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CA 02551502 2006-07-04
La présente invention concerne le domaine des capteurs sismiques
à fibre optique.
Pius précisément, la présente invention concerne des capteurs
sismiques à fibre optique de très grande sensibilité, basés sur une
structure flextensionnelle.
La présente invention concerne en particulier des capteurs
sismiques à fibre optique qui sont des capteurs de vibrations, type
accéléromètre.
La présente invention s'applique en particulier au domaine de la
prospection pétrolière et peut s'appliquer à tout domaine mettant en
ceuvre des capteurs sismiques.
L'homme de l'art connaît de nombreuses réalisations de capteurs
sismiques à fibre optique.
Les capteurs sismiques à fibre optique utilisent une méthode
interférométrique pour interpréter les perturbations extérieures
(pression, vibrations,...) appliquées à une fibre optique, perturbations
correspondant à une grandeur à mesurer. Certaines propriétés de la
fibre optique (indice et longueur) sont modifiées sous l'effet de ces
grandeurs à mesurer. La modification de ces propriétés de la fibre
optique produit des changements sur le temps de propagation des
signaux optiques s'y propageant. Les changements de temps de
propagation des signaux optiques, interprétés par une méthode
interférométrique, sont ainsi représentatifs des perturbations des
grandeurs à mesurer.
Certains de ces capteurs sismiques à fibre optique, basés sur la
mesure de ia déformation et/ou sur le changement d'indice de la fibre
optique, sont formés d'une fibre optique sensible aux grandeurs à
mesurer et soumise à ces grandeurs à mesurer soit directement soit
indirectement au moyen d'un corps d'épreuve.
L'homme de l'art a proposé de nombreux corps d'épreuve pour
transmettre les effets des grandeurs à mesurer à la fibre optique. Le
document US 5369485 propose par exemple un capteur sismique à fibre
optique comprenant une paire de fibres optiques sensibles, chacune de
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ces fibres optiques étant fixée en spirale à plat sur un disque respectif.
L_es disques, formant un corps d'épreuve, sont élastiques de manière à
pouvoir transmettre, par leur déformation, les grandeurs à mesurer à la
paire de fibres optiques. Dans ce type de capteur sismique, les fibres
optiques, fixées directement au corps d'épreuve (disque) subissent une
déformation directement liée à la déformation de ce corps d'épreuve, et
s'avèrent peu sensibles. II a donc été proposé des capteurs sismiques à
fibre optique de plus grande sensibilité.
Ces capteurs sismiques à fibre optique de grande sensibilité sont le
plus souvent formés d'un corps d'épreuve formant une structure
flextensionnelle. Cette structure flextensionnelle comprend une première
partie soumise à la grandeur à mesurer et une seconde partie, liée à la
première partie, et qui est en contact direct avec la fibre optique
Le document US 6049511 révèle un capteur sismique à fibre
optique, et plus précisément un hydrophone (capteur de pression
acoustique), dans lequel la structure flextensionnelle du corps d'épreuve
permet de réaliser un amplificateur de force. Une pression appliquée sur
la surface formant la première partie de cette structure transmet la
déformation qu'elle subit à la seconde partie de la structure,
sensiblement perpendiculaire à la première partie, par le biais d'un point
d'appui. Cette seconde partie, en contact direct avec la fibre optique, est
libre de tout déplacement et se déforme d'autant plus qu'elle éloignée
du point d'appui.
Le document WO 2004/042425 révèle un capteur sismique à fibre
optïque, et plus précisément un capteur de vibrations (accéléromètre)
dans lequel la structure flextensionnelle du corps d'épreuve permet de
réaliser un amplificateur de force. La première partie de cette structure,
subïssant faction de la grandeur à mesurer, est constituée d'une pièce
en forme d'ellipse. Une grandeur appliquée selon le petit axe de cette
pièce en forme d'ellipse est transmise à une seconde partie de la
structure constituée de deux pièces de formes arrondies qui sont
respectivement disposées de part et d'autre du grand axe de la pièce en
forme d'ellipse. Ainsi, ce capteur sismique permet une amplification de
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la force appliquée par la grandeur à mesurer, correspondant au rapport
des longueurs du grand axe et du petit axe de la piéce en forme
d'ellipse. L'amplification de force ainsi générée produit une déformation
plus importante de la fibre optique et donc une plus grande sensibilité.
Ces capteurs sismiques à fibre optique basés sur une structure
fl'extensionnelle, permettent donc d'améliorer la sensibilité suivant l'axe
sensible du capteur.
Toutefois, dans le cas d'un capteur de vibrations, bon nombre des
réalisations proposées présentent des modes de vibration non désirés
(parasites), selon des axes autres que l'axe sensible du capteur.
