專利名稱：一種超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器及光纖應變儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖傳感測量裝置，具體地說是一種用于地球物理學研究，觀測地殼應變和固體潮汐、獲取地震前兆信息的光纖位移傳感器及由該光纖位移傳感器構成的應變儀。
背景技術：
應變測量儀是一種精密測量地殼巖體兩點間距離相對變化的儀器，在觀測地殼應變和固體潮汐，以及研究地震孕育過程和地震前兆獲取等領域中有著重要應用。自1935年美國地震學家貝尼奧夫(H.Benioff)研制成第一臺有價值的石英伸縮儀后，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，大地測量與地球動力學，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)明了一種新的應變觀測儀器——SS-Y型短基線伸縮儀(專利申請?zhí)?9116620. 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)定性的同時縮短了基線長度達到小于10米。在此基礎上，2006年呂寵江發(fā)明了差分式短基線伸縮儀(專利申請?zhí)?00610018250. 3)，提高了伸縮儀對震動、電源波動等的抗共模干擾能力，進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(專利申請?zhí)?00710053069. 0)，該裝置采用位移分辨率為O. I納米的電容傳感器，使測量基線長度減小到I米的同時，應變分辨率還能保持在IX10,。但電容傳感器的防潮和密封問題是伸縮儀能否成功實現(xiàn)的難點，并且電容傳感器極易受到強電磁干擾，不適合于在電磁污染嚴重的環(huán)境中使用。綜上所述，在提高應變儀測量精度的同時，縮短其測量基線長度，成為應變儀研制的主要方向。小型化的優(yōu)點是一方面可以降低開鑿硐體的難度，降低環(huán)境建設成本；另一方面小型化后可以便攜，有利于地震應急快速布設，甚至于井下巖層布設。目前發(fā)明的應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I納米左右；而電容位移傳感器雖然有較好的分辨力，可以達到0.01納米，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)接電路復雜，以及受潮濕、電磁干擾嚴重等缺點，不適應應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之一。相比電學類傳感器，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。2003年天津大學陳才和等人公開了一種順變柱體全光纖加速度地震檢波器(專利申請?zhí)?3236644. 2)，主要用于加速度及地震波檢測。系統(tǒng)采用單個Michelson干涉儀光路、單一質量塊，其穩(wěn)定性受到光纖和機械元件等長期性能畸變和溫度效應等干擾源的制約。

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的測量精度，并降低誤差干擾的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器。本發(fā)明的目的還在于提供一種主要由超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器構成的光纖應變儀。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器包含順變柱體式位移傳感器IA和順變柱體式參考傳感器IB兩部分，光路結構為光源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I參考光纖105B、第2相位調(diào)制器106B和第2探測器110B，第I參考光纖105B連接第3法拉第旋鏡108B，第2相位調(diào)制器106B連接第2參考光纖107B，第2參考光纖107B連接第4法拉第旋鏡109B。