一种超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器及光纤应变仪制造技术

本发明专利技术提供的是一种超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器及光纤应变仪。光纤应变仪包括光纤位移传感器（1）、测量基线（4）、基线固定装置（5）、悬吊系统（3）、测量控制和信号记录与处理系统（6）、测量标定装置（7），光纤位移传感器（1）固定在第1基岩（21）上并与测量基线（4）的首端（41）连接，测量基线（4）的末端（42）安装测量标定装置（7）、并通过基线固定装置（5）固定在第2基岩（22）上，测量基线（4）的中间安装悬挂系统（3），位移传感器（1）和测量标定装置（7）通过信号连接线与测量控制和信号记录与处理系统（6）连接。本发明专利技术用于地球物理学研究，观测地壳应变和固体潮汐、获取地震前兆信息等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种光纤传感测量装置，具体地说是一种用于地球物理学研究，观测地壳应变和固体潮汐、获取地震前兆信息的光纤位移传感器及由该光纤位移传感器构成的应变仪。
技术介绍
应变测量仪是一种精密测量地壳岩体两点间距离相对变化的仪器，在观测地壳应变和固体潮汐，以及研究地震孕育过程和地震前兆获取等领域中有着重要应用。自1935年美国地震学家贝尼奥夫(H.Benioff)研制成第一台有价值的石英伸缩仪后，美、英、前苏联、日、比、德等国都相继研制了高灵敏度的伸缩仪。仪器的灵敏度一般都在10_8以上，能清晰记录到固体潮汐。 我国开展这方面的研究较晚，20世纪80年代初中国地震局地震研究所蔡帷鑫等人研制出较为实用的伸缩仪——SSY-II型水平石英伸缩仪(蔡帷鑫，谭适龄，SSY-II型石英伸缩仪的研制与试验，大地测量与地球动力学，Vol. 5(1) :31-41，1985)。仪器的测量基线采用熔融石英管，其基线长度为10米以上，一般为30 50米；应变观测分辨率优于3X 10_9，能清晰地记录到固体潮汐。20世纪90年代末，中国地震局地震研究所吕宠江等人专利技术了一种新的应变观测仪器——SS-Y型短基线伸缩仪(专利申请号99116620. 5)，它选用特种铟钢棒作为基线，并垂直自由悬挂，选用电涡流传感器或差动变压器作为位移传感器，仪器的应变分辨率优于10Λ该仪器在保持高灵敏度高稳定性的同时缩短了基线长度达到小于10米。在此基础上，2006年吕宠江专利技术了差分式短基线伸缩仪(专利申请号200610018250. 3)，提高了伸缩仪对震动、电源波动等的抗共模干扰能力，进一步缩短了测量基线长度，但其整体长度仍大于5米。2007年，中国地震局地震研究所李家明等人专利技术了超短基线伸缩仪(专利申请号200710053069. 0)，该装置采用位移分辨率为O. I纳米的电容传感器，使测量基线长度减小到I米的同时，应变分辨率还能保持在IX10,。但电容传感器的防潮和密封问题是伸缩仪能否成功实现的难点，并且电容传感器极易受到强电磁干扰，不适合于在电磁污染严重的环境中使用。综上所述，在提高应变仪测量精度的同时，缩短其测量基线长度，成为应变仪研制的主要方向。小型化的优点是一方面可以降低开凿硐体的难度，降低环境建设成本；另一方面小型化后可以便携，有利于地震应急快速布设，甚至于井下岩层布设。目前专利技术的应变仪中位移传感器主要采用电涡流位移传感器、差动变压器位移传感器，或者电容位移传感器，其中前两者最好的位移分辨率I纳米左右；而电容位移传感器虽然有较好的分辨力，可以达到0.01纳米，但存在寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响大、输出具有非线性、联接电路复杂，以及受潮湿、电磁干扰严重等缺点，不适应应变仪对传感器长期稳定可靠工作的需求。因此，需要研制新的位移传感器，以满足应变仪提高测量精度和小型化的要求。近年来，光纤传感器的研究得到快速发展，已经成为测量灵敏度最高的传感技术之一。相比电学类传感器，它具有灵敏度高(皮米、亚皮米级位移分辨率)，动态范围大(160 180dB)，测量频带宽(DC MHz)，对电磁干扰免疫，抗潮湿、耐腐蚀，十分适合于恶劣环境中。