CN102927913B - 一种超短基线差分盘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超短基线差分盘式光纤位移传感器及光纤应变仪。包括外框架，带外螺纹的压圈将位移转换装置外圈压紧在外框架上，中心压垫的螺纹柱穿过移转换装置中心孔，第1法拉第旋镜与第2法拉第旋镜固化在中心压垫上，光纤耦合器和相位调制器固化在外框架内壁表面，外框架与固定座固定，第1测量光纤和第2测量光纤分别缠绕为中空盘式层状结构的多层光纤环，第1测量光纤和第2测量光纤分别固化在位移转换装置的上下表面上，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。

Description

一种超短基线差分盘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，具体涉及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主要由光纤位移传感器构成的应变仪。

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，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（ZL 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（ZL200610018250.3），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发明了超短基线伸缩仪（ZL200710053069.0），该装置采用位移分辨率为0.1nm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1nm左右；而电容位移传感器虽然有较好的分辨力，可以达到0.01nm，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。

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，并降低误差干扰的超短基线差分盘式光纤位移传感器。本发明的目的还在于提供一种基于超短基线差分盘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：

本发明的超短基线差分盘式光纤位移传感器，包括外框架，带外螺纹的压圈将位移转换装置外圈压紧在外框架上，中心压垫的螺纹柱穿过移转换装置中心孔，第1法拉第旋镜与第2法拉第旋镜固化在中心压垫上，光纤耦合器和相位调制器固化在外框架内壁表面，外框架与固定座固定，第1测量光纤和第2测量光纤分别缠绕为中空盘式层状结构的多层光纤环，第1测量光纤和第2测量光纤分别固化在位移转换装置的上下表面上，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。

本发明的超短基线差分盘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中心压垫之间，并且锁定旋钮与外框架和固定座采用螺纹连接，锁定旋钮通过旋转使压电陶瓷位移发生器左右移动，所述标定装置共分为两个工作状态；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中心压垫脱离；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中心压垫紧密连接。

基于本发明的超短基线差分盘式光纤位移传感器的光纤应变仪，包括两个超短基线差分盘式光纤位移传感器1A、1B、测量基线4、测量控制和信号记录与处理系统3，固定在第1基岩21上的第1超短基线差分盘式光纤位移传感器1A与测量基线4的首端41连接，固定在第2基岩22上的第2超短基线差分盘式光纤位移传感器1B与测量基线4的末端42连接，第1超短基线差分盘式光纤位移传感器1A通过第一至第三信号连接线3A、3C、3E与测量控制和信号记录与处理系统3连接，第2超短基线差分盘式光纤位移传感器1B通过第四至第五信号连接线3B、3D与测量控制和信号记录与处理系统3连接；光源101输出的激光经过隔离器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超短基线差分盘式光纤位移传感器1A中，另外一半注入到第2超短基线差分盘式光纤位移传感器1B中。

本发明的光纤应变仪还可以包括这样一些特征：

1、所述第1超短基线差分盘式光纤位移传感器1A还包括标定装置，所述标定装置由锁定旋钮116、压电陶瓷位移发生器117组成，压电陶瓷位移发生器117位于锁定旋钮116和中心压垫112A之间，并且锁定旋钮116与外框架和固定座采用螺纹连接，锁定旋钮通过旋转使压电陶瓷位移发生器左右移动，所述标定装置共分为两个工作状态；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中心压垫脱离；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中心压垫紧密连接。

2、第1超短基线差分盘式光纤位移传感器1A与第2超短基线差分盘式光纤位移传感器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。

本发明采用盘式光纤位移传感结构，实现了一种新型的超短基线差分盘式光纤应变仪，差分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。

基于超短基线差分盘式位移传感器的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2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，两个位移传感器构成推挽式差分结构，即第1光纤位移传感器1A伸长时，第2光纤位移传感器1B缩短，反之亦然。

差分盘式光纤应变测量仪的核心是高灵敏度的两个光纤位移传感器1A、1B，两个传感器完全一致，采用光纤干涉测量原理，采用差分测量结构，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。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。以第1光纤位移传感器1A为例，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。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表面上产生干涉信号。利用信号记录与处理系统3对光纤位移传感器1A和1B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。

为了实现差分测量，对于光纤应变仪中第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2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光纤位移传感器和第2光纤位移传感器的光路中光纤长度也完全相等；

（5）第1位移转换装置和第2位移转换装置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，将测量光纤105A和107A分别制作成中空盘式层状结构的多层光纤环，将测量光纤105A固化在第1位移转换装置111A的上表面，将测量光纤107A固化在111A的下表面。第1位移转换装置的外边与第1外框架114A连接，外框架114A与第1固定座115A连接，第1固定座115A被固定在第1基岩21上，第1位移转换装置中心与测量基线的一端41相连。

