CN102927912B - 顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器及光纤应变仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器及光纤应变仪。固定在第1基岩上的第1光纤位移传感器与测量基线杆的首端连接，固定在第2基岩上的第2光纤位移传感器与测量基线杆的末端连接，第1、第2光纤位移传感器通过信号连接线与测量控制和信号记录与处理系统连接；光源输出的激光经过隔离器后，其能量被第1耦合器均分为两部分；一半光能量注入到第1光纤位移传感器中，另外一半注入到第2光纤位移传感器中。本发明可以广泛用于观测地壳应变和固体潮汐、获取地震前兆信息等地球物理学研究领域。

Description

顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器及光纤应变仪

技术领域

本发明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应变仪。

背景技术

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才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3×10^-9，能清晰地记录到固体潮汐。

20世纪90年代末期，中国地震局地震研究所吕宠江等人发明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，标定器启用斜楔位移传感原理构成的精密超微量位移标定平台，仪器的应变分辨率优于10^-9。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年吕宠江发明了差分式短基线伸缩仪（专利申请号：200610018250.3），目的是提高伸缩仪对震动、电源波动等有较强的抗共模干扰能力，可进一步缩短基线的长度，但其基线长度仍然大于5米。

2007年，中国地震局地震研究所李家明等人发明了超短基线伸缩仪（专利申请号：200710053069.0），该装置采用位移分辨率为0.1纳米的电容传感器，使测量基线长度减小到1米的同时，应变分辨率还能保持在1×10^-10。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，在提高伸缩仪测量精度的同时，缩短其测量基线长度，成为伸缩仪研制的主要方向。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。

目前发明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1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，但是缺点是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，不十分适合应变仪可靠性、稳定性要求高，需要长期工作等实用场合。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单一干扰源的制约。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效地提高整机的测量精度，并降低误差干扰的顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器。本发明的目的还在于提供一种基于顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器的光纤应变仪。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器为：质量块两侧分别与第1、第2顺变柱体的一端固化，第1、第2顺变柱体的另一端固化在外框架上，第1法拉第旋镜与第2法拉第旋镜固化在质量块侧面，光纤耦合器、相位调制器和探测器固化在光器件底板上，外框架与固定座固定；第1、第2测量光纤缠绕为芯轴式多层光纤环，第1测量光纤固化在第1顺变柱体表面上，第2测量光纤固化在第2顺变柱体表面上；光纤耦合器连接第1测量光纤、相位调制器和探测器，第1测量光纤连接第1法拉第旋镜，相位调制器连接第2测量光纤，第2测量光纤连接第2法拉第旋镜。

本发明的顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器还可以包括标定装置，所述标定装置由锁定旋钮、压电陶瓷位移发生器组成，压电陶瓷位移发生器位于锁定旋钮和外框架之间，并且锁定旋钮与外框架采用螺纹连接，通过旋转锁定旋钮使压电陶瓷位移发生器左右移动。

本发明的顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器的光纤应变仪，包括两个顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器1A、1B、测量基线杆4、悬吊系统3、测量控制和信号记录与处理系统5，固定在第1基岩21上的第1光顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器1A与测量基线杆4的首端41连接，固定在第2基岩22上的第2顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器1B与测量基线杆4的末端42连接，第1、第2顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器1A、1B通过信号连接线与测量控制和信号记录与处理系统5连接；光源101输出的激光经过隔离器102后，其能量被第1耦合器103均分为两部分；一半光能量注入到第1顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器1A中，另外一半注入到第2顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器1B中。

本发明的光纤应变仪还可以包括：

1、所述的第1光顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器1A还包括标定装置，所述标定装置由锁定旋钮117、压电陶瓷位移发生器118组成，压电陶瓷位移发生器118位于锁定旋钮117和第1外框架115A之间，并且锁定旋钮117与第1外框架115A采用螺纹连接，锁定旋钮117可以通过旋转，使压电陶瓷位移发生器118左右移动，标定装置共分为两个工作状态，测量状态时，锁定旋钮117处于解锁状态，使压电陶瓷位移发生器118与测量基线杆首端41脱离；标定状态下，锁定旋钮117处于锁紧状态，压电陶瓷位移发生器118与测量基线杆首端41紧密连接。