2003年天津大学陈才和等人公开了一种顺变柱体全光纤加速度地震检波器(专利申请号03236644. 2)，主要用于加速度及地震波检测。系统采用单个Michelson干涉仪光路、单一质量块，其稳定性受到光纤和机械元件等长期性能畸变和温度效应等干扰源的制约。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能有效地提高整机的测量精度，并降低误差干扰的超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器。本专利技术的目的还在于提供一种主要由超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器构成的光纤应变仪。 本专利技术的目的是这样实现的本专利技术的超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器包含顺变柱体式位移传感器IA和顺变柱体式参考传感器IB两部分，光路结构为光源101依次连接隔离器102和第I耦合器103，第I耦合器103分别与第2耦合器104A和第3耦合器104B连接，第2耦合器104A分别连接第I测量光纤105A、第I相位调制器106A和第I探测器110A，第I测量光纤105A连接第I法拉第旋镜108A，第I相位调制器106A连接第2测量光纤107A，第2测量光纤107A连接第2法拉第旋镜109A，第3耦合器104B分别连接第I参考光纤105B、第2相位调制器106B和第2探测器110B，第I参考光纤105B连接第3法拉第旋镜108B，第2相位调制器106B连接第2参考光纤107B，第2参考光纤107B连接第4法拉第旋镜109B。本专利技术的超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器还可以包括如下特征I、结构构成为第I、第2测量光纤105AU07A和第I、第2参考光纤105BU07B各自缠绕为芯轴式多层光纤环，第I测量光纤105A固化在第I顺变柱体IllA上,第2测量光纤107A固化在第2顺变柱体112A上；第I参考光纤105B固化在第3顺变柱体IllB上，第2参考光纤107B固化在第4顺变柱体112B上；第I质量块113A顶端与测量基线首端41连接，第I质量块113A两侧分别与第I、第2顺变柱体111AU12A的一端固化，第I、第2顺变柱体111A、112A另一端固化在外框架115上；第I法拉第旋镜108A与第2法拉第旋镜109A固化在第I质量块113A侧面；第2光纤I禹合器104A和第I相位调制器106A固化在光器件底板114上；第2质量块113B两侧分别与第3、第4顺变柱体111BU12B的一端固化，第3、第4顺变柱体111BU12B另一端固化在外框架115上；第3法拉第旋镜108B与第4法拉第旋镜109B固化在第2质量块113B侧面；第3光纤耦合器104B和第2相位调制器106B固化在光器件底板114上；光器件底板114安装在外框架115底面；外框架115固定在第I基岩21上。2、四个顺变柱体111A、112A、111B、112B的材料和尺寸完全相同。3、两个质量块113A、113B的材料和尺寸完全相同。4、第I相位调制器106A与第2相位调制器106B完全相同；第I法拉第旋镜108A与第2法拉第旋镜109A完全相同；第3法拉第旋镜108B与第4法拉第旋镜109B完全相同。5、第I测量光纤105A、第I法拉第旋镜108A的光纤长度之和与第I相位调制器106A、第2测量光纤107A、第2法拉第旋镜109A的光纤长度之和完全相等。6、第I参考光纤105B与第3法拉第旋镜108B的光纤长度之和与第2相位调制器106B、第2参考光纤107B、第4法拉第旋镜109B的光纤长度之和完全相等。7、光纤位移传感器IA和光纤参考传感器IB的光路中光纤长度之和完全相等。