專利名稱：一種超短基線差分盤式光纖位移傳感器及光纖應(yīng)變儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感測量裝置，具體涉及一種用于地球物理學(xué)研究，觀測地殼應(yīng)變和固體潮汐、獲取地震前兆信息的光纖位移傳感器及主要由光纖位移傳感器構(gòu)成的應(yīng)變儀。
背景技術(shù)：
應(yīng)變測量儀是一種精密測量地殼巖體兩點(diǎn)間距離相對變化的儀器，在觀測地殼應(yīng)變和固體潮汐，以及研究地震孕育過程和地震前兆獲取等領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用。自1935年美國地震學(xué)家貝尼奧夫(H.Benioff)研制成第一臺有價(jià)值的石英伸縮儀后，美、英、前蘇聯(lián)、日、比、德等國都相繼研制了高靈敏度的伸縮儀。儀器的靈敏度一般都在10_8以上，能清晰記錄到固體潮汐。 我國開展這方面的研究較晚，20世紀(jì)80年代初中國地震局地震研究所蔡帷鑫等人研制出較為實(shí)用的伸縮儀——SSY-II型水平石英伸縮儀(蔡帷鑫，譚適齡，SSY-II型石英伸縮儀的研制與試驗(yàn)，大地測量與地球動力學(xué)，Vol. 5(1) :31-41，1985)。儀器的測量基線采用熔融石英管，其基線長度為10米以上，一般為30 50米；應(yīng)變觀測分辨率優(yōu)于3X 10_9，能清晰地記錄到固體潮汐。20世紀(jì)90年代末，中國地震局地震研究所呂寵江等人發(fā)明了一種新的應(yīng)變觀測儀器——SS-Y型短基線伸縮儀(ZL 99116620. 5)，它選用特種銦鋼棒作為基線，并垂直自由懸掛，選用電渦流傳感器或差動變壓器作為位移傳感器，儀器的應(yīng)變分辨率優(yōu)于10Λ該儀器在保持高靈敏度高穩(wěn)定性的同時(shí)縮短了基線長度達(dá)到小于10米。在此基礎(chǔ)上，2006年呂寵江發(fā)明了差分式短基線伸縮儀(ZL200610018250. 3)，提高了伸縮儀對震動、電源波動等的抗共模干擾能力，進(jìn)一步縮短了測量基線長度，但其整體長度仍大于5米。2007年，中國地震局地震研究所李家明等人發(fā)明了超短基線伸縮儀(ZL200710053069. 0)，該裝置采用位移分辨率為O. Inm的電容傳感器，使測量基線長度減小到I米的同時(shí)，應(yīng)變分辨率還能保持在1X10_1(I。但電容傳感器的防潮和密封問題是伸縮儀能否成功實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，并且電容傳感器極易受到強(qiáng)電磁干擾，不適合于在電磁污染嚴(yán)重的環(huán)境中使用。綜上所述，在提高應(yīng)變儀測量精度的同時(shí)，縮短其測量基線長度，成為應(yīng)變儀研制的主要方向。小型化的優(yōu)點(diǎn)是一方面可以降低開鑿硐體的難度，降低環(huán)境建設(shè)成本；另一方面小型化后可以便攜，有利于地震應(yīng)急快速布設(shè)，甚至于井下巖層布設(shè)。目前發(fā)明的應(yīng)變儀中位移傳感器主要采用電渦流位移傳感器、差動變壓器位移傳感器，或者電容位移傳感器，其中前兩者最好的位移分辨率Inm左右；而電容位移傳感器雖然有較好的分辨力，可以達(dá)到O. Olnm，但存在寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響大、輸出具有非線性、聯(lián)接電路復(fù)雜，以及受潮濕、電磁干擾嚴(yán)重等缺點(diǎn)，不適應(yīng)應(yīng)變儀對傳感器長期穩(wěn)定可靠工作的需求。因此，需要研制新的位移傳感器，以滿足應(yīng)變儀提高測量精度和小型化的要求。
近年來，光纖傳感器的研究得到快速發(fā)展，已經(jīng)成為測量靈敏度最高的傳感技術(shù)之一。相比電學(xué)類傳感器，它具有靈敏度高(皮米、亞皮米級位移分辨率)，動態(tài)范圍大(160 180dB)，測量頻帶寬(DC MHz)，對電磁干擾免疫，抗潮濕、耐腐蝕，十分適合于惡劣環(huán)境中
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能有效地提高整機(jī)的測量精度，并降低誤差干擾的超短基線差分盤式光纖位移傳感器。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于超短基線差分盤式光纖位移傳感器的光纖應(yīng)變儀。