2、第1、第2光顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器1A、1B的光纤光路一致，使用同一个光源，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3测量光纤105B、第2相位调制器106B和第2探测器110B，第3测量光纤105B连接第3法拉第旋镜108B，第2相位调制器106B连接第4测量光纤107B，第4测量光纤107B连接第4法拉第旋镜109B。

3、第1相位调制器106A与第2相位调制器106B完全相同；第1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。

4、第1测量光纤105A、第1法拉第旋镜108A的光纤长度之和与第1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。

5、第3测量光纤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4测量光纤107B、第4法拉第旋镜109B的光纤长度之和完全相等。

本发明采用顺变柱体式光纤位移传感结构，实现了一种顺变柱体结构的推挽式光纤应变仪，推挽式结构将有效地消除或减小来自同一干扰噪声源的影响，从而提高测量的精度，主要用于地壳应变和固体潮汐观测，以及地震前兆信息获取。

本发明的顺变柱体结构的推挽式光纤应变仪的工作原理如图1所示，在固体潮汐和地震波的作用下，地壳产生应变或者形变时，则两个测量基岩21和22之间将发生相对位移，第1光纤位移传感器1A与第1光纤位移传感器1B之间的距离发生变化，并且测量基线4的长度固定，因此位移同时传递给第1光纤位移传感器1A和第2光纤位移传感器1B，同时利用信号记录与处理系统3对光纤位移传感器1A和1B和感知的待测位移进行解调出来，两个测量基岩21和22之间的相对位移值即为光纤位移传感器1A和1B分别测量出的位移值之和。

顺变柱体结构的推挽式光纤应变仪的核心是高灵敏度的两个光纤位移传感器，分别是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，两个传感器完全一致，采用光纤干涉测量原理，采用推挽测量结构，消除或减小来自同一干扰噪声源对光纤应变仪测量精度的影响，并且抑制光纤、器件性能的长期畸变与漂移。光纤位移传感器的测量光路如图2所示，由光源101输出的窄带高功率激光经过隔离器102后，其能量被1×2耦合器均分为两部分；一半光能量注入到第1光纤位移传感器1A中，另外一半注入到第2光纤位移传感器1B中。第1光纤位移传感器1A和第2光纤位移传感器1B的光纤光路分别由2×2耦合器104A、104B构成的两个Michelson干涉仪；其中第1光纤位移传感器1A的两个测量臂分别由第1测量光纤105A、第1法拉第旋镜108A，以及第1相位调制器106A、第2测量光纤107A、第2法拉第旋镜109A构成。由第1光纤位移传感器1A两干涉臂反射的信号将在第一探测器110A表面上产生干涉，干涉强度幅值变化可以表示为：

$I_{1A}=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos (k\·\mathrm{\Δ}{x}_{1A}+{\mathrm{\φ}}_{1A})---\left(1\right)$

式中：I₁、I₂为分别为来自第1光纤位移传感器1A的两测量臂的反射信号强度，k为光纤中的波数，Δx_1A为两测量臂之间的长度差异，φ_1A为初始相位。

为了实现推挽式测量，对于光纤应变仪中的第2光纤位移传感器，光路参数在选择时，要求是全同光纤光路；为了进一步克服第1光纤位移传感器1A与第2光纤位移传感器1B的不一致性，也要求二者全同，即：