Les capteurs sismiques à fibre optique actuels, capteurs de
pression et capteurs de vibration, doivent donc être améliorés car il
subsiste un besoin pour un capteur sismique à fibre optique ultra
sensible. En particùlier, pour les capteurs de vibrations, il subsiste un
besoin pour un capteur présentant de plus une insensibilité aux modes
de vibrations parasites.
Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un
capteur sismique à fibre optique avec un corps d'épreuve, caractérisé en
ce que le corps d'épreuve comprend plusieurs coupelles distinctes
réparties autour de la direction de l'axe sensible du capteur et deux
pièces en forme d'étoile disposées de part et d'autre des coupelles et
reliant mécaniquement lesdites coupelles entre elles.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente
invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va
suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non
limitatifs et sur lesquels
- Fig. 1 présente une vue en perspective d'un capteur de vibrations
à fibre optique conforme à la présente invention ;
- Fig. 2 présente une vue de coupe du capteur de vibrations de la
Fig. 1;
- Fig. 3 présente un schéma d'une pièce en forme d'étoile
employée dans un capteur sismique conforme à la présente invention
selon une vue correspondant à la vue de coupe de la Fig. 2;
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- Fig. 4 représente en vue de coupe d'un capteur de vibrations
conforme à la présente invention et muni de ressorts additionnels.
Les figures 1 et 2 présentent respectivement en vue de perspective
et en vue de coupe (coupe A-A) un mode de réalisation préféré d'un
capteur de vibrations 100 conforme à la présente invention. Ce capteur
de vibrations 100 est constitué d'une embase 101 de section
sensiblement circulaire. La largeur de l'embase 101 est adaptée pour
assurer une bonne stabilité du capteur de vibrations 100 et est
préférentiellement supérieure à la largeur du corps d'épreuve 110,
Le corps d'épreuve 110 est préférentiellement symétrique de
révolution par rapport à un axe z, correspondant à l'axe sensible du
capteur. Le corps d'épreuve 110 comprend une masse sismique 111 du
corps d'épreuve 110 de forme sensiblement cylindrique, des coupelles
113, 114, 115, 116 distinctes les unes des autres et réparties autour de
fa masse sismique 111 et donc autour de la direction de l'axe sensible
du capteur, une pièce en forme d'étoile 120 fixée sur les faces
supérieures des coupelles 113, 114, 115, 116 et une pièce en forme
d'étoile 130, de forme analogue à la pièce 120, et fixée sur les faces
inférieures des coupelles 113, 114, 115, 116.
La pièce en forme d'étoile 120 est formée d'un plateau 121, appelé
plateau supérieur, et de lamelles 122, 123, 124, 125 appelées lamelles
supérieures, par lesquelles la pièce en forme d'étoile 120 est fixée aux
coupelles 113, 114, 115, 116. De manière analogue, la pièce en forme
d'étoile 130 est formée d'un plateau 131 appelé plateau inférieur et de
lamelles, appelées lamelles inférieures 132, 133, 135 qui sont en
quantité égale aux lamelles supérieures (trois lamelles inférieures
seulement sont visibles sur la i=Igure 2) et par lesquelles la piëce 130 est
fixée aux coupelles 113, 114, 115, 116. De ce fait, les coupelles 113,
114, 115, 116 sont reliées mécaniquement entre elles aux moyens des
pièces en forme d'étoile 120, 130 qui sont disposées de part et d'autre
(partie inférieure et partie supérieure) desdites coupelles. Notons que
sur la figure 2, la coupelle 116 et la lamelle inférieure 135 ne sont pas
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situées dans le plan de coupe A-A et à cet effet sont représentées avec
des hachures.
La pièce en forme d'étoile 120 relie mécaniquement la masse
sismique 111 aux faces supérieures respectives des coupelles 113, 114,
5 115, 116. Plus précisément, la pièce en forme d'étoile 120 relie
mécaniquement la face supérieure de la masse sismique 111 aux faces
supérieures respectives des coupelles 113, 114, 115, 116. A cet effet, le
plateau supérieur 121 est fixé à la masse sismique 111 par tous moyens
adaptés.
De manière analogue, la pièce en forme d'étoile 130 relie
mécaniquement fa face inférieure des coupelles 113, 114, 115, 116 à
l'embase 101. Plus précisément, le plateau inférieur 131 et l'embase 101
sont i=Ixés l'un à l'autre par tous moyens adaptés.
Les lamelles supérieures 122, 123, 124, 125 et inférieures 131,
1:32, 135 (et la lamelle inférieure non représentée) sont fixées
respectivement aux faces supérieures et inférieures des coupelles 113,
114, 115, 116 par tous moyens adaptés. A titre d'exemple non limitatif,
des vis 141, 142, 143, 144 filetées à leurs extrémités inférieures pour
recevoir un boulon 145, 146 peuvent être prévues.