由本专利技术的超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器构成的光纤应变仪，包括位移传感器I、测量基线4、基线固定装置5、悬吊系统3、测量控制和信号记录与处理系统6、测量标定装置7，所述位移传感器I固定在第I基岩21上，位移传感器I与测量基线4的首端41连接，测量基线4的末端42安装测量标定装置7、并通过基线固定装置5固定在第2基岩22上，测量基线4的中间安装悬挂系统3，位移传感器I通过第一至第四信号连接线6A、 6B、6C、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器，其特征是：包含顺变柱体式位移传感器（1A）和顺变柱体式参考传感器（1B）两部分，光路结构为：光源（101）依次连接隔离器（102）和第1耦合器（103），第1耦合器（103）分别与第2耦合器（104A）和第3耦合器（104B）连接，第2耦合器（104A）分别连接第1测量光纤（105A）、第1相位调制器（106A）和第1探测器（110A），第1测量光纤（105A）连接第1法拉第旋镜（108A），第1相位调制器（106A）连接第2测量光纤（107A），第2测量光纤（107A）连接第2法拉第旋镜（109A），第3耦合器（104B）分别连接第1参考光纤（105B）、第2相位调制器（106B）和第2探测器（110B），第1参考光纤（105B）连接第3法拉第旋镜（108B），第2相位调制器（106B）连接第2参考光纤（107B），第2参考光纤（107B）连接第4法拉第旋镜（109B）。

【技术特征摘要】
1.一种超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器，其特征是包含顺变柱体式位移传感器(IA)和顺变柱体式参考传感器(IB)两部分，光路结构为光源(101)依次连接隔离器(102)和第I耦合器(103)，第I耦合器(103)分别与第2耦合器(104A)和第3耦合器(104B)连接，第2耦合器(104A)分别连接第I测量光纤(105A)、第I相位调制器(106A)和第I探测器(110A)，第I测量光纤(105A)连接第I法拉第旋镜(108A)，第I相位调制器(106A)连接第2测量光纤(107A)，第2测量光纤(107A)连接第2法拉第旋镜(109A)，第3耦合器(104B)分别连接第I参考光纤(105B)、第2相位调制器(106B)和第2探测器(110B)，第I参考光纤(105B)连接第3法拉第旋镜(108B)，第2相位调制器(106B)连接第2参考光纤(107B)，第2参考光纤(107B)连接第4法拉第旋镜(109B)。2.根据权利要求I所述的超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器，其特征是结构构成为第I、第2测量光纤(105A、107A)和第I、第2参考光纤(105B、107B)各自缠绕为芯轴式多层光纤环，第I测量光纤(105A)固化在第I顺变柱体(111A)上，第2测量光纤(107A)固化在第2顺变柱体(112A)上；第I参考光纤(105B )固化在第3顺变柱体(11IB )上，第2参考光纤(107B)固化在第4顺变柱体(I 12B)上；第I质量块(113A)顶端与测量基线首端(41)连接，第I质量块(113A)两侧分别与第I、第2顺变柱体(111AU12A)的一端固化，第I、第2顺变柱体(111AU12A)另一端固化在外框架(115)上；第I法拉第旋镜(108A)与第2法拉第旋镜(109A)固化在第I质量块(113A)侧面；第2光纤耦合器(104A)和第I相位调制器(106A)固化在光器件底板(I 14)上；第2质量块(113B)两侧分别与第3、第4顺变柱体(111BU12B)的一端固化，第3、第4顺变柱体(111BU12B)另一端固化在外框架(115)上；第3法拉第旋镜(108B)与第4法拉第旋镜(109B)固化在第2质量块(113B)侧面；第3光纤耦合器(104B)和第2相位调制器(106B)固化在光器件底板(114)上；光器件底板(114)安装在外框架(115)底面；外框架(115)固定在第I基岩(21)上。3.根据权利要求2所述的超短基线顺变柱体结构光纤位移传感器，其特征是四个顺变柱体(111A、112A、11 IB、112B)的材料和尺寸完全相同。4.根据权利要求3所述的超短基线顺变柱体结构光纤位...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴冰，杨军，彭峰，苑勇贵，苑立波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：