順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器及光纖應變儀的制作方法

專利名稱：順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器及光纖應變儀的制作方法
技術領域：
本發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、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才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；應變觀測分辨率優于3X IO-9,能清晰地記錄到固體潮汐。20世紀90年代末期，中國地震局地震研究所呂寵江等人發明了一種新的應變觀測儀器——SS-Y型短基線伸縮儀(專利申請號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，標定器啟用斜楔位移傳感原理構成的精密超微量位移標定平臺，儀器的應變分辨率優于10Λ該儀器在保持高靈敏度高穩定性的同時縮短了基線長度達到小于10米。在此基礎上，2006年呂寵江發明了差分式短基線伸縮儀(專利申請號200610018250. 3)，目的是提高伸縮儀對震動、電源波動等有較強的抗共模干擾能力，可進一步縮短基線的長度，但其基線長度仍然大于5米。2007年，中國地震局地震研究所李家明等人發明了超短基線伸縮儀(專利申請號200710053069. 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境中使用。綜上所述，在提高伸縮儀測量精度的同時，縮短其測量基線長度，成為伸縮儀研制的主要方向。小型化的優點是一方面可以降低開鑿硐體的難度，降低環境建設成本；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，但是缺點是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、聯接電路復雜，以及受潮濕、電磁干擾嚴重等缺點，不十分適合應變儀可靠性、穩定性要求高，需要長期工作等實用場合。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展，已經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(專利申請號03236644. 2)，主要用于加速度及地震波檢測。系統采用單個Michelson干涉儀光路、單一質量塊，其穩定性受到光纖和機械元件等長期性能畸變和溫度效應等單一干擾源的制約。

發明內容
本發明的目的在于提供一種能有效地提高整機的測量精度，并降低誤差干擾的順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器。本發明的目的還在于提供一種基于順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器的光纖應變儀。本發明的目的是這樣實現的本發明的順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器為質量塊兩側分別與第I、第2順變柱體的一端固化，第I、第2順變柱體的另一端固化在外框架上，第I法拉第旋鏡與第2法拉第旋鏡固化在質量塊側面，光纖耦合器、相位調制器和探測器固化在光器件底板上，外框架與固定座固定；第I、第2測量光纖纏繞為芯軸式多層光纖環，第I測量光纖固化在第I順變柱體表面上，第2測量光纖固化在第2順變柱體表面上；光纖耦合器連接第I測量光纖、相位調制器和探測器，第I測量光纖連接第I法拉第旋鏡，相位調制器連接第2測量光纖，第2測量光纖連接第2法拉第旋鏡。本發明的順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器還可以包括標定裝置，所述標定裝置由鎖定旋鈕、壓電陶瓷位移發生器組成，壓電陶瓷位移發生器位于鎖定旋鈕和外框架之間，并且鎖定旋鈕與外框架采用螺紋連接，通過旋轉鎖定旋鈕使壓電陶瓷位移發生器左右移動。本發明的順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器的光纖應變儀，包括兩個順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器1A、1B、測量基線桿4、懸吊系統3、測量控制和信號記錄與處理系統5，固定在第I基巖21上的第I光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器IA與測量基線桿4的首端41連接，固定在第2基巖22上的第2順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器IB與測量基線桿4的末端42連接，第I、第2順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器1A、1B通過信號連接線與測量控制和信號記錄與處理系統5連接；光源101輸出的激光經過隔離器102后，其能量被第I耦合器103均分為兩部分；一半光能量注入到第I順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器IA中，另外一半注入到第2順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器IB中。本發明的光纖應變儀還可以包括I、所述的第I光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器IA還包括標定裝置，所述標定裝置由鎖定旋鈕117、壓電陶瓷位移發生器118組成，壓電陶瓷位移發生器118位于鎖定旋鈕117和第I外框架115A之間，并且鎖定旋鈕117與第I外框架115A采用螺紋連接，鎖定旋鈕117可以通過旋轉，使壓電陶瓷位移發生器118左右移動，標定裝置共分為兩個工作狀態，測量狀態時，鎖定旋鈕117處于解鎖狀態，使壓電陶瓷位移發生器118與測量基線桿首端41脫離；標定狀態下，鎖定旋鈕117處于鎖緊狀態，壓電陶瓷位移發生器118與測量基線桿首端41緊密連接。