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的超短基線差分盤式光纖位移傳感器，包括外框架，帶外螺紋的壓圈將位移轉(zhuǎn)換裝置外圈壓緊在外框架上，中心壓墊的螺紋柱穿過移轉(zhuǎn)換裝置中心孔，第I法拉第旋鏡與第2法拉第旋鏡固化在中心壓墊上，光纖耦合器和相位調(diào)制器固化在外框架內(nèi)壁表面，外框架與固定座固定，第I測量光纖和第2測量光纖分別纏繞為中空盤式層狀結(jié)構(gòu)的多層光纖環(huán)，第I測量光纖和第2測量光纖分別固化在位移轉(zhuǎn)換裝置的上下表面上，耦合器連接第I測量光纖、相位調(diào)制器和探測器，第I測量光纖連接第I法拉第旋鏡，相位調(diào)制器連接第2測量光纖，第2測量光纖連接第2法拉第旋鏡。本發(fā)明的超短基線差分盤式光纖位移傳感器還可以包括標(biāo)定裝置，所述標(biāo)定裝置由鎖定旋鈕、壓電陶瓷位移發(fā)生器組成，壓電陶瓷位移發(fā)生器位于鎖定旋鈕和中心壓墊之間，并且鎖定旋鈕與外框架和固定座采用螺紋連接，鎖定旋鈕通過旋轉(zhuǎn)使壓電陶瓷位移發(fā)生器左右移動，所述標(biāo)定裝置共分為兩個工作狀態(tài)；測量狀態(tài)時(shí)，鎖定旋鈕處于解鎖狀態(tài)，使壓電陶瓷位移發(fā)生器與中心壓墊脫離；標(biāo)定狀態(tài)下，鎖定旋鈕處于鎖緊狀態(tài)，壓電陶瓷位移發(fā)生器與中心壓墊緊密連接?；诒景l(fā)明的超短基線差分盤式光纖位移傳感器的光纖應(yīng)變儀，包括兩個超短基線差分盤式光纖位移傳感器1A、1B、測量基線4、測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)3，固定在第I基巖21上的第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器IA與測量基線4的首端41連接，固定在第2基巖22上的第2超短基線差分盤式光纖位移傳感器IB與測量基線4的末端42連接，第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器IA通過第一至第三信號連接線3A、3C、3E與測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)3連接，第2超短基線差分盤式光纖位移傳感器IB通過第四至第五信號連接線3B、3D與測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)3連接；光源101輸出的激光經(jīng)過隔離器102后，其能量被1X2耦合器均分為兩部分；一半光能量注入到第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器IA中，另外一半注入到第2超短基線差分盤式光纖位移傳感器IB中。本發(fā)明的光纖應(yīng)變儀還可以包括這樣一些特征I、所述第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器IA還包括標(biāo)定裝置，所述標(biāo)定裝置由鎖定旋鈕116、壓電陶瓷位移發(fā)生器117組成，壓電陶瓷位移發(fā)生器117位于鎖定旋鈕116和中心壓墊112A之間，并且鎖定旋鈕116與外框架和固定座采用螺紋連接，鎖定旋鈕通過旋轉(zhuǎn)使壓電陶瓷位移發(fā)生器左右移動，所述標(biāo)定裝置共分為兩個工作狀態(tài)；測量狀態(tài)時(shí)，鎖定旋鈕處于解鎖狀態(tài)，使壓電陶瓷位移發(fā)生器與中心壓墊脫離；標(biāo)定狀態(tài)下，鎖定旋鈕處于鎖緊狀態(tài)，壓電陶瓷位移發(fā)生器與中心壓墊緊密連接。2、第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器IA與第2超短基線差分盤式光纖位移傳感器IB的光纖光路一致，使用同一個光源，光源101依次連接隔離器102和第I耦合器103，第I耦合器103分別與第2耦合器104A和第3耦合器104B連接；第2耦合器104A分別連接第I測量光纖105A、第I相位調(diào)制器106A和第I探測器110A，第I測量光纖105A連接第I法拉第旋鏡108A，第I相位調(diào)制器106A連接第2測量光纖107A、第2測量光纖107A連接第2法拉第旋鏡109A ;第3耦合器104B分別連接第3測量光纖105B、第2相位調(diào)制器106B和第2探測器110B，第3測量光纖105B連接第3法拉第旋鏡108B，第2相位調(diào)制器106B連接第4測量光纖107B，第4測量光纖107B連接第4法拉第旋鏡109B。3、第I相位調(diào)制器106A與第2相位調(diào)制器106B完全相同；第I法拉第旋鏡108A與第2法拉第旋鏡109A完全相同；第3法拉第旋鏡108B與第4法拉第旋鏡109B完全相同。