（1）第1相位调制器与第2相位调制器、第1法拉第旋镜与第2法拉第旋镜、第3法拉第旋镜与第4法拉第旋镜完全相同；

（2）第1测量光纤、第1法拉第旋镜的光纤长度之和与第1相位调制器、第2测量光纤、第2法拉第旋镜的光纤长度之和完全相等；

（3）第3测量光纤与第3法拉第旋镜的光纤长度之和与第1相位调制器、第4测量光纤、第4法拉第旋镜的光纤长度之和完全相等；

（4）第1光纤位移传感器1A和第2光纤位移传感器1B的光路中光纤长度之和也完全相等；

（5）四个顺变柱体的材料和尺寸完全相同；两个质量块的材料和尺寸完全相同。

第1光纤位移传感器1A的结构如图3中左图所示，采用差动推挽测量方式，将第1测量光纤105A和第2测量光纤107A分别制作成芯轴式多层光纤环，将第1测量光纤105A固化在第1顺变柱体111A的表面上，将第2测量光纤107A固化在第2顺变柱体112A表面。第1质量块两侧分别与顺变柱体111A、112A的一端固化，顺变柱体111A、112A另一端固化在第1外框架115A上，外框架115A与第1固定座116A连接，第1固定座116A被固定在第1基岩21上，第1质量块113A顶端与测量基线一端41连接。

第2光纤位移传感器1B的结构如图3中右图所示，结构与第1光纤位移传感器1A一致，但不包含锁定旋钮和压电陶瓷位移发生器。外框架115B与第2固定座116B连接，第2固定座116B被固定在第2基岩22上，第2质量块113B与测量基线的另一端42相连。当两个测量基岩21和22之间发生相对位移时，此位移量将无损失地传递给第1质量块113A和第2质量块113B，分别使顺变柱体111A、112A和顺变柱体111B、112B产生形变，如图5所示。光纤位移传感器1A、1B在待测位移量的作用下，使干涉仪的一测量臂伸长，另外一测量臂缩短（或者刚好相反），则探测器110A、110B探测得到的干涉信号的幅度将发生变化，通过对相位调制器106A、106B上加载已知频率和幅度的调制信号，再通过信号探测系统的解调，可以分别获得干涉信号强度变化对应的干涉相位幅值，从而实现位移信号的解调，对第1光纤位移传感器1A和第2光纤位移传感器1B分别测得的位移值求和，即实现对两个基岩之间的相对位移测测量。

测量灵敏度最为有效的方法是增加测量光纤105A、107A、105B、107B的长度，为了达到位移分辨率10^-12～10^-13米，经过计算光纤的长度需要至少达到100米。

除位移传感器自身性能外，影响应变仪的长期稳定性和测量精度最主要的因素是测量基线自身的长期性能畸变，特别是温度对基线的影响。为了降低温度影响，一般制作基线时，会选用热膨胀系数相对较小的材料，如：铟钢（Invar），即含有35.4%镍的铁合金。常温下铟钢具有很低的热膨胀系数，-20℃～20℃之间时其平均值约1.6×10^-6/℃，基本上是一般钢、铜等材料的十分之一。此外，再严格控制应变仪工作环境的温度波动（例如小于0.001℃），则可以保证应变仪的应变测量分辨率达到10^-9应变阶。对于本发明提出的高灵敏度短基线光纤应变仪的10^-11～10^-12应变测量分辨率而言，上述方法不能够满足系统测量要求。需要在上述技术方案的基础上，采用温度补偿方法，使光纤位移传感器的第1和第2固定座与测量基线杆构成一个温度补偿结构，从而降低了应变仪整体的温度敏感效应，提高了测量长期稳定性。具体方法是：1）第1和第2固定座采用悬臂支撑结构，悬臂部分受温度变化其应变方向与测量基线杆的应变方向相反；2）第1和第2固定座使用相同材料，测量基线杆使用另一种材料，选定测量基线杆材料的热膨胀系数与第1、第2固定座材料的热膨胀系数之比为T，并且第1、第2固定座的悬臂长度之和与测量基线杆的长度之比也为T。采用上述温度补偿方法，通过对固定座和测量基线的材料选择和结构设计，补偿应变仪的热膨胀影响，使其整体温度系数可以下降2个量级以上。

顺变柱体结构的推挽式光纤应变仪的测量标定问题是应用过程中的需要解决的关键问题，以往应变仪在设计标定装置时，将其安装在测量基线之内。其缺点是标定装置的长期漂移会影响到仪器的长期测量性能，本发明设计在第1光纤位移传感器1A中加入标定装置，由锁定旋钮117和压电陶瓷位移发生器118组成，如图3中左图所示。测量基线一端41与固定座116A位置对应的地方，安装一个锁定旋钮117，压电陶瓷位移发生器118在锁定旋钮117与测量基线一端41之间，与锁定旋钮117固定，并且可以随着锁定旋钮117的旋转前后移动。

