CN102927924B - 一种短基线差分式激光应变测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种短基线差分式激光应变测量仪。包括单频激光干涉传感器、悬吊系统、测量基线杆、基线固定装置、测量控制和信号记录与处理系统、测量标定装置以及测量反射镜限位系统，固定在第1基岩上的单频激光干涉传感器与测量反射镜构成一个完整的单频激光干涉仪；测量反射镜通过测量反射镜限位系统与测量基线的首端连接；测量基线的末端安装测量标定装置、并通过基线固定装置固定在第2基岩上；测量基线的中间安装悬挂系统；单频激光干涉传感器和测量标定装置通过信号连接线与测量控制和信号记录与处理系统连接。本发明性能价格比高，可广泛应用于前兆数字台网的改造和建设。

Description

一种短基线差分式激光应变测量仪

技术领域

本发明涉及的是一种激光应变装置，具体涉及到一种用于地学观测的激光干涉仪的光路结构布局及固定安装结构。

背景技术

伸缩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0.1nm的电容传感器，使测量基线长度减小到1米的同时，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。

目前发明的伸缩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率，可以达到0.01nm，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，不是十分适合伸缩仪可靠性、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，以满足伸缩仪提高测量精度和小型化的要求。

近年来，激光干涉仪被广泛应用于地壳伸缩应变测量，将激光干涉原理应用于地壳伸缩、应变测量，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、测量频带宽的优点。本发明采用激光迈克尔逊干涉原理，实现了一种新型的短基线差分式激光应变仪，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。

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，并降低误差干扰的短基线差分式激光应变测量仪。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的短基线差分式激光应变测量仪包括单频激光干涉传感器1、悬吊系统3、测量基线杆4、基线固定装置5、测量控制和信号记录与处理系统6、测量标定装置7以及测量反射镜限位系统8，其特征是：固定在第1基岩21上的单频激光干涉传感器1与测量反射镜803构成一个完整的单频激光干涉仪；测量反射镜803通过测量反射镜限位系统8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；单频激光干涉传感器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。

本发明的短基线差分式激光应变测量仪还可以包括：

1、所述单频激光干涉传感器1包括激光器101、光隔离器102、分光棱镜103、调制反射镜104、偏转反射镜105、测量反射镜803和光电探测器106；激光器101出射光方向与x轴正向及y轴负向夹角45°；分光棱镜103的底面在x、y平面内，其分光面与y、z平面平行，激光束分光点在分光面中心；调制反射镜104、偏转反射镜105镜面垂直于x、y平面，激光束反射位置在镜面中心，调制反射镜104与x轴夹角为67.5°，镜面朝向x轴正向、y轴正向；偏转反射镜105镜面与x夹角为67.5°，镜面朝向x轴负向、y轴正向；调制反射镜104和偏转反射镜105的中心分别到分光棱镜103中心的距离相等；调制反射镜104、偏转反射镜105的镜面关于分光棱镜103的分光面对称。

2、激光器101、光隔离器102、分光棱镜103、调制反射镜104、偏转反射镜105和光电探测器106一起安装在光路封装箱107中。

3、测量反射镜限位系统8的柔性铰链801、测量反射镜基座802以及测量反射镜803安装在基座802上，基座802与限位柔性铰链801的一端固定，柔性铰链801另一端与测量基线4的首端41连接。

4、所述标定装置7包含固定装置5、压电陶瓷位移发生器701、标定支撑座702，压电陶瓷位移发生器701位于固定装置5和标定支撑座702之间、并且与测量基线杆末端42紧密连接；标定装置7共分为两个工作状态，测量状态时，测量基线杆末端42的固定装置5处于锁定状态，使测量基线杆末端42与第2基岩22紧密连接，同时标定支撑座702与压电陶瓷701右端脱离；标定状态时，测量基线杆末端42的固定装置5处于解锁脱离状态，标定支撑座702与压电陶瓷位移发生器701右端紧密连接，使测量基线杆末端42与第2基岩22紧密连接。

5、单频激光干涉传感器1、测量基线杆4、基线固定装置5以及测量标定装置7的总长度不超过2米。

单频激光干涉传感器1由激光器、光隔离器、分光棱镜、调制反射镜、偏转反射镜、测量反射镜、光电探测器、底座组成；由激光器发出的激光通过光隔离器，被分光棱镜激光分成两束，形成两干涉臂；两束光分别入射到调制反射镜和偏转反射镜，分别将激光束反射到测量反射镜的两个表面；测量反射镜的前后两个表面均为镀膜反射镜面，垂直入射到测量反射镜两个表面I1、I2的激光束被反射后沿原路返回；通过分光棱镜，两束光形成干涉信号分成两束，分别进入光电探测器和光隔离器；光隔离器阻止光返回光源；光电探测器将探测到的干涉信号转换为电压信号传给信号记录处理系统。