本發(fā)明的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器還可以包括如下特征I、結構構成為第I、第2測量光纖105AU07A和第I、第2參考光纖105BU07B各自纏繞為芯軸式多層光纖環(huán)，第I測量光纖105A固化在第I順變柱體IllA上,第2測量光纖107A固化在第2順變柱體112A上；第I參考光纖105B固化在第3順變柱體IllB上，第2參考光纖107B固化在第4順變柱體112B上；第I質量塊113A頂端與測量基線首端41連接，第I質量塊113A兩側分別與第I、第2順變柱體111AU12A的一端固化，第I、第2順變柱體111A、112A另一端固化在外框架115上；第I法拉第旋鏡108A與第2法拉第旋鏡109A固化在第I質量塊113A側面；第2光纖I禹合器104A和第I相位調(diào)制器106A固化在光器件底板114上；第2質量塊113B兩側分別與第3、第4順變柱體111BU12B的一端固化，第3、第4順變柱體111BU12B另一端固化在外框架115上；第3法拉第旋鏡108B與第4法拉第旋鏡109B固化在第2質量塊113B側面；第3光纖耦合器104B和第2相位調(diào)制器106B固化在光器件底板114上；光器件底板114安裝在外框架115底面；外框架115固定在第I基巖21上。2、四個順變柱體111A、112A、111B、112B的材料和尺寸完全相同。3、兩個質量塊113A、113B的材料和尺寸完全相同。4、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。5、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。6、第I參考光纖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2參考光纖107B、第4法拉第旋鏡109B的光纖長度之和完全相等。7、光纖位移傳感器IA和光纖參考傳感器IB的光路中光纖長度之和完全相等。由本發(fā)明的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器構成的光纖應變儀，包括位移傳感器I、測量基線4、基線固定裝置5、懸吊系統(tǒng)3、測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)6、測量標定裝置7，所述位移傳感器I固定在第I基巖21上，位移傳感器I與測量基線4的首端41連接，測量基線4的末端42安裝測量標定裝置7、并通過基線固定裝置5固定在第2基巖22上，測量基線4的中間安裝懸掛系統(tǒng)3，位移傳感器I通過第一至第四信號連接線6A、 6B、6C、6D與測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)6連接，測量標定裝置7通過第五信號連接線71與測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)6連接。本發(fā)明的光纖應變儀還可以包括所述標定裝置7由固定裝置5、壓電陶瓷位移發(fā)生器701、標定支撐座702組成，壓電陶瓷位移發(fā)生器701位于固定裝置5和標定支撐座702之間、并且與基線末端42緊密連接；標定裝置7共分為兩個工作狀態(tài)，標定狀態(tài)下，基線末端42的固定裝置5處于解鎖脫離狀態(tài)，標定支撐座702與壓電陶瓷位移發(fā)生器701右端緊密連接，使基線末端42與第2基巖22緊密連接；測量狀態(tài)下，基線末端42的固定裝置5處于鎖定狀態(tài)，基線末端42與第2基巖22緊密連接，同時標定支撐座702與壓電陶瓷701右端脫離。本發(fā)明采用順變柱體光纖位移傳感結構，實現(xiàn)了一種超短基線光纖應變儀，克服了現(xiàn)有電類傳感器在精度和穩(wěn)定性方面存在的問題和不足，通過增加參考位移傳感器，提高了測量精度，同時降低了基線尺度，可以廣泛用于地殼應變觀測與地震前兆信息獲取等地球物理學研究中。本發(fā)明的超短基線順變柱體結構的光纖應變儀中位移傳感器、測量基線桿、基線固定裝置以及測量標定裝置的總長度不超過100厘米；所有的光纖位移傳感器，其特征是所述光纖器件都工作在單模狀態(tài)。超短基線順變柱體結構的光纖應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)生應變或者形變時，則兩個測量基巖21和22之間將發(fā)生相對位移，通過固定在測量基巖22上的測量基線4將位移傳遞給光纖位移傳感器1，同時利用信號記錄與處理系統(tǒng)6對光纖位移傳感器I感知的待測位移進行解調(diào)出來，從而精確得到兩個測量基巖之間的相對位移。