專利名稱：一種白光干涉型光纖重力儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)，特別是涉及一種白光干涉型光纖重力儀。
背景技術(shù)：
重力儀是測定重力加速度的儀器，是探測地球重力場信息的主要手段。它在國家 重力基準點建立、地震與海平面監(jiān)測、大地水準面的精確測定、地殼垂直形變以及國防建設(shè) 等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。高精度重力探測可以精確獲得與地球內(nèi)部物質(zhì)遷移、地殼運動等有關(guān)的變化特 征，為大地測量、地球物理、地球內(nèi)部動力學(xué)機制、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測提供重要依據(jù)。目前世界 上許多國家紛紛建立絕對重力網(wǎng)，監(jiān)測重力場的非潮汐變化，并在海平面變化、地震、火山、 構(gòu)造運動及有關(guān)的環(huán)境變化、地質(zhì)災(zāi)害和相關(guān)重大工程的環(huán)境影響研究中得到應(yīng)用。除了地球物理方面的研究和應(yīng)用外，在國民經(jīng)濟、人民生產(chǎn)生活中，地球重力的精 確測量也將發(fā)揮越來越重要、關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)機械式重力儀結(jié)構(gòu)簡單，但精度低，易受溫度影響及電磁干擾。采用普通的窄譜光源，如LD光源，譜寬小，相干長度長，兩干涉臂的長度差容易達 到相干長度的要求。但臂長的不加控制容易引起環(huán)境(如溫度)對相位的影響，引入相干 噪聲(如背向散射)。同時窄帶光源的偏振交叉耦合引起的相位誤差也會極大地影響光纖 重力儀的精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種白光干涉型光纖重 力儀。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括白光光源、保偏分束器、重力敏感器件、相位調(diào)制器和光電探測器；白光光源 通過保偏光纖與保偏分束器的一個入口端連接，保偏分束器的兩個出口端分別通過保偏光 纖和重力敏感器件的兩個入口端連接，重力敏感器件的兩個出口端分別通過保偏光纖和相 位調(diào)制器的兩個入口端連接，相位調(diào)制器的出口端通過保偏光纖與光電探測器連接；白光 光源、保偏分束器和重力敏感器件的連接都是保偏光纖的0度對軸連接。所述的重力敏感器件包括彈性板、支撐體、保偏光纖敏感線圈和殼體；彈性板由支 撐體中心支撐，保偏光纖敏感線圈由兩根保偏保偏光纖分別在彈性板的上下兩面盤繞并膠 粘固定；保偏光纖敏感線圈的兩個入口端與保偏分束器的兩個出口端連接，保偏光纖敏感 線圈的兩個出口端與相位調(diào)制器的兩個入口端連接；保偏分束器與相位調(diào)制器用激光焊接 固定在殼體上，殼內(nèi)抽成真空。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是 本發(fā)明利用白光干涉技術(shù)，采用相干長度短的寬譜光源，可以減少背向散射的影 響，降低相干噪聲，同時采用全保偏系統(tǒng)，極大地改善了偏振交叉耦合帶來的偏振誤差，大大提高了系統(tǒng)精度，其精度可達10-9gm/s2。另外，采用密封抽真空的系統(tǒng)設(shè)計，減小了飄 移，在很大程度上抑制了外界環(huán)境因素對測量的影響。