2、第I、第2光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器1A、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相位調制器106A與第2相位調制器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。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。本發明采用順變柱體式光纖位移傳感結構，實現了一種順變柱體結構的推挽式光纖應變儀，推挽式結構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，主要用于地殼應變和固體潮汐觀測，以及地震前兆信息獲取。本發明的順變柱體結構的推挽式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，地殼產生應變或者形變時，則兩個測量基巖21和22之間將發生相對位移，第I光纖位移傳感器IA與第I光纖位移傳感器IB之間的距離發生變化，并且測量基線4的長度固定，因此位移同時傳遞給第I光纖位移傳感器IA和第2光纖位移傳感器1B,同時利用信號記錄與處理系統3對光纖位移傳感器IA和IB和感知的待測位移進行解調出來，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。順變柱體結構的推挽式光纖應變儀的核心是高靈敏度的兩個光纖位移傳感器，分別是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，兩個傳感器完全一致，采用光纖干涉測量原理，采用推挽測量結構，消除或減小來自同一干擾噪聲源對光纖應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。光纖位移傳感器的測量光路如圖2所示，由光源101輸出的窄帶高功率激光經過隔離器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耦合器104AU04B構成的兩個Michelson干涉儀；其中第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相位調制器106A、第2測量光纖107A、第2法拉第旋鏡109A構成。由第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表面上產生干涉，干涉強度幅值變化可以表示為Iia = I1 +12+ 2^1J2 cos(k. Axlj + φΙΑ)UJ
式中山、I2為分別為來自第I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，八^為兩測量臂之間的長度差異，Φ1Α為初始相位。為了實現推挽式測量，對于光纖應變儀中的第2光纖位移傳感器，光路參數在選擇時，要求是全同光纖光路；為了進一步克服第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，SP (I)第I相位調制器與第2相位調制器、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I相位調制器、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；(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。第I光纖位移傳感器IA的結構如圖3中左圖所示，采用差動推挽測量方式，將第I測量光纖105Α和第2測量光纖107Α分別制作成芯軸式多層光纖環，將第I測量光纖105Α固化在第I順變柱體IllA的表面上，將第2測量光纖107Α固化在第2順變柱體112Α表面。第I質量塊兩側分別與順變柱體111Α、112Α的一端固化，順變柱體111Α、112Α另一端固化在第I外框架115Α上，外框架115Α與第I固定座116Α連接，第I固定座116Α被固定在第I基巖21上，第I質量塊113Α頂端與測量基線一端41連接。第2光纖位移傳感器IB的結構如圖3中右圖所示，結構與第I光纖位移傳感器IA一致，但不包含鎖定旋鈕和壓電陶瓷位移發生器。外框架115Β與第2固定座116Β連接，第2固定座116Β被固定在第2基巖22上，第2質量塊113Β與測量基線的另一端42相連。當兩個測量基巖21和22之間發生相對位移時，此位移量將無損失地傳遞給第I質量塊113Α和第2質量塊113Β，分別使順變柱體111Α、112Α和順變柱體111Β、112Β產生形變，如圖5所示。光纖位移傳感器1Α、1Β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110Α、110Β探測得到的干涉信號的幅度將發生變化，通過對相位調制器106Α、106Β上加載已知頻率和幅度的調制信號，再通過信號探測系統的解調，可以分別獲得干涉信號強度變化對應的干涉相位幅值，從而實現位移信號的解調，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，即實現對兩個基巖之間的相對位移測測量。測量靈敏度最為有效的方法是增加測量光纖105Α、107Α、105Β、107Β的長度，為了
達到位移分辨率10_12 10_13米，經過計算光纖的長度需要至少達到100米。除位移傳感器自身性能外，影響應變儀的長期穩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，會選用熱膨脹系數相對較小的材料，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，_20°C 20°C之間時其平均值約I. 6X10_6/°C，基本上是一般鋼、銅等材料的十分之一。此外，再嚴格控制應變儀工作環境的溫度波動(例如小于