超短基線順變柱體結構的光纖應變儀的核心是高靈敏度的光纖位移傳感器1，它采用光纖干涉測量原理，主要包含順變柱體式位移傳感器IA和順變柱體式參考傳感器IB兩部分，其測量光路如圖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；一半光能量注入到順變柱體式位移傳感器IA中，另外一半注入到順變柱體式參考傳感器IB中。順變柱體式位移傳感器IA和順變柱體式參考傳感器IB的光纖光路分別由2X2耦合器104A、104B構成的兩個Michelson干涉儀。以位移傳感器IA為例，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，干涉強度幅值變化可以表示為I14 - I1+12+ I^JllI2 cos(k ·Δχ14 +φ1Λ)(I)式中=I1U2為分別為來自光纖位移傳感器IA的兩測量臂的反射信號強度，k為光纖中的波數(shù)，八^為兩測量臂之間的長度差異，Φ1Α為初始相位。為了增加順變柱體式位移傳感器IA光路的穩(wěn)定性，抑制光纖、器件性能的長期畸變與漂移，光路參數(shù)在選擇時，要求是全同光纖光路；為了進一步克服順變柱體式位移傳感器IA與順變柱體式參考傳感器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；
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(3)第I參考光纖與第3法拉第旋鏡的光纖長度之和與第2相位調(diào)制器、第2參考光纖、第4法拉第旋鏡的光纖長度之和完全相等；(4)光纖位移傳感器和光纖參考傳感器的光路中光纖長度也完全相等；(5)四個順變柱體的材料和尺寸完全相同；兩個質量塊的材料和尺寸完全相同。順變柱體式位移傳感器IA的結構如圖3所示，采用差動推挽測量方式，將測量光纖105Α和107Α分別制作成芯軸式多層光纖環(huán),將測量光纖105Α固化在第I順變柱體IllA的表面，將測量光纖107Α固化在第2順變柱體112Α的表面。兩個順變柱體的內(nèi)側端面與第I質量塊113Α固化，兩個順變柱體的外側端面與外框架115連接，外框架115固定在第I基巖21上，而第I質量塊與測量基線的一端41相連。當兩個測量基巖21和22之間將發(fā)生相對位移時，此位移量將無損失地傳遞到第I質量塊113Α上，使順變柱體111Α、112Α產(chǎn)生形變，如圖5所示。順變柱體式位移傳感器IA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)，則第I探測器IlOA探測得到的干涉信號的幅度將發(fā)生變化，通過對第I相位調(diào)制器106Α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)，可以獲得干涉信號強度變化對應的干涉相位幅值，從而實現(xiàn)對待測位移信號的解調(diào)。測量靈敏度最為有效的方法是增加測量光纖105Α和107Α的長度，為了達到位移分辨率10_12 10_13米，經(jīng)過計算，光纖的長度需要至少達到100米。同時為了增加順變柱體式位移傳感器IA的測量穩(wěn)定性，將法拉第旋鏡108Α和法拉第旋鏡109Α與外框架115保持相對不動，與測量基線4保持隔離。順變柱體式參考傳感器IB與順變柱體式位移傳感器IA的安裝方式有所不同，如圖4所示順變柱體式參考傳感器IB直接連接在固定于第I基巖21的外框架115上，第2質量塊113Β與測量基線4完全隔離，待測位移量不會傳遞給參考傳感器1Β。在第2相位調(diào)制器106Β加載調(diào)制信號，通過對第2探測器IlOB探測干涉強度信號的解調(diào)，可以得到完全與待測位移量隔離后的信號輸出，它被看作是測量系統(tǒng)的噪聲，包含了光源101、光纖光路、以及順變柱體111Α、112Α的影響。順變柱體式參考傳感器IB與順變柱體式位移傳感器IA的光路結構、光纖器件、幾何參數(shù)、機械裝置等完全相同，因此順變柱體式參考傳感器IB的信號輸出可以看作是順變柱體式位移傳感器IA的畸變和噪聲，二者輸出相減可以進一步提高順變柱體式位移傳感器IA的測量穩(wěn)定性和可靠性。