圖1是白光干涉型光纖重力儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是重力敏感器件的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖3是保偏光纖敏感線圈的俯視圖。圖4是白光干涉型重力儀精度與長度的關(guān)系圖。圖中1、白光光源，2、保偏分束器，3、重力敏感器件，4、相位調(diào)制器，5、光電探測 器，3-1、彈性板，3-2，支撐體，3-3，保偏光纖敏感線圈，3-4、殼體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明包括白光光源1、保偏分束器2、重力敏感器件3、相位調(diào)制器4 和光電探測器5 ；白光光源1通過保偏光纖與保偏分束器2的一個入口端連接，保偏分束器 2的兩個出口端分別通過保偏光纖和重力敏感器件3的兩個入口端連接，重力敏感器件3的 兩個出口端分別通過保偏光纖和相位調(diào)制器4的兩個入口端連接，相位調(diào)制器4的出口端 通過保偏光纖與光電探測器5連接；白光光源1、保偏分束器2和重力敏感器件3的連接都 是保偏光纖的0度對軸連接，輸出為線偏光并處于尾纖的一個雙折射軸上。如圖2、圖3所示，所述的重力敏感器件3包括彈性板3-1、支撐體3_2、保偏光纖敏 感線圈3-3和殼體3-4 ；彈性板3-1由支撐體3-2中心支撐，保偏光纖敏感線圈3_3由兩根 保偏光纖分別在彈性板3-1的上下兩面盤繞并膠粘固定；保偏光纖敏感線圈3-3的兩個入 口端與保偏分束器2的兩個出口端連接，保偏光纖敏感線圈3-3的兩個出口端與相位調(diào)制 器4的兩個入口端連接；保偏分束器2與相位調(diào)制器4用激光焊接固定在殼體3-4上，殼內(nèi) 抽成真空。白光光源1發(fā)出的光信號經(jīng)過分束器件進入重力敏感器件3的上下兩個保偏光纖 敏感線圈3-3，由于重力的作用，使彈性板3-1發(fā)生形變，同時使粘附在彈性板3-1上的上下 兩個保偏光纖敏感線圈3-3受到不同的應(yīng)力，彈性板3-1上面的保偏光纖敏感線圈3-3受 到一個拉應(yīng)力，彈性板3-1下面的保偏光纖敏感線圈3-3受到一個壓應(yīng)力，引起保偏光纖長 度及折射率發(fā)生變化，兩路光信號產(chǎn)生了一個相位差，通過鈮酸鋰單偏振波導(dǎo)器件引入一 個相位調(diào)制信號，最后通過PIN管轉(zhuǎn)換成電信號，并由鎖相放大器進行讀取并解調(diào)。白光光源1可采用譜寬為30nm的SLD光源，保偏分束器2采用同波段的保偏分束 器，相位調(diào)制器4可采用鈮酸鋰單偏振波導(dǎo)器件，光電探測器5可采用PIN管進行光電信號 轉(zhuǎn)換。采用寬譜光源搭建重力儀，需要對兩干涉臂的長度差進行極其嚴格的控制。SLD光 源的相干長度為20 μ m——50 μ m,因此需要對兩干涉臂的長度差控制在這個范圍以內(nèi)。同時采取全保偏方案，傳輸光纖全部采用保偏光纖，保偏分束器2采用同波段的 保偏分束器，相位調(diào)制器4采用鈮酸鋰單偏振波導(dǎo)器件，器件之間的光纖連接都是保偏光 纖的0度對軸連接，用以控制傳輸光的偏振誤差。
采用鈮酸鋰單偏振波導(dǎo)器件進行相位調(diào)制，相比較傳統(tǒng)的壓電陶瓷器件，不僅調(diào) 制頻率的范圍得到了大幅度地擴展，同時偏振態(tài)也得到了很好地控制。保偏光纖敏感線圈3-3的長度以及支撐體3-2的質(zhì)量大小及彈性板3_1的厚度都 是影響重力儀精度的重要因素。采用內(nèi)周邊承受均布力的圓環(huán)板作為物理模型，在重力條 件下，由彈性板3-1的撓度可以推導(dǎo)出一定半徑時彈性板3-1的環(huán)向形變，使用一定楊氏模 量的膠將保偏光纖固定于彈性板3-1上，通過一定的傳導(dǎo)系統(tǒng)，對不同半徑的彈性板3-1的 環(huán)向形變進行積分，就可以得到內(nèi)周邊承受均布力的圓環(huán)板上一定長度的保偏光纖的長度 變化。如果保偏光纖只在徑向受力，那其折射率的變化約為長度變化的0. 21倍，且長度變 化對相位起相反的影響。由長度及相位的變化，可以推出重力儀的靈敏度公式。
Itc