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4、第I測量光纖105A、第I法拉第旋鏡108A的光纖長度之和與第I相位調(diào)制器106A、第2測量光纖107A、第2法拉第旋鏡109A的光纖長度之和完全相等。5、第3測量光纖105B與第3法拉第旋鏡108B的光纖長度之和與第2相位調(diào)制器106B、第4測量光纖107B、第4法拉第旋鏡109B的光纖長度之和完全相等。本發(fā)明采用盤式光纖位移傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種新型的超短基線差分盤式光纖應(yīng)變儀，差分式結(jié)構(gòu)將有效地消除或減小來自同一干擾噪聲源的影響，從而提高測量的精度，主要用于地殼應(yīng)變和固體潮汐觀測，以及地震前兆信息獲取?；诔袒€差分盤式位移傳感器的光纖應(yīng)變儀的工作原理如圖I所示，在固體潮汐和地震波的作用下，地殼產(chǎn)生應(yīng)變或者形變時(shí)，則兩個測量基巖21和22之間將發(fā)生相對位移，第I光纖位移傳感器IA與第2光纖位移傳感器IB之間的距離發(fā)生變化，并且測量基線4的長度固定，因此位移同時(shí)傳遞給第I光纖位移傳感器IA和第2光纖位移傳感器1B,兩個位移傳感器構(gòu)成推挽式差分結(jié)構(gòu)，即第I光纖位移傳感器IA伸長時(shí),第2光纖位移傳感器IB縮短，反之亦然。差分盤式光纖應(yīng)變測量儀的核心是高靈敏度的兩個光纖位移傳感器1A、1B，兩個傳感器完全一致，采用光纖干涉測量原理，采用差分測量結(jié)構(gòu)，消除或減小來自同一干擾噪聲源對光纖應(yīng)變儀測量精度的影響，并且抑制光纖、器件性能的長期畸變與漂移。測量光路如圖2所示，由光源101輸出的窄帶高功率激光經(jīng)過隔離器102后，其能量被I X 2耦合器均分為兩部分；一半光能量注入到第I光纖位移傳感器IA中，另外一半注入到第2光纖位移傳感器IB中。第I光纖位移傳感器IA和第2光纖位移傳感器IB的光纖光路分別由2X2率禹合器104A、104B構(gòu)成的兩個Michelson干涉儀。以第I光纖位移傳感器IA為例,第I光纖位移傳感器IA的兩個測量臂分別由第I測量光纖105A、第I法拉第旋鏡108A，以及第I相位調(diào)制器106A、第2測量光纖107A、第2法拉第旋鏡109A構(gòu)成。第I光纖位移傳感器IA兩干涉臂反射的信號將在第一探測器IlOA表面上產(chǎn)生干涉信號。利用信號記錄與處理系統(tǒng)3對光纖位移傳感器IA和IB感知的待測位移進(jìn)行解調(diào)出來，兩個測量基巖21和22之間的相對位移值即為光纖位移傳感器IA和IB分別測量出的位移值之和。為了實(shí)現(xiàn)差分測量，對于光纖應(yīng)變儀中第2光纖位移傳感器，光路參數(shù)在選擇時(shí)，要求是全同光纖光路；為了進(jìn)一步克服第I光纖位移傳感器IA與第2光纖位移傳感器IB的不一致性，也要求二者全同，即(I)第I相位調(diào)制器與第2相位調(diào)制器、第I法拉第旋鏡與第2法拉第旋鏡、第3法拉第旋鏡與第4法拉第旋鏡完全相同；(2)第I測量光纖、第I法拉第旋鏡的光纖長度之和與第I相位調(diào)制器、第2測量光纖、第2法拉第旋鏡的光纖長度之和完全相等；(3)第3測量光纖與第3法拉第旋鏡的光纖長度之和與第2相位調(diào)制器、第4測量光纖、第4法拉第旋鏡的光纖長度之和完全相等；(4)第I光纖位移傳感器和第2光纖位移傳感器的光路中光纖長度也完全相等；(5)第I位移轉(zhuǎn)換裝置和第2位移轉(zhuǎn)換裝置的材料和尺寸完全相同?！さ贗光纖位移傳感器IA的結(jié)構(gòu)如圖3中左圖所示，采用差動推挽測量方式，將測量光纖105A和107A分別制作成中空盤式層狀結(jié)構(gòu)的多層光纖環(huán),將測量光纖105A固化在第I位移轉(zhuǎn)換裝置IllA的上表面，將測量光纖107A固化在IllA的下表面。第I位移轉(zhuǎn)換裝置的外邊與第I外框架114A連接，外框架114A與第I固定座115A連接，第I固定座115A被固定在第I基巖21上，第I位移轉(zhuǎn)換裝置中心與測量基線的一端41相連。第2光纖位移傳感器IB的結(jié)構(gòu)如圖3中右圖所示，結(jié)構(gòu)與第I光纖位移傳感器IA —致，但不包含鎖定旋鈕和壓電陶瓷位移發(fā)生器。外框架114B與第2固定座115B連接，第2固定座115B被固定在第2基巖22上，第2位移轉(zhuǎn)換裝置中心與測量基線的另一端42相連。當(dāng)兩個測量基巖21和22之間將發(fā)生相對位移時(shí)，此位移量將無損失地傳遞到第I位移轉(zhuǎn)換裝置IllA和第2位移轉(zhuǎn)換裝置111B，使其產(chǎn)生形變，如圖5所示。光纖位移傳感器1A、1B在待測位移量的作用下，使干涉儀的一測量臂伸長，另外一測量臂縮短(或者剛好相反)，則探測器110AU10B探測得到的干涉信號的幅度將發(fā)生變化，通過對相位調(diào)制器106AU06B上加載已知頻率和幅度的調(diào)制信號，再通過信號探測系統(tǒng)的解調(diào)，可以分別獲得干涉信號強(qiáng)度變化對應(yīng)的干涉相位幅值，從而實(shí)現(xiàn)位移信號的解調(diào)，對第I光纖位移傳感器IA和第2光纖位移傳感器IB分別測得的位移值求和，即實(shí)現(xiàn)對兩個基巖之間的相對位移測量。