótico. As conexões óticas e o uso das fibras 14, 16 como parte de um interferômetro para gerar um sinal de resposta à aceleração serão explicadas abaixo com referência às Figuras 5 e 5A . Deverá ser entendido que um acelerômetro de acordo com a invenção requer apenas uma fibra ótica afixada em uma face ou outra do feixe tal como fibra 14 ou 16. A concretização da fibra dual das Figuras 1 e 2 pretende ter sensibilidade aumentada quando comparada àquela esperada da implementação de fibra simples.

A Figura 2 mostra uma vista do topo do conjunto de feixe do acelerômetro 10. O feixe 12 tem uma dimensão da largura 12Y. Como mostrado na Figura 2, a fibra ótica 16 pode ser disposta em torno da face do feixe 12 em um formato geralmente oval para maximizar a quantidade de fibra disposta ao longo da dimensão longitudinal (12X na Figura 1), enquanto minimizando grau de curvatura dentro da fibra 16 de modo a minimizar perdas óticas na fibra 16. A dimensão da largura 12Y deverá ser selecionada para tornar o feixe 12 rígido o suficiente ao longo da direção da largura para resistir à flexão, porém não muito grande como a induzir qualquer grau apreciável

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de curvatura ou torsão no feixe 12 sob aceleração oblíqua.

Uma outra concretização de um conjunto de feixe de aceleróme tro, mostrada na Figura 3, pode incluir uma massa reativa 18, 20 afixada em uma ou ambas as faces do feixe 12, geralmente no seu centro. As massas 18, 20 aumentam a quantidade de deflexão do feixe 12 sob qualquer dada quantidade de aceleração e assim aumentam a sensibilidade toda do acelero metro.

Um sistema de sensor sísmico de multicomponentes prático pode ser fabricado de uma pluralidade de acelerômetros tais como explicados com referência às Figuras 1 a 3. A Figura 4 mostra uma concretização de um tal sistema de sensor sísmico de multicomponente. O sistema inclui três acelerômetros óticos, 10X, 10Y, 10Z, cada qual orientado de tal modo que sua direção sensível fica ao longo de uma direção mutuamente ortogonal daquela de outros dois acelerômetros. Os acelerômetros tendo que ser mutuamente ortogonais facilita a determinação da direção da qual a energia sísmica detectada se origina, todavia, deverá ser entendida que a ortogonalidade mútua dos acelerômetros é uma questão de conveniência no desenho do sistema de sensor. Outras disposições dos eixos sensíveis dos acelerômetros podem ser usadas nas concretizações diferentes, enquanto mantendo a capacidade de determinar a direção da energia sísmica.

Os acelerômetros 10X, 10Y, 10Z podem ser encerrados em um invólucro 22 à prova d’água e resistente à pressão, possibilitando que o sistema seja submerso em líquido. Tal seria então o caso em que o sistema é usado em um sistema de pesquisa sísmico marítimo ou em uma instalação de sensor permanente tal como seria usado no chão do mar ou em um furo do poço.

Uma concretização de um interferômetro e componentes associados usados para gerar um sinal responsivo à aceleração proveniente da deflexão do feixe é mostrada em 29 na Figura 5. As fibras óticas 14, 16 providas nos lados opostos do feixe (12 na Figura 1) são cada qual mostradas oticamente acopladas por uma extremidade em um separador de feixe 26 e acopladas por uma outra extremidade a um combinador 28. Uma fonte de

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luz tal como diodo a laser 24 é acoplada à entrada do separador de feixe 26 e proporciona a luz de laser a cada fibra 14, 16. Um fotodetector 30 é aco piado à saída do interferômetro 29 e produz um sinal elétrico correspondente ao sinal ótico gerado no interferômetro 29. Assim, a deflexão do feixe (12 na Figura) sob aceleração ao longo da direção da espessura (12Z na Figura 1) é convertida em sinal elétrico. Dependendo da disposição particular de um sistema de sensor sísmico, o diodo a laser 24 e o fotodetector 30 podem ser dispostos na superfície da Terra ou na superfície d’água, e o separador de feixe e o combinador 28 dispostos próximo do acelerõmetro (12 na Figura 1). Todavia, outras concretizações podem localizar diodo a laser e o separador de feixe próximos do interferômetro tal como no invólucro (22 na Figura 4). O sistema de interferômetro ótico mostrado na Figura 5 é geralmente conhecido como um interferômetro Mach-Zehnder.