测量标定装置的特征是：压电陶瓷位移发生器位于锁定旋钮和测量基线一端41之间，并且锁定旋钮与第1固定座采用螺纹连接，锁定旋钮可以通过旋转，使压电陶瓷位移发生器左右移动，标定装置共分为两个工作状态，当光纤应变测量仪处于一般的测量状态时，锁定旋钮处于解锁状态，使压电陶瓷位移发生器与测量基线一端41脱离，此时压电陶瓷位移器不包含在测量基线内，它的长期漂移不影响测量结果；当对光纤应变测量仪进行标定时，即处于标定状态下，锁定旋钮处于锁紧状态，压电陶瓷位移发生器与测量基线一端41紧密连接，如图6所示，此时压电陶瓷位移器包含在测量基线中，直接通过压电陶瓷位移器发生位移实现对光纤应变仪的标定。

本发明具有下列优点和积极效果：

（1）采用光纤作为位移测量介质，利用长度几十米至几百米光纤的累计效应，将光纤缠绕成芯轴式多层光纤环，有效地减小了光纤位移传感器的尺寸，得到了位移分辨率10^-12～10^-13米的光纤位移传感器，从而使测量基线缩短到不大于1米的同时，保持极高的应变测量分辨率（10^-11～10^-12ε）；与目前传统的伸缩仪和应变计相比，测量分辨率提高2～3个量级，有效地提高了应变仪的测量精度；

（2）采用全同光纤光路结构、全差分顺变柱体结果位移测量结构，以及双光纤位移传感器的推挽工作方式，可以消除位移传感器中光纤长期性能畸变、光源噪声，降低温度敏感性，提高了光纤应变仪的长期稳定性，使其能够成功应用于稳定性和可靠性要求极高的地球物理测量领域的应变仪中；

（3）采用温度补偿结构和材料设计，抑制了测量基线的温度影响，降低了应变仪整体的温度敏感效应，提高了光纤应变仪的长期测量稳定性。

（4）改进的位移标定装置，安装在测量基线之外，使标定装置的长期漂移不影响测量，改善了光纤应变测量仪的长期稳定性。

（5）光纤位移传感器具备在潮湿、强电磁干扰、雷击等恶劣环境下工作的能力，提高了短基线应变仪的环境适用性，降低了其使用难度和布设成本。

附图说明

图1是顺变柱体结构的推挽式光纤应变仪结构图；

图2是推挽式光纤应变仪的传感器光路原理图；

图3a是第1光顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器结构图，图3b是第2光顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器结构图；

图4a是第1光顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器内部器件位置结构图，图4b是第2光顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器内部器件位置结构图；

图5是顺变柱体式位移传感器测量位移时的状态图；

图6是短基线光纤应变仪的标定装置工作示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

结合图1，顺变柱体结构的推挽式光纤应变仪由位移传感器1A、1B、测量基线杆4、悬吊系统3、测量基岩21、22以及测量控制、信号记录与处理系统5组成，固定在第1基岩21上的第1光纤位移传感器1A与测量基线4的一端41连接；固定在第2基岩22上的第2光纤位移传感器1B与测量基线4的另一端42连接；第1光纤位移传感器1A和第2光纤位移传感器1B通过信号连接线5A、5B、5C、5D、5E与测量控制、信号记录与处理系统5连接。

结合图2，第1光纤位移传感器1A与第2光纤位移传感器1B的光纤光路一致，使用同一个光源，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法拉第旋镜108A和第1相位调制器106A、第2测量光纤107A、第2法拉第旋镜109A，以及第1探测器110A；上述元件与第1顺变柱体111A、第2顺变柱体112A以及第1质量块113A一同组成第1光纤位移传感器1A；