測量靈敏度最為有效的方法是增加測量光纖105A、107A、105B、107B的長度，為了達(dá)到位移分辨率10_12 10_13米，經(jīng)過計(jì)算光纖的長度需要至少達(dá)到100米。除位移傳感器自身性能外，影響應(yīng)變儀的長期穩(wěn)定性和測量精度最主要的因素是測量基線自身的長期性能畸變，特別是溫度對基線的影響。為了降低溫度影響，一般制作基線時(shí)，會選用熱膨脹系數(shù)相對較小的材料，如銦鋼(Invar)，即含有35. 4%鎳的鐵合金。常溫下銦鋼具有很低的熱膨脹系數(shù)，_20°C 20°C之間時(shí)其平均值約I. 6X10_6/°C，基本上是一般鋼、銅等材料的十分之一。此外，再嚴(yán)格控制應(yīng)變儀工作環(huán)境的溫度波動(例如小于
O.oorc)，則可以保證應(yīng)變儀的應(yīng)變測量分辨率達(dá)到10_9應(yīng)變階。對于本發(fā)明提出的高靈敏度短基線光纖應(yīng)變儀的10_n 10_12應(yīng)變測量分辨率而言，上述方法不能夠滿足系統(tǒng)測量要求。需要在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，采用溫度補(bǔ)償方法，使光纖位移傳感器的第I和第2固定座與測量基線桿構(gòu)成一個溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，從而降低了應(yīng)變儀整體的溫度敏感效應(yīng)，提高了測量長期穩(wěn)定性。具體方法是1)第I和第2固定座采用懸臂支撐結(jié)構(gòu)，懸臂部分受溫度變化其應(yīng)變方向與測量基線桿的應(yīng)變方向相反；2)第I和第2固定座使用相同材料，測量基線桿使用另一種材料，選定測量基線桿材料的熱膨脹系數(shù)與第I、第2固定座材料的熱膨脹系數(shù)之比為T，并且第I、第2固定座的懸臂長度之和與測量基線桿的長度之比也為T。采用上述溫度補(bǔ)償方法，通過對固定座和測量基線的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，補(bǔ)償應(yīng)變儀的熱膨脹影響，使其整體溫度系數(shù)可以下降2個量級以上。超短基線差分盤式光纖應(yīng)變儀的測量標(biāo)定問題是應(yīng)用過程中需要解決的關(guān)鍵問題，以往應(yīng)變儀在設(shè)計(jì)標(biāo)定裝置時(shí)，將其安裝在測量基線之內(nèi)。其缺點(diǎn)是標(biāo)定裝置的長期漂移會影響到儀器的長期測量性能，本發(fā)明設(shè)計(jì)在第I光纖位移傳感器IA中加入標(biāo)定裝置，由鎖定旋鈕116和壓電陶瓷位移發(fā)生器117組成，如圖3中左圖所示。第I外框架114Α內(nèi)表面中心有孔，在第I固定座115Α的對應(yīng)位置上，安裝一個鎖定旋鈕116，壓電陶瓷位移發(fā)生器117在鎖定旋鈕116與第I中心壓墊112Α之間，與鎖定旋鈕116固定，并且可以隨著鎖定旋鈕116的旋轉(zhuǎn)前后移動。為了防止標(biāo)定裝置與第2耦合器和第I相位調(diào)制器沖突，壓電陶瓷位移發(fā)生器117的安裝孔位置在第I固定框架114Α中心，第2耦合器和第I相位調(diào)制器固化在中心孔右側(cè)，如圖4中右圖所示。第1、2法拉第旋鏡108Α、109Α安裝在第I中心壓墊112Α兩端，進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，壓電陶瓷位移發(fā)生器117與第I中心壓墊112Α中心部分接觸，如圖4中左圖所示。
壓電陶瓷位移發(fā)生器位于鎖定旋鈕和第I中心壓墊之間，并且鎖定旋鈕與第I外框架114Α和第I固定座采用螺紋連接，鎖定旋鈕可以通過旋轉(zhuǎn)，使壓電陶瓷位移發(fā)生器左右移動，標(biāo)定裝置共分為兩個工作狀態(tài)，當(dāng)光纖應(yīng)變測量儀處于一般的測量狀態(tài)時(shí)，鎖定旋鈕處于解鎖狀態(tài)，使壓電陶瓷位移發(fā)生器與第I中心壓墊脫離，此時(shí)壓電陶瓷位移器不包含在測量基線內(nèi)，它的長期漂移不影響測量結(jié)果；當(dāng)對光纖應(yīng)變測量儀進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，即處于標(biāo)定狀態(tài)下，鎖定旋鈕處于鎖緊狀態(tài)，壓電陶瓷位移發(fā)生器與第I中心壓墊緊密連接，如圖6所示，此時(shí)壓電陶瓷位移器包含在測量基線中，直接通過壓電陶瓷位移器發(fā)生位移實(shí)現(xiàn)對光纖應(yīng)變儀的標(biāo)定。