O.001°C)，則可以保證應變儀的應變測量分辨率達到10_9應變階。對于本發明提出的高靈敏度短基線光纖應變儀的10_n 10_12應變測量分辨率而言，上述方法不能夠滿足系統測量要求。需要在上述技術方案的基礎上，采用溫度補償方法，使光纖位移傳感器的第I和第2固定座與測量基線桿構成一個溫度補償結構，從而降低了應變儀整體的溫度敏感效應，提高了測量長期穩定性。具體方法是1)第I和第2固定座采用懸臂支撐結構，懸臂部分受溫度變化其應變方向與測量基線桿的應變方向相反；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與第I、第2固定座材料的熱膨脹系數之比為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。采用上述溫度補償方法，通過對固定座和測量基線的材料選擇和結構設計，補償應變儀的熱膨脹影響，使其整體溫度系數可以下降2個量級以上。順變柱體結構的推挽式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。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，本發明設計在第I光纖位移傳感器IA中加入標定裝置，由鎖定旋鈕117和壓電陶瓷位移發生器118組成，如圖3中左圖所示。測量基線一端41與固定座116A位置對應的地方，安裝一個鎖定旋鈕117，壓電陶瓷位移發生器118在鎖定旋鈕117與測量基線一端41之間，與鎖定旋鈕117固定，并且可以隨著鎖定旋鈕117的旋轉前后移動。測量標定裝置的特征是壓電陶瓷位移發生器位于鎖定旋鈕和測量基線一端41之間，并且鎖定旋鈕與第I固定座采用螺紋連接，鎖定旋鈕可以通過旋轉，使壓電陶瓷位移發生器左右移動，標定裝置共分為兩個工作狀態，當光纖應變測量儀處于一般的測量狀態時，鎖定旋鈕處于解鎖狀態，使壓電陶瓷位移發生器與測量基線一端41脫離，此時壓電陶瓷位移器不包含在測量基線內，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，即處于標定狀態下，鎖定旋鈕處于鎖緊狀態，壓電陶瓷位移發生器與測量基線一端41緊密連接，如圖6所示，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生位移實現對光纖應變儀的標定。本發明具有下列優點和積極效果(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，將光纖纏繞成芯軸式多層光纖環，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_n 10_12 ε );與目前傳統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、全差分順變柱體結果位移測量結構，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，提高了光纖應變儀的長期穩定性，使其能夠成功應用于穩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)采用溫度補償結構和材料設計，抑制了測量基線的溫度影響，降低了應變儀整體的溫度敏感效應，提高了光纖應變儀的長期測量穩定性。(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定性。(5)光纖位移傳感器具備在潮濕、強電磁干擾、雷擊等惡劣環境下工作的能力，提高了短基線應變儀的環境適用性，降低了其使用難度和布設成本。


圖I是順變柱體結構的推挽式光纖應變儀結構圖；圖2是推挽式光纖應變儀的傳感器光路原理圖；圖3a是第I光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器結構圖，圖3b是第2光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器結構圖；圖4a是第I光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器內部器件位置結構圖，圖4b是第2光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器內部器件位置結構圖；圖5是順變柱體式位移傳感器測量位移時的狀態圖；圖6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明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。結合圖1，順變柱體結構的推挽式光纖應變儀由位移傳感器1A、1B、測量基線桿4、懸吊系統3、測量基巖21、22以及測量控制、信號記錄與處理系統5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；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5A、5B、5C、5D、5E與測量控制、信號記錄與處理系統5連接。結合圖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組成第2光纖位移傳感器1B。結合圖3a和圖4a，第I光纖位移傳感器IA的第I相位調制器106A與第2相位調制器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；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纏繞為芯軸式多層光纖環，第I測量光纖105A固化在第I順變柱體IllA表面上，第2測量光纖107A固化在第2順變柱體112A表面上；結合圖3b和圖4b，第2光纖位移傳感器IB的第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105B、107B各自纏繞為芯軸式多層光纖環，第3測量光纖105B固化在第3順變柱體IllB表面上，第4測量光纖107A固化在第4順變柱體112B表面上。