Les coupelles 113, 114, 115, 116 et la masse sismique 111 sont
sans contact direct de sorte que des vibrations axiales (c'est-à-dire
selon la direction de l'axe sensible du capteur) captées par l'embase
sont transmises transversalement aux coupelles 113, 114, 115, 116 par
le biais des lamelles inférieures 132, 133 et supérieures 122, 123, 124,
125.
Chacune des coupelles 113, 114, 115, 116 est de forme arrondie
sur' sa face radialement externe 113a, 114a, 115a, 116a au capteur. La
fibre optique 200 est bobinée autour de ces coupelles 113, 114, 115,
116 et plus précisément en contact avec les faces 113a, 114a, 115x,
116a. La forme arrondie de ces faces radiafement externes 113a, 114x,
115a, 116a permet de minimiser les contraintes dans la fibre optique
200 dues au bobinage et de minimiser également les pertes optiques. La
nature du matériau employé et l'état de surface des coupelles 113, 114,
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115, 116 sont également adaptés pour minimiser les contraintes et les
pertes optiques dans la fibre optique 200. Préférentiellement, les faces
radialement externes 113a, 114x, 115a, 116a sont en forme de demi-
cercles et les faces radialement internes des coupelles 113, 114, 115,
116 sont plates, les coupelles formant ainsi des demi-cylindres.
La figure 3 présente un schéma de la pièce 120 extrait selon la
coupe A-A. Sur cette vue en coupe, on distingue deux lamelles
supérieures 122 et 123 et le plateau supérieur 121 de la pièce 120. Plus
précisément, une lamelle 122, 123 comprend une première partie
horizontale (c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de l'axe sensible
du capteur, et de ce fait perpendiculaire à l'axe z) fixée à une coupelle
et une seconde partie, inclinée (ou plan incliné) d'un angle A par rapport
à la direction horizontale, qui relie le plateau 121 à la première partie
horizontale.
Lorsqu'une force Fa, perpendiculaire au plateau supérieur 121 est
appliquée sur ledit plateau 121, les lamelles transforment fa force Fa en
une force Fb de composante horizontale et dont l'origine se situe au
niveau des fixations entre les vis 141, 142 et les lamelles 122, 123
respectivement. Le rapport des forces Fb/Fa est proportionnel au rapport
des longueurs b/a. Les longueurs a et b sont par exemple définies
comme étant les longueurs respectives des côtés PzP3 et P1PZ
respectivement du triangle PlPzP3 rectangle Pz et dont
fictif en
l'hypotnuse correspond l'horizontale
la partie incline
par rapport
de la lamelle est choisi de manireraliser
123. Le rapport un
b/a
amplificateur force, c'est--dire qui permet
de avec b/a >
1, ce
d'accentuer les dformations la fibre optique En d'autres
de 200.
termes, le choix du rapport 1 est quivalent isir un
b/a > cho angle
d'inclinaison A strictement inférieur à 45°.
Dans le cas d'un capteur de vibrations, lorsque que le corps
d'épreuve 110 est soumis à une vibration normale provenant de
l'embase 101, un mouvement relatif entre la masse sismique 111 et
l'embase 101 est induit. Ce mouvement relatif entre l'embase 101 et la
masse sismique 111 est un mouvement dont la composante principale
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est une translation d'axe z (axe sensible du capteur), facilitant
l'écartement ou le rapprochement des coupelles 113, 114, 115, 116
selon une direction radiale et donc déformant la fibre optique 200.
Toutefois, il existe des modes de vibrations autres que le mode de
vibrations principal, c'est-à-dire des modes de vibrations transversaux,
qui peuvent s'avérer gênants.
La quantité de lamelles contenue dans une pièce en forme d'étoile
120, 130 n'est pas limitée au nombre de quatre tel que présenté sur les
figures 1 à 5. II est tout à fait envisageable de prévoir dans le cadre de
la présente invention de deux à une infinité de lamelles sur une pièce en
forme d'étoile 120, 130 qui sont donc réparties autour de l'axe sensible
du capteur (axe z) au sein du corps d'épreuve. Préférentiellement, les
lamelles (comme les coupelles) sont équi-réparties autour de l'axe
sensible du capteur, c'est-à-dire qu'elfes sont réparties selon un
intervalle angulaire régulier, l'angle séparant deux lamelles (ou
coupelles) successives valant 2~z/n, où n est le nombre de lamelles de la
pièce en forme d'étoile (ou le nombre de coupelles). II peut cependant
être envisagé que les lamelles (comme les coupelles) ne soient pas
équi-réparties autour de l'axe sensible du capteur.