Alternativa mente, como mostrado na Figura 5A, um interferômetro Michelson pode ser usado. O interferômetro Michelson 29A é feito pela substituição do combinador (28 na Figura 5) com espelhos 31A e 31B nas extremidades distais de cada fibra 14, 16. A luz que passa através das fibras 14, 16 é refletida atrás pelos espelhos 31A , 31B. A luz refletida atrás é recombinada no separador de feixe 26A de tal modo que o deslocamento de fase e/ou padrão de interferência pode ser detectado pelo fotodetector 30.

Outros tipos de interferômetros que podem ser usados com várias concretizações de acelerõmetro incluem interferômetros de Fabry-Perot e Sagnac. Nas concretizações que usam um interferômetro de Fabry-Perot, a fibra (também 14 ou 16 na Figura 1) afixada em uma ou na face oposta do feixe pode ser excluída. A fibra restante (16 ou 14 na Figura 1) pode incluir uma grade Bragg na mesma onde a fibra é afixada no feixe (12 na Figura 1) para possibilitar a determinação de uma mudança na extensão da fibra pela medição da mudança no comprimento da onda de luz refletida atrás, através da fibra. Conseqüentemente, o sistema de interferômetro particular usado em várias concretizações não é uma limitação no escopo da invenção. Uma aplicação particular para uma grade Bragg em uma ou em ambas as fibras 14, 16 serão explicadas com referência à Figura 8.

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A Figura 6 mostra uma vista lateral do feixe 12 e suportes 32 nas extremidades longitudinais do feixe 12. Ao suportar o feixe 12 nas suas extremidades longitudinais e pelas dimensões apropriadas (12X, 12Z na Figura 1 e 12Y na Figura 2), a flexão do feixe 12 será substancialmente limitada à dimensão da espessura (12Z na Figura 1). Assim, a limitação da flexão do feixe 12 proporciona um conjunto de feixe de acelerômetro (10 na figura 1) com um alto grau de rejeição de componente transversal ou insensibilidade. A avaliação inicial do acelerômetro como mostrado na Figura 1 indica uma rejeição de componente transversal maior do que 30 dB.

Como será facilmente apreciado, suportando rígido e fixamente o feixe 12 em ambas as extremidades longitudinais podem prover um alto grau de rejeição de componente transversal, porém pode limitar a quantidade de deflexão de feixe (e assim a sensibilidade) na direção da espessura. A deflexão do feixe seria limitada em tais casos porque o feixe necessariamente teria que se alongar ao longo da direção longitudinal (12X na Figura 1) se o feixe for rígido e fixamente suportado em ambas as extremidades. Para aumentar a quantidade de deflexão enquanto mantendo alta rejeição de componente transversal, uma disposição tal como mostrada na Figura 7 pode ser usada para suportar o feixe 12 nas suas extremidades longitudinais. Os furos de montagem 13 em uma extremidade podem ser providos para rosca de tampão ou similar. A outra extremidade pode incluir aberturas alongadas 15 de tal modo que sob flexão, quando a dimensão longitudinal for reduzida por uma quantidade proporcional, a outra extremidade do feixe 12 fica livre para se mover longitudinaimente, porém substancialmente de modo não transversal em relação à direção longitudinal.

A Figura 8 mostra uma concretização particular, que pode ser usada para determinar uma orientação do acelerômetro com relação à gravidade da Terra bem como realizar as medições da aceleração. Uma fibra 14A inclui uma grade Bragg 14B na mesma. A Fibra 14A pode ser afixada a um feixe substancialmente como explicado com referência à Figura 1. Uma fonte de luz 24A, tal como um diodo a laser, é oticamente acoplada a uma extremidade da fibra 14A através de um separador de feixe 25. A fibra 14A « * ♦ # • « · pode incluir um espelho 17 na sua outra extremidade. Um fotodetector 30 é acoplado a outra saída do separador de feixe 25. A saída do fotodetector 30 pode ser acoplada a um analisador espectral 31. Assim, o comprimento de onda da luz refletida pela grade de Bragg 14B é relacionado ao grau de alongamento da grade de Bragg 14B. O acelerômetro pode ser usado para determinar a sua orientação pela calibração do comprimento da onda refletida pela grade de Bragg tanto na gravidade zero como na unidade (gravidade 100%). As medições do comprimento da onda da luz refletida podem ser relacionadas à orientação do acelerômetro com relação à gravidade pelas bem-conhecidas relações trigonométricas.