本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果(I)采用光纖作為位移測量介質(zhì)，利用長度幾十米至幾百米光纖的累計(jì)效應(yīng)，將光纖纏繞成中空盤式層狀結(jié)構(gòu)的多層光纖環(huán)，有效地減小了光纖位移傳感器的尺寸，得到了位移分辨率10_12 10_13米的光纖位移傳感器，從而使測量基線縮短到不大于I米的同時(shí)，保持極高的應(yīng)變測量分辨率(10_η 10_12 ε );與目前傳統(tǒng)的伸縮儀和應(yīng)變計(jì)相比，測量分辨率提高2 3個量級，有效地提高了應(yīng)變儀的測量精度；(2)采用全同光纖光路結(jié)構(gòu)、全差分盤式位移測量結(jié)構(gòu)，以及雙光纖位移傳感器的推挽工作方式，可以消除位移傳感器中光纖長期性能畸變、光源噪聲，降低溫度敏感性，提高了光纖應(yīng)變儀的長期穩(wěn)定性，使其能夠成功應(yīng)用于穩(wěn)定性和可靠性要求極高的地球物理測量領(lǐng)域的應(yīng)變儀中；(3)采用溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，抑制了測量基線的溫度影響，降低了應(yīng)變儀整體的溫度敏感效應(yīng)，提高了光纖應(yīng)變儀的長期測量穩(wěn)定性。(4)改進(jìn)的位移標(biāo)定裝置，安裝在測量基線之外，使標(biāo)定裝置的長期漂移不影響測量，改善了光纖應(yīng)變測量儀的長期穩(wěn)定性。(5)光纖位移傳感器具備在潮濕、強(qiáng)電磁干擾、雷擊等惡劣環(huán)境下工作的能力，提高了短基線應(yīng)變儀的環(huán)境適用性，降低了其使用難度和布設(shè)成本。


圖I是基于超短基線差分盤式光纖位移傳感器的光纖應(yīng)變儀結(jié)構(gòu)圖；圖2是超短基線差分盤式光纖位移傳感器的光路原理圖；圖3a和圖3b分別是兩種超短基線差分盤式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖4a_圖4b是基于超短基線差分盤式光纖位移傳感器的光纖應(yīng)變儀內(nèi)部器件位置結(jié)構(gòu)圖；圖5a-圖5b是基于超短基線差分盤式光纖位移傳感器的光纖應(yīng)變儀測量位移時(shí)的狀態(tài)圖；圖6是光纖應(yīng)變儀的標(biāo)定裝置工作示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。結(jié)合圖1，本發(fā)明的光纖應(yīng)變儀由位移傳感器1A、1B、測量基線桿4、測量基巖21、22以及測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)3組成，固定在第I基巖21上的第I光纖位移傳感器IA與測量基線4的一端41連接；固定在第2基巖22上的第2光纖位移傳感器IB與測量基線4的另一端42連接；鎖定旋鈕116與壓電陶瓷位移發(fā)生器構(gòu)成位移標(biāo)定裝置，并且與第I光纖位移傳感器IA連接；第I光纖位移傳感器IA和第2光纖位移傳感器IB通過信號連接線3A、3B、3C、3D、3E與測量控制、信號記錄與處理系統(tǒng)3連接。結(jié)合圖2，第I光纖位移傳感器IA與第2光纖位移傳感器IB的光纖光路一致，使用同一個光源，光源101依次連接隔離器102和第I耦合器103，第I耦合器103分別與第2耦合器104A和第3耦合器104B連接；第2耦合器104A分別連接第I測量光纖105A、第I法拉第旋鏡108A和第I相位調(diào)制器106A、第2測量光纖107A、第2法拉第旋鏡109A，以及第I探測器IlOA ;上述元件與第I位移轉(zhuǎn)換裝置IllA —同組成第I光纖位移傳感器IA ；第3耦合器104B分別連接第3測量光纖105B、第3法拉第旋鏡108B和第2相位調(diào)制器106B、第4測量光纖107B、第4法拉第旋鏡109B，以及第2探測器IlOB ;上述元件與第2位移轉(zhuǎn)換裝置IllB —同組成第2光纖位移傳感器IB。在第I光纖位移傳感器IA中，第I相位調(diào)制器106A與第2相位調(diào)制器106B、第I法拉第旋鏡108A與第2法拉第旋鏡109A、第3法拉第旋鏡108B與第4法拉第旋鏡109B完全相同；第I測量光纖105A、第I法拉第旋鏡108A的光纖長度之和與第I相位調(diào)制器106A、第2測量光纖107A、第2法拉第旋鏡109A的光纖長度之和完全相等；測量光纖105AU07A纏繞為中空盤式層狀結(jié)構(gòu)的多層光纖環(huán)，測量光纖105AU07A分別固化在第I位移轉(zhuǎn)換裝置IllA的上下兩個表面上。