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114B与第2固定座115B连接，第2固定座115B被固定在第2基岩22上，第2位移转换装置中心与测量基线的另一端42相连。当两个测量基岩21和22之间将发生相对位移时，此位移量将无损失地传递到第1位移转换装置111A和第2位移转换装置111B，使其产生形变，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。

超短基线差分盘式光纤应变仪的测量标定问题是应用过程中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116和压电陶瓷位移发生器117组成，如图3中左图所示。第1外框架114A内表面中心有孔，在第1固定座115A的对应位置上，安装一个锁定旋钮116，压电陶瓷位移发生器117在锁定旋钮116与第1中心压垫112A之间，与锁定旋钮116固定，并且可以随着锁定旋钮116的旋转前后移动。为了防止标定装置与第2耦合器和第1相位调制器冲突，压电陶瓷位移发生器117的安装孔位置在第1固定框架114A中心，第2耦合器和第1相位调制器固化在中心孔右侧，如图4中右图所示。第1、2法拉第旋镜108A、109A安装在第1中心压垫112A两端，进行标定时，压电陶瓷位移发生器117与第1中心压垫112A中心部分接触，如图4中左图所示。

压电陶瓷位移发生器位于锁定旋钮和第1中心压垫之间，并且锁定旋钮与第1外框架114A和第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第1中心压垫脱离，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第1中心压垫紧密连接，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，将光纤缠绕成中空盘式层状结构的多层光纤环，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、全差分盘式位移测量结构，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是基于超短基线差分盘式光纤位移传感器的光纤应变仪结构图；

图2是超短基线差分盘式光纤位移传感器的光路原理图；

图3a和图3b分别是两种超短基线差分盘式光纤位移传感器的结构图；

图4a-图4b是基于超短基线差分盘式光纤位移传感器的光纤应变仪内部器件位置结构图；

图5a-图5b是基于超短基线差分盘式光纤位移传感器的光纤应变仪测量位移时的状态图；

图6是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，本发明的光纤应变仪由位移传感器1A、1B、测量基线杆4、测量基岩21、22以及测量控制和信号记录与处理系统3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；锁定旋钮116与压电陶瓷位移发生器构成位移标定装置，并且与第1光纤位移传感器1A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3A、3B、3C、3D、3E与测量控制、信号记录与处理系统3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位移转换装置111A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110B；上述元件与第2位移转换装置111B一同组成第2光纤位移传感器1B。

在第1光纤位移传感器1A中，第1相位调制器106A与第2相位调制器106B、第1法拉第旋镜108A与第2法拉第旋镜109A、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缠绕为中空盘式层状结构的多层光纤环，测量光纤105A、107A分别固化在第1位移转换装置111A的上下两个表面上。

第2光纤位移传感器1B中，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各自缠绕为中空盘式层状结构的多层光纤环，测量光纤105B、107B分别固化在第2位移转换装置111B的上下两个表面上；第1位移转换装置111A和第2位移转换装置111B的材料和尺寸完全相同；

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；

第1光纤位移传感器1A的中心与测量基线一端41连接，第1光纤位移传感器1A的外圈压紧在外框架114A上，带外螺纹的第1压圈113A将第1位移转换装置111A外圈压紧在外框架114A上；第1中心压垫112A的螺纹柱穿过第1位移转换装置111A中心孔；第1法拉第旋镜108A与第2法拉第旋镜109A固化在第1中心压垫112A上；第2光纤耦合器104A和第1相位调制器106A固化在第1外框架114A内壁表面；第1外框架114A与第1固定座115A固定，第1固定座115A与第1基岩21固定；

第2光纤位移传感器1B的中心与测量基线另一端42连接，第2光纤位移传感器1B的外圈压紧在第2外框架114B上，第2压圈113B将第2位移转换装置111B外圈压紧，与第2外框架114B固定；第2中心压垫112B的螺纹柱穿过第2位移转换装置111B中心孔，与测量基线另一端42连接；第3法拉第旋镜108B与第4法拉第旋镜109B固化在第2中心压垫112B上；第3光纤耦合器104B和第2相位调制器106B固化在第2外框架114B中间壁左表面；第2外框架114B与第2固定座115B固定，第2固定座115B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116、压电陶瓷位移发生器117组成，其特征是：压电陶瓷位移发生器117位于锁定旋钮116和第1中心压垫112A之间，并且锁定旋钮116与第1外框架114A和第1固定座115A采用螺纹连接，锁定旋钮116可以通过旋转，使压电陶瓷位移发生器117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116处于解锁状态，使压电陶瓷位移发生器117与第1中心压垫112A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116处于锁紧状态，压电陶瓷位移发生器117与第1中心压垫112A紧密连接。