超短基線順變柱體結構的光纖應變儀的測量標定問題是應用過程中的需要解決的關鍵問題，以往應變儀在設計標定裝置時，將其安裝在測量基線之內(nèi)。其缺點是標定裝置的長期漂移會影響到儀器的長期測量性能，本發(fā)明設計了如圖6所示的標定裝置7。它共分為兩個工作狀態(tài)，當光纖應變測量儀處于一般的測量狀態(tài)時，基線末端的固定裝置處于鎖定狀態(tài)，使基線末端與第2基巖緊密連接，同時標定支撐座與壓電陶瓷位移器右端脫離，此時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果；當對光纖應變測量儀進行標定時，即處于標定狀態(tài)下，基線末端的固定裝置處于解鎖脫離狀態(tài)，標定支撐座與壓電陶瓷位移發(fā)生器右端緊密連接，使基線末端與第2基巖緊密連接，此時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)生位移實現(xiàn)對光纖應變儀的標定。本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果(I)采用光纖作為位移測量介質，利用長度幾十米至幾百米光纖的累計效應，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，保持極高的應變測量分辨率(10—11 10_12 ε );與目前傳統(tǒng)的伸縮儀和應變計相比，測量分辨率提高2 3個量級，有效地提高了應變儀的測 量精度；(2)采用全同光纖光路結構、順變柱體式位移測量結構，并增加了一個與被測應變量相隔離的光纖參考傳感器，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，提高了光纖應變儀的長期穩(wěn)定性，使其能夠成功應用于穩(wěn)定性和可靠性要求極高的地球物理測量領域的應變儀中；(3)光纖位移傳感器具備在潮濕、強電磁干擾、雷擊等惡劣環(huán)境下工作的能力，提高了短基線應變儀的環(huán)境適用性，降低了其使用難度和布設成本。(4)改進的位移標定裝置，安裝在測量基線之外，使標定裝置的長期漂移不影響測量，改善了光纖應變測量儀的長期穩(wěn)定性。


圖I是主要由本發(fā)明的光纖位移傳感器構成的超短基線順變柱體結構的光纖應變儀的結構示意圖；圖2是本發(fā)明的光纖位移傳感器的測量光路原理圖；圖3是順變柱體式光纖位移傳感器的結構側視圖；圖4是順變柱體式光纖位移傳感器的結構俯視圖；圖5是順變柱體式位移傳感器測量位移時的狀態(tài)圖；圖6a-圖6b是短基線光纖應變儀的標定裝置工作示意圖。
具體實施例方式以下結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。結合圖I。光纖應變儀由位移傳感器I、測量基線桿4、基線固定裝置5、測量基巖21、22、懸吊系統(tǒng)3、測量控制、信號記錄與處理系統(tǒng)6，以及測量標定裝置7組成，其特征在于固定在第I基巖21上的順變柱體式光纖位移傳感器I與測量基線4的一端41連接；測量基線4的另一端42安裝有測量標定裝置7，并通過基線固定裝置5固定在第2基巖22上；測量基線4的中間安裝有懸掛系統(tǒng)3 ;順變柱體式光纖位移傳感器I和測量標定裝置7通過信號連接線6A、6B、6C、6D、71與測量控制、信號記錄與處理系統(tǒng)6連接。同時結合圖2-圖5。光纖位移傳感器I包含順變柱體式位移傳感器IA和順變柱體式參考傳感器IB兩部分；由光源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順變柱體111A、第2順變柱體112A以及第I質量塊113A —同組成光纖位移傳感器IA ;第3耦合器104B分別連接第I參考光纖105B、第3法拉第旋鏡108B和第2相位調(diào)制器106B、第2參考光纖107B、第4法拉第旋鏡109B以及第2探測器IlOA ;上述元件與第3順變柱體111B、第4順變柱體112B以及第2質 量塊113B —同組成光纖參考傳感器1B。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；第I參考光纖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2參考光纖107B、第4法拉第旋鏡109B的光纖長度之和完全相等；光纖位移傳感器IA和光纖參考傳感器IB的光路中光纖長度之和也完全相