第2光纖位移傳感器IB中，第3測量光纖105B與第3法拉第旋鏡108B的光纖長度之和與第2相位調(diào)制器106B、第4測量光纖107B、第4法拉第旋鏡109B的光纖長度之和完全相等；測量光纖105BU07B各自纏繞為中空盤式層狀結(jié)構(gòu)的多層光纖環(huán)，測量光纖105B、107B分別固化在第2位移轉(zhuǎn)換裝置IllB的上下兩個表面上；第I位移轉(zhuǎn)換裝置IllA和第2位移轉(zhuǎn)換裝置IllB的材料和尺寸完全相同；第I光纖位移傳感器IA和第2光纖位移傳感器IB的光路中光纖長度之和也完全相等；第 I光纖位移傳感器IA的中心與測量基線一端41連接，第I光纖位移傳感器IA的外圈壓緊在外框架114A上，帶外螺紋的第I壓圈113A將第I位移轉(zhuǎn)換裝置IllA外圈壓緊在外框架114A上；第I中心壓墊112A的螺紋柱穿過第I位移轉(zhuǎn)換裝置IllA中心孔；第I法拉第旋鏡108A與第2法拉第旋鏡109A固化在第I中心壓墊112A上；第2光纖耦合器104A和第I相位調(diào)制器106A固化在第I外框架114A內(nèi)壁表面 ’第I外框架114A與第I固定座115A固定，第I固定座115A與第I基巖21固定；第2光纖位移傳感器IB的中心與測量基線另一端42連接，第2光纖位移傳感器IB的外圈壓緊在第2外框架114B上，第2壓圈113B將第2位移轉(zhuǎn)換裝置IllB外圈壓緊，與第2外框架114B固定 ’第2中心壓墊112B的螺紋柱穿過第2位移轉(zhuǎn)換裝置IllB中心孔，與測量基線另一端42連接；第3法拉第旋鏡108B與第4法拉第旋鏡109B固化在第2中心壓墊112B上；第3光纖耦合器104B和第2相位調(diào)制器106B固化在第2外框架114B中間壁左表面；第2外框架114B與第2固定座115B固定，第2固定座115B與第2基巖22固定。第I光纖位移傳感器IA中包含有標(biāo)定裝置，由鎖定旋鈕116、壓電陶瓷位移發(fā)生器117組成，其特征是壓電陶瓷位移發(fā)生器117位于鎖定旋鈕116和第I中心壓墊112A之間，并且鎖定旋鈕116與第I外框架114A和第I固定座115A采用螺紋連接，鎖定旋鈕116可以通過旋轉(zhuǎn)，使壓電陶瓷位移發(fā)生器117左右移動，標(biāo)定裝置共分為兩個工作狀態(tài)，當(dāng)光纖應(yīng)變測量儀處于一般的測量狀態(tài)時(shí)，鎖定旋鈕116處于解鎖狀態(tài)，使壓電陶瓷位移發(fā)生器117與第I中心壓墊112A脫離；當(dāng)對光纖應(yīng)變測量儀進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，即處于標(biāo)定狀態(tài)下，鎖定旋鈕116處于鎖緊狀態(tài)，壓電陶瓷位移發(fā)生器117與第I中心壓墊112A緊密連接。(I)第I固定座115A與第2固定座115B與測量基線4構(gòu)成一個溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；(2)第I固定座115A懸臂支撐結(jié)構(gòu)，懸臂部分受溫度變化其應(yīng)變方向與測量基線4的應(yīng)變方向相反；(3)第2固定座115B懸臂支撐結(jié)構(gòu)，懸臂部分受溫度變化其應(yīng)變方向與測量基線4的應(yīng)變方向相反；(4)第I固定座115A和第2固定座115B使用相同材料，測量基線4使用另一種材料，選定測量基線桿4材料的熱膨脹系數(shù)與固定座115AU15B材料的熱膨脹系數(shù)之比為T，并且第I固定座115A和第2固定座115B的懸臂長度之和與測量基線桿4的長度之比也為T。位移傳感器1A、1B、測量基線桿4以及基巖21、22總長度不超過IOOcm ；所述光纖器件都工作在單模狀態(tài)。光纖位移傳感器IA如圖3所示，選用光纖器件的詳細(xì)性能參數(shù)如表I所示。為使光路工作更為穩(wěn)定，所有光路連接均采用焊接方式。表I盤式光纖位移傳感器I米用的光纖器件IFTI m ^Ρ ^SImi
X 作波長1550±20nm;
1窄線寬激光光源101 輸出功率>lmW;
光i曾線寬<lpms丨:作波長1550±20nm;
2光隔離器W2 W離度>45dB；
插 入損耗<0.4dBe
3103 I:作波長丨550±20nm;
42x2 _介器W4A 分光比|: I；
5104B度丨 OOOmmti
^^_— 闕制幅度>2 n ;I1Lfi
- 相位調(diào)制器 -
7106Β Iri. FKft: lOOOmiMo30mim
S— 105 A「而 S6 99000mmo
9丨 07A M 纖 K 度98000mm,,
........................................ 測 W )tff ...............................................................................................................