Na presente concretização, o acelerômetro pode ser calibrado para gravidade zero pela orientação do feixe (12 na Figura 1) de tal modo que a espessura ou deflexão, ou dimensão do feixe (12Z na Figura 1) é orientada transversalmente a gravidade de Terra. Um comprimento de onda da luz refletida pela grade de Bragg 14B é medido pelo analisador espectral 1. Então o feixe é orientado de tal modo que sua direção de deflexão (12Z na Figura 1) é diretamente ao longo da gravidade da Terra e comprimento de onda da luz refletida pela grade de Bragg 14B é novamente medida. O comprimento da onda da luz refletida pela grade de Bragg 14B mudará quando a fibra 14A é estendida pela deflexão do feixe e conseqüente alongamento da grade de Bragg 14B. A orientação relativa do acelerômetro com relação à gravidade de terra será assim relacionada ao comprimento da onda da luz refletida da grade de Bragg 14B. Os componentes óticos descritos com referência à Figura 8 podem estar incluídos como uma fibra separada em qualquer acelerômetro particular ou, como mostrado na Figura 8, podem estar incluídos na mesma fibra usada no sensor de acelerômetro.

Em um sistema de sensor de multicomponentes tal como mostrado na Figura 4, três acelerômetros mutuamente ortogonais podem cada qual incluir uma fibra tendo uma grade de Bragg na mesma. Os componentes óticos associados podem ser usados para possibilitar a determinação de uma mudança no comprimento da grade, como mostrado na Figura 9. Na concretização da Figura 9, uma fibra ótica simples 33 pode incluir três gra13 des de Bragg separadas 35, 37, 39 na mesma. Cada grade de Bragg 35, 37, 39 é afixada a um dos três feixes de aeeierômetro, como será explicado com referência à Figura 10. Um espelho 17A na extremidade da fibra pode ser usada para refletir a luz. Cada grade de Bragg 35, 37, 39 será alongada e assim refletir um comprimento de onda particular, com base na orientação do correspondente feixe de acelerômetro com respeito a gravidade de Terra. Assim, a orientação do sistema de sensor pode ser inferida pela medição do comprimento da saída da onda da grade de Bragg de cada uma das três grades de Bragg 35, 37, 39 e assim a orientação de cada acelerômetro com respeito à gravidade. A orientação do sistema de sensor todo com respeito à gravidade pode ser determinada das três medições do componente de gravidade de acelerômetro individual usando relações trigonométricas conhecidas. Algumas concretizações do feixe de acelerômetro de acordo com a concretização da Figura 9 pode incluir uma ou mais massas reativas acopladas ao mesmo, tal como mostrado na Figura 3.

A Figura 10 mostra a concretização da fibra simples do inclinômetro da Figura 9 em que cada grade de Bragg 35, 37, 39 na fibra 33 é afixada em um correspondente dos feixes de acelerômetro 12Y, 12Z, 12X. Cada feixe 12Y, 12X, 12Z desviará em relação à orientação de cada feixe com relação à gravidade de Terra. Se um feixe particular for transversal à gravidade, sua deflexão de gravidade será substancialmente zero. A deflexão máxima e correspondente mudança no comprimento da grade de Bragg ocorrerão quando uma direção de deflexão de feixe de acelerômetro é substancialmente alinhada com a gravidade de Terra. A orientação pode ser inferida pelas bem-conhecidas fórmulas usando as medições dos componentes ortogonais da gravidade de Terra. Na concretização da Figura 10, os feixes de acelerômetro podem ser orientados substancialmente de modo ortogonal. Outras concretizações podem incluir uma fibra separada para cada grade de Bragg ou podem incluir uma grade de Bragg nas mesmas fibras de detecção usadas em um ou mais tipos de interferômetro para detectar a energia sísmica, como explicado com referência às Figuras 1 - 4.