Αω = 2χηχ ——χ 0.79χ Al Ψ λ其中，長度變化ΔΙ為
., fd, ζ dw、2πτ ,Al = (---)-dr
丨 r dr Ω其中，Δ ψ為相位差，η為折射率，λ為波長，ω為撓度，ζ為彈性板厚度的一半， Ω為保偏光纖直徑，r為彈性板的半徑，c和d分別為保偏光纖敏感線圈的內(nèi)徑和外徑。以實驗系統(tǒng)為例。彈性板3-1采用圓盤結(jié)構(gòu)，使用1J-36合金材料，彈性板3-1厚 度為0. 5mm,彈性板3-1的內(nèi)徑IOmm外徑40mm，單面纖長12. 5m,靈敏度可達29. 9rad/g。若 采用IOmm——IOOmm半徑的圓環(huán)盤，盤纖長度可達100m，理論靈敏度可達451. 42rad/g，精 度可以達到10_9g量級。由圖4可知，當保偏光纖長度達到100米時，精度已經(jīng)達到了 10_9g 量級，即高精度的要求，同時也符合可操作小型化的要求，為理想的長度。 兩個鈮酸鋰單偏振波導(dǎo)器件通過激光焊接固定在殼體3-4上，激光焊接能夠連接 工業(yè)中比較難焊的合金材料，并且構(gòu)件的變形小，接頭質(zhì)量高，重現(xiàn)性好，形成高質(zhì)量的焊縫。在真空工作室實現(xiàn)激光焊接，同時將殼體內(nèi)抽成真空，可以進一步保證不受環(huán)境影響， 從而提高重力儀的精度。
權(quán)利要求
1.一種白光干涉型光纖重力儀，其特征在于包括白光光源(1)、保偏分束器O)、重力 敏感器件(3)、相位調(diào)制器(4)和光電探測器(5)；白光光源(1)通過保偏光纖與保偏分束 器O)的一個入口端連接，保偏分束器O)的兩個出口端分別通過保偏光纖和重力敏感器 件(3)的兩個入口端連接，重力敏感器件(3)的兩個出口端分別通過保偏光纖和相位調(diào)制 器(4)的兩個入口端連接，相位調(diào)制器(4)的出口端通過保偏光纖與光電探測器( 連接； 白光光源(1)、保偏分束器( 和重力敏感器件(3)的連接都是保偏光纖的0度對軸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種白光干涉型光纖重力儀，其特征在于所述的重力敏感 器件C3)包括彈性板(3-1)、支撐體(3-2)、保偏光纖敏感線圈(3- 和殼體(3-4)；彈性板 (3-1)由支撐體(3-2)中心支撐，保偏光纖敏感線圈(3-3)由兩根保偏光纖分別在彈性板 (3-1)的上下兩面盤繞并膠粘固定；保偏光纖敏感線圈(3-3)的兩個入口端與保偏分束器 (2)的兩個出口端連接，保偏光纖敏感線圈(3- 的兩個出口端與相位調(diào)制器(4)的兩個入 口端連接；保偏分束器( 與相位調(diào)制器(4)用激光焊接固定在殼體(3-4)上，殼內(nèi)抽成真 空。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種白光干涉型光纖重力儀。包括白光光源、保偏分束器、重力敏感器件、相位調(diào)制器和光電探測器；白光光源通過保偏光纖與保偏分束器的一個入口端連接，保偏分束器的兩個出口端分別通過保偏光纖和重力敏感器件的兩個入口端連接，重力敏感器件的兩個出口端分別通過保偏光纖和相位調(diào)制器的兩個入口端連接，相位調(diào)制器的出口端通過保偏光纖與光電探測器連接；白光光源、保偏分束器和重力敏感器件的連接都是保偏光纖的0度對軸連接。本發(fā)明利用白光干涉技術(shù)，采用寬譜光源，減少了背向散射的影響，降低相干噪聲，同時采用全保偏系統(tǒng)，極大地改善了偏振交叉耦合帶來的偏振誤差，大大提高了系統(tǒng)精度，精度可達10-9g。
文檔編號G01V7/00GK102053283SQ20101053694
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者劉承, 王冬云, 舒曉武, 車雙良, 馬妍 申請人:浙江大學(xué)