第3耦合器104B分别连接第3测量光纤105B、第3法拉第旋镜108B和第2相位调制器106B、第4测量光纤107B、第4法拉第旋镜109B，以及第2探测器110A；上述元件与第3顺变柱体111B、第4顺变柱体112B以及第2质量块113B组成第2光纤位移传感器1B。

结合图3a和图4a，第1光纤位移传感器1A的第1相位调制器106A与第2相位调制器106B完全相同、第1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；第1测量光纤105A、第1法拉第旋镜108A的光纤长度之和与第1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；测量光纤105A、107A缠绕为芯轴式多层光纤环，第1测量光纤105A固化在第1顺变柱体111A表面上，第2测量光纤107A固化在第2顺变柱体112A表面上；

结合图3b和图4b，第2光纤位移传感器1B的第3测量光纤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4测量光纤107B、第4法拉第旋镜109B的光纤长度之和完全相等；测量光纤105B、107B各自缠绕为芯轴式多层光纤环，第3测量光纤105B固化在第3顺变柱体111B表面上，第4测量光纤107A固化在第4顺变柱体112B表面上。

第1光纤位移传感器1A和第2光纤位移传感器1B的光路中光纤长度之和完全相等；第1顺变柱体111A、第2顺变柱体112A、第3顺变柱体111B、第4顺变柱体112B的材料和尺寸完全相同；第1光纤位移传感器1A的第1质量块113A顶端与测量基线一端41连接，第1质量块113A两侧分别与顺变柱体111A、112A的一端固化，顺变柱体111A、112A另一端固化在第1外框架115A上；第1法拉第旋镜108A与第2法拉第旋镜109A固化在第1质量块113A侧面；第2光纤耦合器104A和第1相位调制器106A固化在第1光器件底板114A上；第1外框架115A与第1固定座116A固定，第1固定座116A与第1基岩21固定；第2光纤位移传感器1B的第2质量块113B顶端与测量基线另一端42连接，第2质量块113B两侧分别与顺变柱体111B、112B的一端固化，顺变柱体111B、112B另一端固化在第2外框架115B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固化在第2光器件底板114B上；第2外框架115B与第2固定座116B固定，第2固定座116B与第2基岩22固定。

第1光纤位移传感器1A中包含有标定装置，由锁定旋钮117、压电陶瓷位移发生器118组成，压电陶瓷位移发生器118位于锁定旋钮117和第1外框架115A之间，并且锁定旋钮117与第1外框架115A采用螺纹连接，锁定旋钮117可以通过旋转，使压电陶瓷位移发生器118左右移动，标定装置共分为两个工作状态，当光纤应变测量仪处于一般的测量状态时，锁定旋钮117处于解锁状态，使压电陶瓷位移发生器118与测量基线一端41脱离；当对光纤应变测量仪进行标定时，即处于标定状态下，锁定旋钮117处于锁紧状态，压电陶瓷位移发生器118与测量基线一端41紧密连接。

第1固定座116A和第2固定座116B与测量基线杆4构成一个温度补偿结构。第1固定座116A为悬臂支撑结构，悬臂部分受温度变化其应变方向与测量基线杆4的应变方向相反；第2固定座116B为悬臂支撑结构，悬臂部分受温度变化其应变方向与测量基线杆4的应变方向相反；第1固定座116A和第2固定座116B使用相同材料，测量基线杆4使用另一种材料，选定测量基线杆4材料的热膨胀系数与固定座116A、116B材料的热膨胀系数之比为T，并且第1固定座116A和第2固定座116B的悬臂长度之和与测量基线杆4的长度之比也为T。

位移传感器1A、1B、测量基线杆4以及基岩21、22总长度不超过100厘米。所述光纤器件都工作在单模状态。

光纤应变仪的总长度为100厘米左右，由测量基线4一端与顺变柱体式位移光纤传感器1A连接，另一端与顺变柱体式位移光纤传感器1B紧密连接，并同时固定于基岩21和22上；测量基线4被较细的金属丝水平悬吊起来，并确保基线与金属丝的接触部位光滑，以降低摩擦力。