坐寸ο測量光纖105AU07A和參考光纖105B、107B各自纏繞為芯軸式多層光纖環(huán)，第I測量光纖105A固化在第I順變柱體IllA上，第2測量光纖107A固化在第2順變柱體112A上；第I參考光纖105B固化在第3順變柱體IllB上，第2參考光纖107B固化在第4順變柱體112B上；四個順變柱體111A、112A、111B、112B的材料和尺寸完全相同；質量塊113A、113B的材料和尺寸完全相同。光纖位移傳感器IA的第I質量塊113A頂端與測量基線一端41連接，第I質量塊113A兩側分別與順變柱體111A、112A的一端固化，順變柱體111A、112A另一端固化在外框架115上；第I法拉第旋鏡108A與第2法拉第旋鏡109A固化在第I質量塊113A側面；第2光纖稱合器104A和第I相位調(diào)制器106A固化在光器件底板114上；光器件底板114安裝在外框架115底面。光纖參考傳感器IB的第2質量塊113B兩側分別與順變柱體111B、112B的一端固化，順變柱體111BU12B另一端固化在外框架115上，第2質量塊113B與其他結構無剛性連接；第3法拉第旋鏡108B與第4法拉第旋鏡109B固化在第2質量塊113B側面；第3光纖耦合器104B和第2相位調(diào)制器106B固化在光器件底板114上；光器件底板114安裝在外框架115底面；外框架115固定在第I基巖21上。結合圖6a_圖6b。標定裝置7由固定裝置5、壓電陶瓷位移發(fā)生器701、標定支撐座702組成，其特征是壓電陶瓷位移發(fā)生器701位于固定裝置5和標定支撐座702之間，并且與基線末端42緊密連接；標定裝置7共分為兩個工作狀態(tài)，當對光纖應變測量儀進行標定時，即處于標定狀態(tài)下，基線末端42的固定裝置5處于解鎖脫離狀態(tài)，標定支撐座702與壓電陶瓷位移發(fā)生器701右端緊密連接，使基線末端42與第2基巖22緊密連接；當光纖應變測量儀處于一般的測量狀態(tài)時，基線末端42的固定裝置5處于鎖定狀態(tài)，使基線末端42與第2基巖22緊密連接，同時標定支撐座702與壓電陶瓷701右端脫離。位移傳感器I、測量基線桿4、基線固定裝置5，以及測量標定裝置7的總長度不超過100厘米；光纖器件都工作在單模狀態(tài)。超短基線順變柱體結構的光纖應變儀如圖I所示，光纖應變儀的總長度為100厘米左右，測量基線4 一端與順變柱體式光纖位移傳感器I連接，另一端與測量標定裝置7緊密連接，并同時固定于基巖21和22上；測量基線4被較細的金屬絲水平懸吊起來，并確?；€與金屬絲的接觸部位光滑，以降低摩擦力。選用光纖器件的詳細性能參數(shù)如下(I)窄線寬激光光源101，工作波長1550±20nm ;輸出功率>lmW ;光譜線寬〈1pm， 單模輸出；(2)光纖隔離器102，工作波長1550±20nm ;隔離度>45dB ;插入損耗〈O. 4dB ；(3)單模2X2光纖耦合器103、104A、104B，工作波長1550±20nm;分光比I :1 ;尾纖長度1000mm ；(4)相位調(diào)制器106A、106B，調(diào)制深度幅度>2 π ;尾纖長度1000mm，直徑30mm(5)測量光纖105A、參考光纖105B的長度99000mm ;測量光纖107A、參考光纖107B的長度98000mm ;上述光纖采用單模光纖G. 657 ；(6)光纖法拉第旋鏡108A、109A、108B、109B，工作波長1550±5nm ;旋轉角度90±1° ;插入損耗〈O. 6dB ;尾纖長度1000mm。(7)光電探測器110A、110B，波長范圍1100 1700nm ;響應度>0. 9A/W ;暗電流〈ΙηΑ ο為使光路工作更為穩(wěn)定，所有光路連接均采用焊接方式。測量光纖105A、107A、105B、107B的纏繞方式如圖3所示，纏繞后的光纖敏感柱通過環(huán)氧樹脂膠粘接在順變柱體外表面；為了使環(huán)氧樹脂膠的溫度膨脹系數(shù)與石英接近，環(huán)氧樹脂膠內(nèi)摻入一定量的石英粉，以降低溫度變化引起的封裝誤差。為了抑制順變柱式光纖位移傳感器I的測量噪聲，提高其長期穩(wěn)定性，除順變柱體式位移傳感器IA外，還增加了順變柱式參考傳感器1B。二者的光路結構、光纖器件、幾何參數(shù)、機械裝置等完全相同，其安裝方式如圖4所示，其具體選用的機械零件的尺寸與材料如下(I)測量基線4具體尺寸為長度900mm、直徑20mm ;測量基線端41的具體尺寸為寬度20mm、高度30mm、長80mm;材料采用熱膨脹系數(shù)為I. 6X 10_6/°C的銦鋼(Invar)；(2)順變柱體111A、112A、11 IB、112B的具體尺寸為直徑40mm、高度60mm，材料采用泊松比O. 49的硅橡膠；(3)質量塊113AU13B的具體尺寸為外徑50mm、厚度20mm，材料采用熱膨脹系數(shù)為