Uma outra concretização de um inclinômetro 50, mostrado na • · ······ * · · · · · • ·····« ν ♦ · · ♦ β • ft « · · « ··· · · · ·

Figura 11, pode prover uma deformação aumentada em uma grade de Bragg / ^rf de fibra com respeito à atração gravitacíonai da Terra pela massa que carre ga a grade de Bragg da fibra diretamente. Tal carregamento direto da massa pode aumentar a precisão da medição da inclinação. Como mostrado na

Figura 11, os mancais lineares ou algum outro dispositivo de restrição de alta precisão 47 possibilitam que as massas 42, 43 deslizem ao longo de uma armação ou haste 40 como um resultado da força criada pela gravidade da Terra. O acoplamento de uma fibra 44 tendo uma grade de Bragg na mesma aos mancais 47 e, assim, operativa mente às massas 42, 43 e adição de uma parada positiva ou dispositivo de retenção 41 em cada extremidade da porção da haste 40 para que o deslocamento da massa seja permitido possibilitando que a grade de Bragg 5 seja deformada por uma das massas

43, 42, independente da orientação do dispositivo com relação à gravidade.

Por exemplo, na orientação mostrada na Figura 11, a massa superior 42 é parada pelo dispositivo de retenção 41, enquanto a massa inferior 43 pode ser movida quando atraída pela gravidade de modo a deformar a fibra 44. Se o acelerômetro for girado de modo que a massa inferior 43 fique acima da massa superior 42, a massa inferior 43 será parada pelo dispositivo de retenção 41 e a massa superior 42 moverá quando carregada pela gravidade.

A atração diretamente na fibra 44, como mostrado na Figura 11, pode induzir mais deformação na grade de Bragg 45 criando um deslocamento do comprimento de onda maior. Uma vez que as massas 42 e 43 se deslocam ao longo da haste 40 nos mancais lineares, as massas 42 e 43 são substancialmente prevenidas do movimento, exceto ao longo da haste 40. Pela limitação do movimento das massas 42, 43 ao longo da haste 40, o inclínômetro 50 é substancialmente sensível apenas em relação ao componente de aceleração (isto é,gravidade de Terra) que atua ao longo do comprimento da haste 40 e assim possui alta rejeição de componente transversal. O inclinômetro 50 mostrado na Figura 11 pode ser calibrado substancialmente como explicado acima com referência à Figura 9.

Uma disposição alternativa de um inclínômetro que trabalha geralmente no mesmo princípio que do disposiivo mostrado na Figura 11 é • · · • · * mostrada esquematicamente na Figura 11 A. Uma massa 42A é suspensa ao longo de uma haste 40A pelos mancais lineares 47A, de tal modo que a massa 42A pode se mover ao longo da direção da haste 40A, porém é substancialmente restringida do movimento em qualquer outra direção. Uma fibra otica 44A tendo uma grade de Bragg 45A na mesma é acoplada à massa 42A de tal modo que a massa 42A é disposta ao longo da fibra 44A entre dois pontos de suspensão de fibra 44B. A fibra 44A é também afixada nos pontos de suspensão 44B. À medida que a gravidade atua na massa 42A, esta coloca-se na fibra 44A e leva sua extensão a se mudar, que é detectável pela mudança no comprimento de onda de reflexão da luz da grade de Bragg 45A. No princípio da operação e calibração, o dispositivo mostrado na Figura 11A opera-se substancialmente de modo similar ao dispositivo mostrado na Figura 11. A concretização mostrada na Figura 11A possui a vantagem de ser operável em qualquer orientação com respeito à gravidade usando apenas uma massa simples e não requerendo nenhum dispositivo de retenção como no dispositivo mostrado na Figura 11.

A Figura 12 mostra uma concretização de um sistema de sensor sísmico de multicomponentes incluindo três inclinômetros mutuamente ortogonais 50X, 50Y, 50Z e três acelerômetros mutuamente ortogonais 10X, 10Y, 10Z. O sistema na Figura 12 é similar no princípio operativo àquele mostrado na Figura 10, todavia os inclinômetros 50X, 50Y, 50Z são do tipo explicado com referência à Figura 11. As referências X, Y e Z referem-se aos eixos sensíveis individuais do sistema de sensor, que pela conveniência podem ser rotulados de tal modo que os eixos normalmente dispostos no sentido horizontal são X e Y e o eixo verticalmente disposto é Z. O sistema pode ser disposto em um invólucro hermético a água 22 como são outras concretizações tais como explicado com referência à Figura 4 e Figura 10.