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完全相等 ’第I順變柱體111A、第2順變柱體112A、第3順變柱體111B、第4順變柱體112B的材料和尺寸完全相同;第I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111AU12A的一端固化，順變柱體111AU12A另一端固化在第I外框架115A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相位調制器106A固化在第I光器件底板114A上；第I外框架115A與第I固定座116A固定，第I固定座116A與第I基巖21固定；第2光纖位移傳感器IB的第2質量塊113B頂端與測量基線另一端42連接，第2質量塊113B兩側分別與順變柱體111BU12B的一端固化，順變柱體111BU12B另一端固化在第2外框架115B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相位調制器106B固化在第2光器件底板114B上；第2外框架115B與第2固定座116B固定，第2固定座116B與第2基巖22固定。第I光纖位移傳感器IA中包含有標定裝置，由鎖定旋鈕117、壓電陶瓷位移發生器118組成，壓電陶瓷位移發生器118位于鎖定旋鈕117和第I外框架115A之間，并且鎖定旋鈕117與第I外框架115A采用螺紋連接，鎖定旋鈕117可以通過旋轉，使壓電陶瓷位移發生器118左右移動，標定裝置共分為兩個工作狀態，當光纖應變測量儀處于一般的測量狀態時，鎖定旋鈕117處于解鎖狀態，使壓電陶瓷位移發生器118與測量基線一端41脫離；當對光纖應變測量儀進行標定時，即處于標定狀態下，鎖定旋鈕117處于鎖緊狀態，壓電陶瓷位移發生器118與測量基線一端41緊密連接。第I固定座116A和第2固定座116B與測量基線桿4構成一個溫度補償結構。第I固定座116A為懸臂支撐結構，懸臂部分受溫度變化其應變方向與測量基線桿4的應變方向相反；第2固定座116B為懸臂支撐結構，懸臂部分受溫度變化其應變方向與測量基線桿4的應變方向相反；第I固定座116A和第2固定座116B使用相同材料，測量基線桿4使用另一種材料，選定測量基線桿4材料的熱膨脹系數與固定座116AU16B材料的熱膨脹系數之比為T，并且第I固定座116A和第2固定座116B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100厘米。所述光纖器件都工作在單模狀態。光纖應變儀的總長度為100厘米左右，由測量基線4 一端與順變柱體式位移光纖傳感器IA連接，另一端與順變柱體式位移光纖傳感器IB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，并確保基線與金屬絲的接觸部位光滑，以降低摩擦力。順變柱體式位移光纖傳感器I如圖I所示，選用光纖器件的詳細性能參數如下(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)相位調制器106A、106B，調制深度幅度>2 π ;尾纖長度1000mm，直徑30mm(5)測量光纖 105A、105B 的長度 99000mm ;測量光纖 107A、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〈InAo為使光路工作更為穩定，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，纏繞后的光纖柱通過環
氧樹脂膠粘接在順變柱體外表面；為了使環氧樹脂膠的溫度膨脹系數與石英接近，環氧樹脂內摻入一定量的石英粉，以降低溫度變化引起的封裝誤差。為了抑制順變柱體式光纖位移傳感器I的測量噪聲，提高其長期穩定性，本專利采用推挽式測量結構，基線兩端均布置位移傳感器。除順變柱式位移傳感器IA外，還增加了順變柱體式位移傳感器1B。二者的光路結構、光纖器件、幾何參數、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、42的具體尺寸為寬度20臟、高度30mm、長80mm ;材料采用熱膨脹系數為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為
I.6Χ1(Γ6/Γ的銦鋼(Invar)；(4)光器件底板114A、114B的具體尺寸為長130mm、寬50mm、厚10mm，材料采用黃銅；(5)外框架115A、115B的具體尺寸為寬160mm、長160mm、厚度100mm，材料采用304不銹鋼；(6)固定座116A、116B的具體尺寸為寬160mm、長42. 3mm、高130mm，材料采用304不銹鋼；(7)鎖定旋鈕117的具體尺寸為長度50mm，厚度10mm，螺紋M15 X I長度20mm ;(8)位移標定器118的具體尺寸為長、寬各為10mm、高20mm，材料采用壓電陶瓷晶體；測量基線4的一端為金屬連接件41，金屬連接件41加工有固定結構，質量塊113A對應位置上加工有固定孔，通過環氧樹脂膠質量塊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氧樹脂膠固化在封裝框架上。傳感器IB結構與IA完全一樣，質量塊113B與測量基線4的另一端為金屬連接件42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。溫度補償結構具體設計為(1)測量基線的材料選擇為銦鋼(Invar)，即含有35. 4%鎳的鐵合金，-20°C 20°C之間熱膨脹系數平均值約I. 6X 10_6/°C，基線的長度選擇為915. 3mm ; (2)光纖位移傳感器第I和第2固定座的材料選擇為304不銹鋼，O 100°C之間熱膨脹系數為17. 3X10_6/°C，固定座的厚度選擇為42. 3mm。采用上述溫度補償結構，應變儀整體的熱膨脹系數下降為ο. 9x io_1(y°c。當溫度波動小于O. oorc時，應變儀的長期穩定性可以優于I X 10_12應變階。理論計算可知，當在高度為60mm，直徑為40mm，順變柱體上纏繞100米光纖，構成內直徑為40_光纖敏感測量柱，當工作時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I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定性因素，測量控制、信號記錄與處理系統6的相位分辨率至少可以達到10_2 10-3rad,即光纖位移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，比目前的傳統伸縮儀和應變計測量分辨率高2 3量級。