Cependant, il s'avère qu'un nombre de lamelles par pièce en forme
d'étoile 120, 130 d'au moins quatre est nécessaire pour que les modes
de vibration parasites du capteur affectent peu la qualité de la mesure
faite selon le mode de vibration principal (qui s'effectue selon l'axe
sensible du capteur, qui correspond à l'axe z).
De manière générale, en utilisant des pièces en forme d'étoile 120,
130 plus le nombre n de lamelles augmente, plus le capteur se
symétrise et s'assaini, et plus le capteur est insensibilisé aux modes de
vibration parasites. Dans le cas d'un capteur de vibrations, le capteur ne
rée>ond alors qu'au mode de vibration principal qui est le mode voulu.
De manière générale également, en utilisant des pièces en forme
d'étoile 120, 130, plus le nombre n de lamelles augmente, plus fa
déformation de la fibre optique 200 augmente (pour une force
identique), ce qui augmente la sensibilité du capteur sismique. En outre,
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plus le nombre de lamelles augmente, plus les coupelles sont proches,
ce qui facilite le bobinage de la fibre optique 200 et permet d'obtenir
plus facilement une force de pré-tension constante sur toute la longueur
de la fibre optique 200.
II est représenté sur la figure 6 des moyens aptes à augmenter
l'insensibilité transversale du capteur. La figure 6 présente une vue de
coupe d'un capteur de vibrations conforme à la présente invention et
dans lequel les moyens aptes à augmenter l'insensibilité transversale du
capteur sont des ressorts additionnels 410, 420. En effet, il peut être
envisagé, dans le cas d'un capteur de vibrations, de prévoir un premier
ressort additionnel 410 situé à la base de la masse sismique 111 et/ou
un second ressort additionnel 420 situé quant à lui sur le haut de la
rnasse sismique 111.
Plus précisément, le premier ressort additionnel 410, de forme
sensiblement circulaire, est fixé en son centre 411 à l'embase 101 du
capteur. Le centre 411 du premier ressort additionnel 410 est sans
contact avec la masse sismique 111, une cavité 112 étant prévue à cet
effet dans la masse sismique 111. En revanche, la périphérie 412 du
ressort 410 est fixée à la masse sismique 111. La masse sismique 111
et le premier ressort additionnel 410 sont en contact uniquement au
niveau de la périphérie 412 du ressort 410.
Le second ressort additionnel 420 est fixé uniquement en son
centre 421 sur le plateau supérieur 121 de la pièce en forme d'étoile
120, cette pièce 120 étant elle-même fixée à la masse sismique 111. Ce
ressort 420 est de plus fixé, uniquement par sa périphérie 422, à un
couvercle 104 qui est solidaire de l'embase 101 du capteur.
Ces ressorts 410 et/ou 420 augmentent l'insensibilité transversale
du capteur en ce sens qu'ils permettent de guider le corps d'épreuve
110 selon la direction de l'axe sensible du capteur (axe z). Ces ressorts
présentent en effet une raideur faible selon une direction choisie, en
l'occurrence la direction de l'axe sensible du capteur, et une raideur
élevée selon toutes les autres directions radiales du fait de leur forme
sensiblement circulaire.
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Quand le corps d'épreuve 110 est soumis à une vibration normale
provenant de l'embase 101, le mouvement relatif induit entre la masse
sismique 111 et l'embase 101 n'est pas influencé par les ressorts
additionnels 410, 420, ceux-ci ayant une raideur faible selon la direction
de !'axe sensible du capteur. En revanche, lorsque le corps d'épreuve
:110 est soumis à des vibrations transversales c'est-à-dire dirigées selon
une direction différente de la direction de l'axe sensible du capteur, les
ressorts additionnels 410, 4Z0 ont pour but d'apporter une raideur
radiale qui va minimiser les déplacements transversaux de la masse
sismique 111. De ce fait, la fibre optique ne subit pas ou peu de
variation de longueur en raison de ces vibrations transversales.
L'influence des modes de vibration transversaux est diminuée
é vitant ainsi qu'une vibration parasite, transversale à la direction de
l'axe sensible, ne soit transmise à la masse sismique 111.
Quand ces ressorts sont mis en ceuvre, le capteur de vibrations doit
prévoir un couvercle. L'usage de tels ressorts pour mettre en ouvre
l'invention n'est pas obligatoire. De plus, en l'absence de tels ressorts
410, 4Z0 le capteur de vibrations peut comprendre ou ne pas
comprendre un couvercle.
Typiquement, dans le cadre d'applications sismiques, un capteur de
vibrations conforme à la présente invention est un accéléromètre.