顺变柱体式位移光纤传感器1如图1所示，选用光纤器件的详细性能参数如下：

（1）窄线宽激光光源101，工作波长1550±20nm；输出功率>1mW；光谱线宽<1pm，单模输出；

（2）光纤隔离器102，工作波长1550±20nm；隔离度>45dB；插入损耗<0.4dB；

（3）单模2×2光纤耦合器103、104A、104B，工作波长：1550±20nm；分光比1：1；尾纤长度：1000mm；

（4）相位调制器106A、106B，调制深度幅度>2π；尾纤长度1000mm，直径30mm

（5）测量光纤105A、105B的长度99000mm；测量光纤107A、107B的长度98000mm；上述光纤采用单模光纤G.657；

（6）光纤法拉第旋镜108A、109A、108B、109B，工作波长1550±5nm；旋转角度90±1°；插入损耗<0.6dB；尾纤长度：1000mm。

（7）光电探测器110A、110B，波长范围1100～1700nm；响应度：>0.9A/W；暗电流<1nA。

为使光路工作更为稳定，所有光路连接均采用焊接方式。

测量光纤105A、107A、105B、107B的缠绕方式如图3所示，缠绕后的光纤柱通过环氧树脂胶粘接在顺变柱体外表面；为了使环氧树脂胶的温度膨胀系数与石英接近，环氧树脂内掺入一定量的石英粉，以降低温度变化引起的封装误差。

为了抑制顺变柱体式光纤位移传感器1的测量噪声，提高其长期稳定性，本专利采用推挽式测量结构，基线两端均布置位移传感器。除顺变柱式位移传感器1A外，还增加了顺变柱体式位移传感器1B。二者的光路结构、光纤器件、几何参数、机械装置等完全相同，其安装方式如图4所示，其具体选用的机械零件的尺寸与材料如下：

（1）测量基线4具体尺寸为长度900mm、直径20mm；测量基线端41、42的具体尺寸为宽度20mm、高度30mm、长80mm；材料采用热膨胀系数为1.6×10^-6/℃的铟钢（Invar）；

（2）顺变柱体111A、112A、111B、112B的具体尺寸为直径40mm、高度60mm，材料采用泊松比0.49的硅橡胶；

（3）质量块113A、113B的具体尺寸为外径50mm、厚度20mm，材料采用热膨胀系数为1.6×10^-6/℃的铟钢（Invar）；

（4）光器件底板114A、114B的具体尺寸为长130mm、宽50mm、厚10mm，材料采用黄铜；

（5）外框架115A、115B的具体尺寸为：宽160mm、长160mm、厚度100mm，材料采用304不锈钢；

（6）固定座116A、116B的具体尺寸为：宽160mm、长42.3mm、高130mm，材料采用304不锈钢；

（7）锁定旋钮117的具体尺寸为长度50mm，厚度10mm，螺纹M15×1长度20mm；

（8）位移标定器118的具体尺寸为长、宽各为10mm、高20mm，材料采用压电陶瓷晶体；

测量基线4的一端为金属连接件41，金属连接件41加工有固定结构，质量块113A对应位置上加工有固定孔，通过环氧树脂胶质量块113A两侧分别与顺变柱体固化，并且顺变柱体的另一侧也用环氧树脂胶固化在封装框架上。传感器1B结构与1A完全一样，质量块113B与测量基线4的另一端为金属连接件42连接。封装框架上加工有固定孔，将其固定在测量基岩上。位移转换装置平面垂直于水平面。

温度补偿结构具体设计为：（1）测量基线的材料选择为铟钢（Invar），即含有35.4%镍的铁合金，-20℃～20℃之间热膨胀系数平均值约1.6×10^-6/℃，基线的长度选择为915.3mm；（2）光纤位移传感器第1和第2固定座的材料选择为304不锈钢，0～100℃之间热膨胀系数为17.3×10^-6/℃，固定座的厚度选择为42.3mm。采用上述温度补偿结构，应变仪整体的热膨胀系数下降为0.9×10^-10/℃。当温度波动小于0.001℃时，应变仪的长期稳定性可以优于1×10^-12应变阶。