權利要求
1.一種順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器，其特征是質量塊兩側分別與第I、第2順變柱體的一端固化，第I、第2順變柱體的另一端固化在外框架上，第I法拉第旋鏡與第2法拉第旋鏡固化在質量塊側面，光纖耦合器、相位調制器和探測器固化在光器件底板上，外框架與固定座固定；第I、第2測量光纖纏繞為芯軸式多層光纖環，第I測量光纖固化在第I順變柱體表面上，第2測量光纖固化在第2順變柱體表面上；光纖耦合器連接第I測量光纖、相位調制器和探測器，第I測量光纖連接第I法拉第旋鏡，相位調制器連接第2測量光纖，第2測量光纖連接第2法拉第旋鏡。
2.根據權利要求I所述的順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器，其特征是還包括標定裝置，所述標定裝置由鎖定旋鈕、壓電陶瓷位移發生器組成，壓電陶瓷位移發生器位于鎖定旋鈕和外框架之間，并且鎖定旋鈕與外框架采用螺紋連接，通過旋轉鎖定旋鈕使壓電陶瓷位移發生器左右移動。
3.一種基于權利要求I的順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器的光纖應變儀，其特征是包括兩個順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器(1A、1B)、測量基線桿(4)、懸吊系統(3)、測量控制和信號記錄與處理系統(5)，固定在第I基巖(21)上的第I光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器(IA)與測量基線桿(4)的首端(41)連接，固定在第2基巖(22)上的第2順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器(IB)與測量基線桿(4)的末端(42)連接，第I、第2順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器(1A、1B)通過信號連接線與測量控制和信號記錄與處理系統(5)連接；光源(101)輸出的激光經過隔離器(102)后，其能量被第I耦合器(103)均分為兩部分；一半光能量注入到第I順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器(IA)中，另外一半注入到第2順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器(IB)中。
4.根據權利要求3所述的光纖應變儀，其特征是所述的第I光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器(1A)還包括標定裝置，所述標定裝置由鎖定旋鈕(117)、壓電陶瓷位移發生器(118)組成，壓電陶瓷位移發生器(118)位于鎖定旋鈕(117)和第I外框架(115A)之間，并且鎖定旋鈕(117)與第I外框架(115A)采用螺紋連接，鎖定旋鈕(117)可以通過旋轉，使壓電陶瓷位移發生器(118)左右移動，標定裝置共分為兩個工作狀態，測量狀態時，鎖定旋鈕(117)處于解鎖狀態，使壓電陶瓷位移發生器(118)與測量基線桿首端(41)脫離；標定狀態下，鎖定旋鈕(117)處于鎖緊狀態，壓電陶瓷位移發生器(118)與測量基線桿首端(41)緊密連接。
5.根據權利要求3或4所述的光纖應變儀，其特征是第I、第2光順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器(ΙΑ、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.根據權利要求5所述的光纖應變儀，其特征是第I相位調制器(106A)與第2相位調制器(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.根據權利要求5所述的光纖應變儀，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.根據權利要求5所述的光纖應變儀，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
本發明提供的是一種順變柱體結構的推挽式光纖位移傳感器及光纖應變儀。固定在第1基巖上的第1光纖位移傳感器與測量基線桿的首端連接，固定在第2基巖上的第2光纖位移傳感器與測量基線桿的末端連接，第1、第2光纖位移傳感器通過信號連接線與測量控制和信號記錄與處理系統連接；光源輸出的激光經過隔離器后，其能量被第1耦合器均分為兩部分；一半光能量注入到第1光纖位移傳感器中，另外一半注入到第2光纖位移傳感器中。本發明可以廣泛用于觀測地殼應變和固體潮汐、獲取地震前兆信息等地球物理學研究領域。
文檔編號G01B11/02GK102927912SQ201210381908
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月10日 優先權日2012年10月10日
發明者楊軍, 彭峰, 吳冰, 苑勇貴, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學