Os acelerômetros óticos, os inclinômetros óticos e os sistemas de sensor feitos com tais acelerômetros de acordo com a invenção podem proporcionar maior sensibilidade, maior rejeição de componente transversal e melhorada confiabilidade sobre os acelerômetros elétricos e óticos conhecidos na técnica.

Embora a invenção tenha sido descrita com relação ao número limitado de concretizações, aqueles versados na técnica, que são beneficiados por este relatório, apreciarão que outras concretizações podem ser concebidas que não se distanciam do escopo da invenção como descrito aqui.

Conseqüentemente, o escopo da invenção deverá ser limitado apenas pelas reivindicações apensas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Acelerômetro, compreendendo: uma estrutura (22);

um feixe (12);

5 pelo menos uma fibra ótica (14) afixada em um lado do feixe (12) de tal modo que a deflexão do feixe (12) muda uma comprimento da fibra ótica (14); e um meio para detectar (30) a mudança no comprimento da fibra ótica (14); caracterizado pelo fato de que o feixe (12) é suportado em suas

10 extremidades longitudinais (13, 15) na estrutura (22), pelo menos uma extremidade longitudinal (15) é suportada de modo a possibilitar o movimento longitudinal quando o feixe (12) é defletido.
2. Acelerômetro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma fibra ótica adicional (16) afixada no

15 outro lado do feixe (12) de tal modo que a deflexão do feixe (12) muda um comprimento da fibra adicional (16) oposta em polaridade à mudança em comprimento da pelo menos uma fibra ótica afixada em um lado do feixe.
3. Acelerômetro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma massa (18) afixada no feixe (12)

20 de tal modo que uma magnitude da deflexão do feixe (12) é aumentada com relação a uma magnitude de uma aceleração aplicada ao feixe (12).
4. Acelerômetro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio para detectar compreende um interferômetro de Michelson (29A).

25 5. Acelerômetro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio para detectar compreende um interferômetro de Fabry-Perot.

6. Acelerômetro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio para detectar compreende um interferômetro de

30 Mach-Zehnder.

7. Acelerômetro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um sensor de comprimento de onda da

Petição 870170097883, de 14/12/2017, pág. 5/13 luz (31) oticamente acoplado a pelo menos uma fibra (14) e em que a pelo menos uma fibra (14) compreende uma grade de Bragg (14B) na mesma, de tal modo que uma orientação com relação à gravidade de Terra de um eixo de deflexão do feixe (12) é determinável pela medição de uma mudança no
5 comprimento de onda da luz refletida pela grade de Bragg.
8. Acelerômetro de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma segunda fibra ótica (16) afixada no feixe (12) de tal modo que a deflexão do feixe (12) muda um comprimento da segunda fibra (16), a segunda fibra tendo uma grade de Bragg (14B) na

10 mesma, a segunda fibra oticamente acoplada ao detector de comprimento de onda (31) de tal modo que uma orientação do acelerômetro com relação à gravidade de Terra é determinável pela medição de uma mudança no comprimento de onda da luz refletida pela grade de Bragg (14A).
9. Sistema de sensor sísmico que compreende acelerômetros

15 como definido na reivindicação 1 caracterizado por:

pelo menos dois acelerômetros, cada qual compreendendo uma estrutura (22) um feixe (12) e pelo menos uma fibra ótica (14) afixada em um lado do feixe de tal modo que a deflexão do feixe (12) muda um comprimento da fibra ótica (14), pelo menos os dois acelerômetros orientados para se20 rem sensíveis à aceleração pelo menos em parte ao longo das direções mutuamente ortogonais; em que cada feixe (12) é suportado em suas extremidade longitudinais (13, 15) em sua respectiva estrutura (22), pelo menos uma extremidade longitudinal (15) é suportada de modo a possibilitar o movimento longitudinal quando o feixe (12) é defletido; e

25 meios para detectar a mudança no comprimento da fibra ótica (14) em cada um dos acelerômetros.
10. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cada acelerômetro ainda compreende:

uma fibra ótica adicional (16) afixada no outro lado do feixe (12)

30 de tal modo que a deflexão do feixe muda um comprimento da fibra adicional oposta em polaridade à mudança em comprimento pelo menos de uma fibra ótica afixada em um lado do feixe.