I.6Χ1(Γ6/Γ的銦鋼(Invar)；(4)光器件底板114的具體尺寸為長130mm、寬50mm、厚IOmm,材料采用黃銅；(5)外框架115的具體尺寸為寬160mm、長50mm、厚度100mm，材料采用304不銹鋼；(6)位移標定器701的具體尺寸為長、寬各為10mm、高20mm，材料采用壓電陶瓷晶體；(7)標定支撐座702的具體尺寸為長為100mm、寬為10mm、高20mm，材料采用304
不銹鋼。測量基線4的一端為金屬連接件41，41加工有固定結構，質量塊113A對應位置上加工有固定孔，采用環(huán)氧樹脂膠使質量塊113A兩側分別與順變柱體固化，并且順變柱體的另一側也用環(huán)氧樹脂膠固化在封裝框架上。傳感器IB結構與IA基本類似，但是其質量塊113B不與其他結構發(fā)生剛性連接。封裝框架上加工有固定孔，將其固定在測量基巖上。位 移轉換裝置平面垂直于水平面。理論計算可知，順變柱體的高度為60mm、直徑為40mm時，分兩層共纏繞62. 5米光纖構成外直徑為40. 5mm的光纖敏感測量柱，光纖位移傳感器的靈敏度為IOOOOrad/ μ m,即位移轉換裝置的中心有I微米的位移變換，則光纖傳感器將會有IOOOOrad的相位變化輸出，即每納米的位移變化，相位變化為lOrad。綜合各種噪聲、測量干擾以及可能影響測量的長期穩(wěn)定性因素，測量控制、信號記錄與處理系統(tǒng)6的相位分辨率至少可以達到10_2 10-3rad,即光纖位移傳感器的位移測量分辨率為10_12 10_13米，對于測量基線為I米的光纖應變儀，其應變測量分辨率為10_12 10_13應變階，比目前的傳統(tǒng)伸縮儀和應變計測量分辨率高2 3量級。
權利要求
1.一種超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器，其特征是包含順變柱體式位移傳感器(IA)和順變柱體式參考傳感器(IB)兩部分，光路結構為光源(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I參考光纖(105B)、第2相位調(diào)制器(106B)和第2探測器(110B)，第I參考光纖(105B)連接第3法拉第旋鏡(108B)，第2相位調(diào)制器(106B)連接第2參考光纖(107B)，第2參考光纖(107B)連接第4法拉第旋鏡(109B)。
2.根據(jù)權利要求I所述的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器，其特征是結構構成為第I、第2測量光纖(105A、107A)和第I、第2參考光纖(105B、107B)各自纏繞為芯軸式多層光纖環(huán)，第I測量光纖(105A)固化在第I順變柱體(111A)上，第2測量光纖(107A)固化在第2順變柱體(112A)上；第I參考光纖(105B )固化在第3順變柱體(11IB )上，第2參考光纖(107B)固化在第4順變柱體(I 12B)上；第I質量塊(113A)頂端與測量基線首端(41)連接，第I質量塊(113A)兩側分別與第I、第2順變柱體(111AU12A)的一端固化，第I、第2順變柱體(111AU12A)另一端固化在外框架(115)上；第I法拉第旋鏡(108A)與第2法拉第旋鏡(109A)固化在第I質量塊(113A)側面；第2光纖耦合器(104A)和第I相位調(diào)制器(106A)固化在光器件底板(I 14)上；第2質量塊(113B)兩側分別與第3、第4順變柱體(111BU12B)的一端固化，第3、第4順變柱體(111BU12B)另一端固化在外框架(115)上；第3法拉第旋鏡(108B)與第4法拉第旋鏡(109B)固化在第2質量塊(113B)側面；第3光纖耦合器(104B)和第2相位調(diào)制器(106B)固化在光器件底板(114)上；光器件底板(114)安裝在外框架(115)底面；外框架(115)固定在第I基巖(21)上。
3.根據(jù)權利要求2所述的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器，其特征是四個順變柱體(111A、112A、11 IB、112B)的材料和尺寸完全相同。
4.根據(jù)權利要求3所述的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器，其特征是兩個質量塊(113AU13B)的材料和尺寸完全相同。