（1）第1固定座115A与第2固定座115B与测量基线4构成一个温度补偿结构；

（2）第1固定座115A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4的应变方向相反；

（3）第2固定座115B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4的应变方向相反；

（4）第1固定座115A和第2固定座115B使用相同材料，测量基线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115A、115B材料的热膨胀系数之比为T，并且第1固定座115A和第2固定座115B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100cm；

所述光纤器件都工作在单模状态。

光纤位移传感器1A如图3所示，选用光纤器件的详细性能参数如表1所示。为使光路工作更为稳定，所有光路连接均采用焊接方式。

表1盘式光纤位移传感器1采用的光纤器件

测量光纤105A、107A、105B、107B的缠绕方式如图3所示，缠绕后的光纤盘通过环氧树脂胶粘接在位移转换装置的上、下侧，光纤盘粘接在位移转换装置的上下两个表面上；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。

为了抑制盘式光纤位移传感器1的测量噪声，提高其长期稳定性，本发明采用差分式测量结构，基线两端均布置位移传感器。除盘式位移传感器1A外，还增加了盘式位移传感器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表2所示。

表2盘式光纤位移传感器1的机械零件尺寸和材料

测量基线4的一端为圆形金属柱体41，柱体41中心加工有螺纹孔，中心压圈112A上加工有螺纹柱；测量基线4的另一端为圆形金属柱体42，中心压圈112B上加工有螺纹柱；位移转换装置为中心有孔的圆形金属片，位移转换装置通过位移转换装置固定压圈固定在封装框架上，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。

理论计算和仿真可知，厚度为0.5mm、外直径为90mm、内直径为10mm的位移转换装置上缠绕100米光纤，构成内直径为30mm、外直径为80mm的光纤敏感测量环，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3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)

1.一种超短基线盘式光纤位移传感器，包括外框架，其特征是：带外螺纹的压圈将位移转换装置外圈压紧在外框架上，中心压垫的螺纹柱穿过移转换装置中心孔，第1法拉第旋镜与第2法拉第旋镜固化在中心压垫上，光纤耦合器和相位调制器固化在外框架内壁表面，外框架与固定座固定，第1测量光纤和第2测量光纤分别缠绕为中空盘式层状结构的多层光纤环，第1测量光纤和第2测量光纤分别固化在位移转换装置的上下表面上，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中心压垫之间，并且锁定旋钮与外框架和固定座采用螺纹连接，锁定旋钮通过旋转使压电陶瓷位移发生器左右移动，所述标定装置共分为两个工作状态；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中心压垫脱离；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中心压垫紧密连接。

2.一种基于权利要求1所述超短基线盘式光纤位移传感器的差分光纤应变仪，其特征是：包括两个超短基线差分盘式光纤位移传感器(1A、1B)、测量基线(4)、测量控制和信号记录与处理系统(3)，固定在第1基岩(21)上的第1超短基线差分盘式光纤位移传感器(1A)与测量基线(4)的首端(41)连接，固定在第2基岩(22)上的第2超短基线差分盘式光纤位移传感器(1B)与测量基线(4)的末端(42)连接，第1、第2超短基线差分盘式光纤位移传感器(1A、1B)通过信号连接线与测量控制和信号记录与处理系统(3)连接；光源(101)输出的激光经过隔离器(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超短基线差分盘式光纤位移传感器(1A)中，另外一半注入到第2超短基线差分盘式光纤位移传感器(1B)中。

3.根据权利要求2所述的差分光纤应变仪，其特征是：所述第1超短基线差分盘式光纤位移传感器(1A)还包括标定装置，所述标定装置由锁定旋钮(116)、压电陶瓷位移发生器(117)组成，压电陶瓷位移发生器(117)位于锁定旋钮(116)和中心压垫(112A)之间，并且锁定旋钮(116)与外框架和固定座采用螺纹连接，锁定旋钮通过旋转使压电陶瓷位移发生器左右移动，所述标定装置共分为两个工作状态；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中心压垫脱离；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中心压垫紧密连接。

4.根据权利要求2或3所述的差分光纤应变仪，其特征是：第1超短基线差分盘式光纤位移传感器(1A)与第2超短基线差分盘式光纤位移传感器(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所述的差分光纤应变仪，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所述的差分光纤应变仪，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所述的差分光纤应变仪，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。