Petição 870170097883, de 14/12/2017, pág. 6/13
11. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação 9 caracterizado pelo fato de que compreende ainda compreendendo uma massa (18) afixada em cada feixe (12) de tal modo que uma magnitude da deflexão de cada feixe é aumentada com relação à magnitude de uma acele5 ração aplicada a cada feixe (12).
12. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cada meio para detectar compreende um interferômetro de Michelson.
13. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação 9, 10 caracterizado pelo fato de que cada meio para detectar compreende um interferômetro de Fabry-Perot.
14. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cada meio para detectar compreende um interferômetro de Mach-Zehnder.
15 15. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um sensor de comprimento de onda da luz oticamente acoplado a pelo menos uma fibra em cada acelerômetro, e em que pelo menos uma fibra em cada acelerômetro compreende uma grade de Bragg na mesma, de tal modo que uma orientação

20 com relação à gravidade da Terra de um eixo de deflexão de cada feixe é determinável pela medição de uma mudança no comprimento de onda de luz refletida pela grade de Bragg.
16. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:

25 três acelerômetros, cada acelerômetro compreendendo uma estrutura, um feixe e pelo menos uma fibra ótica afixada em um lado do feixe de tal modo que a deflexão do feixe muda um comprimento da fibra ótica, os pelo menos três acelerômetros orientados para serem sensíveis à aceleração pelo menos em parte ao longo das direções mutuamente ortogonais;

30 meios para detectar a mudança no comprimento da fibra ótica em cada um dos acelerômetros; e em que pelo menos uma fibra em cada acelerômetro compreenPetição 870170097883, de 14/12/2017, pág. 7/13 de uma grade de Bragg na mesma, de tal modo que uma orientação com relação à gravidade da Terra de um eixo de deflexão de cada feixe (12) é determinável pela medição de uma mudança em um comprimento de onda de luz refletida pela grade de Bragg, de tal modo que uma orientação do sis5 tema com relação à gravidade da Terra é determinável, em que cada feixe é suportado em suas extremidades longitudinais em sua respectiva estrutura, pelo menos uma extremidade longitudinal é suportada de modo a possibilitar o movimento longitudinal quando o feixe é defletido.
17. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação

10 16, caracterizado pelo fato de que a fibra ótica em cada acelerômetro é a mesma fibra, a mesma fibra tendo uma grade de Bragg em que a mesma fibra é afixada em cada feixe, cada grade de Bragg refletindo um comprimento de onda selecionado da luz.
18. Sistema de sensor sísmico que compreende acelerômetros 15 como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende:

três acelerômetros, cada qual compreendendo um feixe (12) suportado em uma estrutura (22) em suas extremidades longitudinais (13, 15), pelo menos uma extremidade longitudinal (15) de cada feixe (12) sendo su20 portada de modo a possibilitar movimento longitudinal quando o feixe (12) é defletido, e pelo menos uma fibra ótica (14) afixada em um lado do feixe (12) de tal modo que a deflexão do feixe (12) muda um comprimento da fibra ótica (14), os três acelerômetros orientados para serem sensíveis à aceleração pelo menos em parte ao longo das direções mutuamente ortogonais; e

25 uma grade de Bragg (14B) pelo menos na fibra ótica (14) em cada acelerômetro; e meios para medição de um comprimento de onda (31) de luz refletida por uma grade de Bragg, de tal modo que uma orientação com respeito à gravidade da Terra de um eixo de deflexão de cada feixe é determi30 nável pela medição de uma mudança no comprimento de onda de luz refletida pela grade de Bragg, de tal modo que uma orientação do sistema com relação à gravidade da Terra é determinável.

Petição 870170097883, de 14/12/2017, pág. 8/13
19. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que os três acelerômetros são mutuamente ortogonais.
20. Sistema de sensor sísmico de acordo com a reivindicação

5 18, caracterizado pelo fato de que cada feixe de acelerômetro compreende uma massa reativa no mesmo.

Petição 870170097883, de 14/12/2017, pág. 9/13

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