理论计算可知，当在高度为60mm，直径为40mm，顺变柱体上缠绕100米光纤，构成内直径为40mm光纤敏感测量柱，当工作时光纤位移传感器的灵敏度为10000rad/μm，即位移转换装置的中心有1微米的位移变换，则光纤传感器将会有10000rad的相位变化输出，即每1纳米的位移变化，相位变化为10rad。综合各种噪声、测量干扰以及可能影响测量的长期稳定性因素，测量控制、信号记录与处理系统6的相位分辨率至少可以达到10^-2～10^-3rad，即光纤位移位移传感器的位移测量分辨率为10^-12～10^-13米，对于测量基线为1米的光纤应变仪，其应变测量分辨率为10^-12～10^-13应变阶，比目前的传统伸缩仪和应变计测量分辨率高2～3量级。

Claims (7)

1.一种顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器，其特征是：质量块两侧分别与第1、第2顺变柱体的一端固化，第1、第2顺变柱体的另一端固化在外框架上，第1法拉第旋镜与第2法拉第旋镜固化在质量块侧面，光纤耦合器、相位调制器和探测器固化在光器件底板上，外框架与固定座固定；第1、第2测量光纤缠绕为芯轴式多层光纤环，第1测量光纤固化在第1顺变柱体表面上，第2测量光纤固化在第2顺变柱体表面上；光纤耦合器连接第1测量光纤、相位调制器和探测器，第1测量光纤连接第1法拉第旋镜，相位调制器连接第2测量光纤，第2测量光纤连接第2法拉第旋镜；还包括标定装置，所述标定装置由锁定旋钮、压电陶瓷位移发生器组成，压电陶瓷位移发生器位于锁定旋钮和外框架之间，并且锁定旋钮与外框架采用螺纹连接，通过旋转锁定旋钮使压电陶瓷位移发生器左右移动。

2.一种基于权利要求1的顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器的光纤应变仪，其特征是：包括两个顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器(1A、1B)、测量基线杆(4)、悬吊系统(3)、测量控制和信号记录与处理系统(5)，固定在第1基岩(21)上的第1光顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器(1A)与测量基线杆(4)的首端(41)连接，固定在第2基岩(22)上的第2顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器(1B)与测量基线杆(4)的末端(42)连接，第1、第2顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器(1A、1B)通过信号连接线与测量控制和信号记录与处理系统(5)连接；光源(101)输出的激光经过隔离器(102)后，其能量被第1耦合器(103)均分为两部分；一半光能量注入到第1顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器(1A)中，另外一半注入到第2顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器(1B)中。

3.根据权利要求2所述的光纤应变仪，其特征是：所述的第1顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器(1A)还包括标定装置，标定装置共分为两个工作状态，测量状态时，锁定旋钮(117)处于解锁状态，使压电陶瓷位移发生器(118)与测量基线杆首端(41)脱离；标定状态下，锁定旋钮(117)处于锁紧状态，压电陶瓷位移发生器(118)与测量基线杆首端(41)紧密连接。

4.根据权利要求2或3所述的光纤应变仪，其特征是：第1、第2顺变柱体结构的推挽式光纤位移传感器(1A、1B)的光纤光路一致，使用同一个光源，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3测量光纤(105B)、第2相位调制器(106B)和第2探测器(110B)，第3测量光纤(105B)连接第3法拉第旋镜(108B)，第2相位调制器(106B)连接第4测量光纤(107B)，第4测量光纤(107B)连接第4法拉第旋镜(109B)。

5.根据权利要求4所述的光纤应变仪，其特征是：第1相位调制器(106A)与第2相位调制器(106B)完全相同；第1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。

6.根据权利要求4所述的光纤应变仪，其特征是：第1测量光纤(105A)、第1法拉第旋镜(108A)的光纤长度之和与第1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。

7.根据权利要求4所述的光纤应变仪，其特征是：第3测量光纤(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4测量光纤(107B)、第4法拉第旋镜(109B)的光纤长度之和完全相等。