5.根據(jù)權利要求4所述的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器，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。
6.根據(jù)權利要求5所述的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器，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。
7.根據(jù)權利要求6所述的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器，其特征是第I參考光纖(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2參考光纖(107B)、第4法拉第旋鏡(109B)的光纖長度之和完全相等。
8.根據(jù)權利要7所述的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器，其特征是光纖位移傳感器(IA)和光纖參考傳感器(IB)的光路中光纖長度之和完全相等。
9.一種權利要求I所述的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器構成的光纖應變儀，其特征是包括光纖位移傳感器(I)、測量基線(4)、基線固定裝置(5)、懸吊系統(tǒng)(3)、測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)(6 )、測量標定裝置(7 )，所述光纖位移傳感器(I)固定在第I基巖(21)上，光纖位移傳感器(I)與測量基線(4)的首端(41)連接，測量基線(4)的末端(42)安裝測量標定裝置(7)、并通過基線固定裝置(5)固定在第2基巖(22)上，測量基線(4)的中間安裝懸掛系統(tǒng)(3)，位移傳感器(I)通過第一至第四信號連接線(6A、6B、6C、6D)與測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)(6 )連接，測量標定裝置(7 )通過第五信號連接線(71)與測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)(6)連接。
10.根據(jù)權利要求9所述的光纖應變儀，其特征是所述標定裝置(7)由固定裝置(5)、壓電陶瓷位移發(fā)生器(701)、標定支撐座(702)組成，壓電陶瓷位移發(fā)生器(701)位于固定裝置(5)和標定支撐座(702)之間、并且與基線末端(42)緊密連接；標定裝置(7)共分為兩個工作狀態(tài)，標定狀態(tài)下，基線末端(42 )的固定裝置(5 )處于解鎖脫離狀態(tài)，標定支撐座(702 )與壓電陶瓷位移發(fā)生器(701)右端緊密連接，使基線末端(42 )與第2基巖(22 )緊密連接；測量狀態(tài)下，基線末端(42 )的固定裝置(5 )處于鎖定狀態(tài)，基線末端(42 )與第2基巖(22)緊密連接，同時標定支撐座(702)與壓電陶瓷(701)右端脫離。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器及光纖應變儀。光纖應變儀包括光纖位移傳感器(1)、測量基線(4)、基線固定裝置(5)、懸吊系統(tǒng)(3)、測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)(6)、測量標定裝置(7)，光纖位移傳感器(1)固定在第1基巖(21)上并與測量基線(4)的首端(41)連接，測量基線(4)的末端(42)安裝測量標定裝置(7)、并通過基線固定裝置(5)固定在第2基巖(22)上，測量基線(4)的中間安裝懸掛系統(tǒng)(3)，位移傳感器(1)和測量標定裝置(7)通過信號連接線與測量控制和信號記錄與處理系統(tǒng)(6)連接。本發(fā)明用于地球物理學研究，觀測地殼應變和固體潮汐、獲取地震前兆信息等。
文檔編號G01B11/16GK102927914SQ201210381978
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權日2012年10月10日
發(fā)明者吳冰, 楊軍, 彭峰, 苑勇貴, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學