10105B99000mm
...............II............................I07B MffKli 98000miT1
12108A 丨:作波 K: 1550±5nnij
13,…,匪90±Γ I
Ij'dibf.'M Mfei|λο|3
14騰8B 插入損fe 0.6dB；__
15wm度1000η·
^J6..........................................................................ΠΟΑ ,...........................................
_ )t電探測器 _波長范l:H:丨100 1700nm;_
17IlOB
響應(yīng)度>0A4/W;測量光纖105A、107A、105B、107B的纏繞方式如圖3所示，纏繞后的光纖盤通過環(huán)氧樹脂膠粘接在位移轉(zhuǎn)換裝置的上、下側(cè)，光纖盤粘接在位移轉(zhuǎn)換裝置的上下兩個表面上；為了使環(huán)氧樹脂膠的溫度膨脹系數(shù)與石英接近，環(huán)氧樹脂內(nèi)摻入一定量的石英粉，以降低溫度變化引起的封裝誤差。為了抑制盤式光纖位移傳感器I的測量噪聲，提高其長期穩(wěn)定性，本發(fā)明采用差分式測量結(jié)構(gòu)，基線兩端均布置位移傳感器。除盤式位移傳感器IA外，還增加了盤式位移傳感器1B。二者的光路結(jié)構(gòu)、光纖器件、幾何參數(shù)、機(jī)械裝置等完全相同，其安裝方式如圖4所示，其具體選用的機(jī)械零件的尺寸與材料如表2所示。
表2盤式光纖位移傳感器I的機(jī)械零件尺寸和材料
權(quán)利要求
1.一種超短基線差分盤式光纖位移傳感器，包括外框架，其特征是帶外螺紋的壓圈將位移轉(zhuǎn)換裝置外圈壓緊在外框架上，中心壓墊的螺紋柱穿過移轉(zhuǎn)換裝置中心孔，第I法拉第旋鏡與第2法拉第旋鏡固化在中心壓墊上，光纖耦合器和相位調(diào)制器固化在外框架內(nèi)壁表面，外框架與固定座固定，第I測量光纖和第2測量光纖分別纏繞為中空盤式層狀結(jié)構(gòu)的多層光纖環(huán)，第I測量光纖和第2測量光纖分別固化在位移轉(zhuǎn)換裝置的上下表面上，耦合器連接第I測量光纖、相位調(diào)制器和探測器，第I測量光纖連接第I法拉第旋鏡，相位調(diào)制器連接第2測量光纖，第2測量光纖連接第2法拉第旋鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超短基線差分盤式光纖位移傳感器，其特征是還包括標(biāo)定裝置，所述標(biāo)定裝置由鎖定旋鈕、壓電陶瓷位移發(fā)生器組成，壓電陶瓷位移發(fā)生器位于鎖定旋鈕和中心壓墊之間，并且鎖定旋鈕與外框架和固定座采用螺紋連接，鎖定旋鈕通過旋轉(zhuǎn)使壓電陶瓷位移發(fā)生器左右移動，所述標(biāo)定裝置共分為兩個工作狀態(tài)；測量狀態(tài)時(shí)，鎖定旋鈕處于解鎖狀態(tài)，使壓電陶瓷位移發(fā)生器與中心壓墊脫離；標(biāo)定狀態(tài)下，鎖定旋鈕處于鎖緊狀態(tài)，壓電陶瓷位移發(fā)生器與中心壓墊緊密連接。
3.一種基于權(quán)利要求I所述超短基線差分盤式光纖位移傳感器的光纖應(yīng)變儀，其特征是包括兩個超短基線差分盤式光纖位移傳感器(1A、1B)、測量基線(4)、測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)(3)，固定在第I基巖(21)上的第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器(IA)與測量基線(4)的首端(41)連接，固定在第2基巖(22)上的第2超短基線差分盤式光纖位移傳感器(IB)與測量基線(4)的末端(42)連接，第I、第2超短基線差分盤式光纖位移傳感器(ΙΑ、1B)通過信號連接線與測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)(3 )連接；光源(101)輸出的激光經(jīng)過隔離器(102)后，其能量被1X2耦合器均分為兩部分；一半光能量注入到第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器(IA)中，另外一半注入到第2超短基線差分盤式光纖位移傳感器(IB)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖應(yīng)變儀，其特征是所述第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器(IA)還包括標(biāo)定裝置，所述標(biāo)定裝置由鎖定旋鈕(116)、壓電陶瓷位移發(fā)生器(117)組成，壓電陶瓷位移發(fā)生器(117)位于鎖定旋鈕(116)和中心壓墊(112A)之間，并且鎖定旋鈕(116)與外框架和固定座采用螺紋連接，鎖定旋鈕通過旋轉(zhuǎn)使壓電陶瓷位移發(fā)生器左右移動，所述標(biāo)定裝置共分為兩個工作狀態(tài)；測量狀態(tài)時(shí)，鎖定旋鈕處于解鎖狀態(tài)，使壓電陶瓷位移發(fā)生器與中心壓墊脫離；標(biāo)定狀態(tài)下，鎖定旋鈕處于鎖緊狀態(tài)，壓電陶瓷位移發(fā)生器與中心壓墊緊密連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖應(yīng)變儀，其特征是 第I超短基線差分盤式光纖位移傳感器(1A)與第2超短基線差分盤式光纖位移傳感器(1B)的光纖光路一致，使用同一個光源，光源(101)依次連接隔離器(102)和第I耦合器(103)，第I耦合器(103)分別與第2耦合器(104A)和第3耦合器(104B)連接；第2耦合器(104A)分別連接第I測量光纖(105A)、第I相位調(diào)制器(106A)和第I探測器(110A)，第I測量光纖(105A)連接第I法拉第旋鏡(108A)，第I相位調(diào)制器(106A)連接第2測量光纖(107A)、第2測量光纖(107A)連接第2法拉第旋鏡(109A);第3耦合器(104B)分別連接第3測量光纖(105B)、第2相位調(diào)制器(106B)和第2探測器(110B)，第3測量光纖(105B)連接第3法拉第旋鏡(108B)，第2相位調(diào)制器(106B)連接第4測量光纖(107B)，第4測量光纖(107B)連接第4法拉第旋鏡(109B)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖應(yīng)變儀，其特征是第I相位調(diào)制器(106A)與第2相位調(diào)制器(106B)完全相同；第I法拉第旋鏡(108A)與第2法拉第旋鏡(109A)完全相同；第3法拉第旋鏡(108B)與第4法拉第旋鏡(109B)完全相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖應(yīng)變儀，其特征是第I測量光纖(105A)、第I法拉第旋鏡(108A)的光纖長度之和與第I相位調(diào)制器(106A)、第2測量光纖(107A)、第2法拉第旋鏡(109A)的光纖長度之和完全相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖應(yīng)變儀，其特征是第3測量光纖(105B)與第3法拉第旋鏡(108B)的光纖長度之和與第2相位調(diào)制器(106B)、第4測量光纖(107B)、第4法拉第旋鏡(109B)的光纖長度之和完全相等。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種超短基線差分盤式光纖位移傳感器及光纖應(yīng)變儀。包括外框架，帶外螺紋的壓圈將位移轉(zhuǎn)換裝置外圈壓緊在外框架上，中心壓墊的螺紋柱穿過移轉(zhuǎn)換裝置中心孔，第1法拉第旋鏡與第2法拉第旋鏡固化在中心壓墊上，光纖耦合器和相位調(diào)制器固化在外框架內(nèi)壁表面，外框架與固定座固定，第1測量光纖和第2測量光纖分別纏繞為中空盤式層狀結(jié)構(gòu)的多層光纖環(huán)，第1測量光纖和第2測量光纖分別固化在位移轉(zhuǎn)換裝置的上下表面上，耦合器連接第1測量光纖、相位調(diào)制器和探測器，第1測量光纖連接第1法拉第旋鏡，相位調(diào)制器連接第2測量光纖，第2測量光纖連接第2法拉第旋鏡。本發(fā)明主要用于地殼應(yīng)變和固體潮汐觀測，以及地震前兆信息獲取。
文檔編號G01B11/02GK102927913SQ20121038197
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者楊軍, 彭峰, 吳冰, 苑勇貴, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學(xué)