激光器101出射光与x轴呈45°角；隔离器102透光方向与激光器出射光方向一致；分光棱镜103分光面方向与y轴平行；反射镜104与x轴夹角为67.5°，镜面朝向x轴正向；反射镜105与x夹角为67.5°，镜面朝向x轴负向；反射镜104到分光棱镜103的距离与反射镜105到分光棱镜103的距离相等；反射镜104与反射镜105的安装位置关于分光棱镜103的分光面对称；初始安装时反射镜41两个镜面401与402关于分光棱镜103的分光面对称。

本发明的工作原理是：当地面发生固体潮应变时，则两个测量基岩21和22之间发生相对位移，通过单频激光干涉传感器1检测后再经过信号记录处理系统6显示出来，即所得测量结果为两个测量基岩之间的相对位移。

本发明中，基线4通过悬吊系统3垂直悬吊之后，消除了基线过长而引起的重力形变，并且基线4为硬度较高的材料，测量基岩21和测量基岩22之间的相对位移，通过基线4传导到单频激光干涉传感器1上，信号损失较少。

单频激光干涉传感器1的传感工作原理是：当基岩21与基岩22之间在x方向发生相对位移，引起基线4与基岩21在x方向的相对位置变化，反射镜41与基岩21之间发生相对位移；单频激光干涉传感器1固定在基岩21上；在x方向上，测量反射镜41与激光干涉仪1发生相对位移，使得单频激光干涉传感器1的干涉臂I1和干涉臂I2之间产生光程差；光程差变化引起干涉信号光强变化，通过光电探测器106检测，可获得光强变化信息；光电探测器106将检测到的光强信息，传入信号记录与处理系统6，最终获得基岩21与基岩22之间的相对位移。

本发明干涉仪的光路原理图如图3所示，为迈克尔逊干涉结构，与图2相比，缺少了测量反射镜803。图3中，干涉仪的一臂只有一个反射镜，入射光直接沿原路返回。图2中，每个干涉臂通过增加一个反射镜面，使两个干涉臂的光入射到同一个镜子的前后反射面，一个干涉臂臂长增大，必然导致另一个反射臂臂长减小，由此实现差分测量。

激光器101发出的光束被分光棱镜102分成两路，构成互相垂直的两臂，其中一束光经调制反射镜104反射，入射到测量反射镜803镜面F01被反射，沿原路返回，透过分光棱镜102进入光电探测器106；另一束光由偏转反射镜105反射，入射到测量反射镜803镜面F02被反射，沿原路返回，在经分光棱镜102反射后进入光电探测器106，与另一束光干涉。图2中光电探测器D接收的光强为：

$I=A_1^2+A_2^2+2A_1{A}_2\cos (2\mathrm{\π\ΔL}/\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

式中：A₁、A₂分别为测量光束和参考光振幅；ΔL为两光束之间的光程差；λ为激光光波中心波长。

干涉现象的显著程度可用干涉条纹的对比度来描述：

$\mathrm{\γ}=\frac{I_M-I_m}{I_M+I_m}---\left(2\right)$

式中I_M、I_m分别为干涉场中光强的极大和极小值，对比度范围为0≤γ≤1。

当偏转反射镜移动长度为L时，测量光束与参考光束两光束之间的光程差变为ΔL+2nL，此时光电探测器接收的光强信号为：

I＝I₀(1+γcosk(ΔL+2nL))                                    （3）

式中：k＝2π/λ；n为干涉仪测量臂在相应介质中的介质折射率。

测量反射镜限位系统8是限制测量反射镜镜面运动方向的，它将测量反射镜的镜面运动限制在x方向，即反射镜镜面的运动只能垂直于x方向，不能有其他方向的偏转，因为测量反射镜镜面与光束之间的相对角度对干涉光强影响较大，对激光应变仪的测量结果有不利影响。测量反射镜限位系统8中柔性铰链801，如图4所示。

本发明具有下列优点和积极效果：

（1）传感结构采用单频激光干涉仪，可实现测量基线不大于2米的同时，具有较高的应变测

量分辨率（10^-11~10^-12ε）；与目前传统的应变仪和应变计相比，测量分辨率提高1~2个量级，有效地提高了应变仪的测量精度；

（2）采用单激光干涉传感差分式测量结构，将测量反射镜的正反两面分别作为干涉仪的两臂末端反射镜，一臂臂长增加另一臂臂长必然缩小，有效提高了灵敏度。单频激光干涉传感器采用等臂长结构，可有效降低光源频率噪声干扰。并且两干涉臂距离较近，可有效降低环境变化造成的两臂臂长差波动，提高了应变仪的环境适应力

（3）采用柔性铰链结构限制测量反射镜的运动方向，隔绝了其他方向的串扰信号，有效提高了干涉信号的稳定度，降低干涉光强波动引起的测量误差；

（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，改善了激光应变测量仪的长期稳定性。

本发明性能价格比高，可广泛应用于全国前兆数字台网的改造和建设。

附图说明

图1是差分式激光应变仪结构图；

图2是激光干涉仪光路结构图；

图3是迈克尔逊干涉仪原理图；

图4a是测量反射镜限位装置图，图4b是图4a的立体图；

图5a-图5b是激光应变仪标定装置结构图，其中：图5a为标定状态、图5b为测量状态。

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，短基线差分式激光应变测量仪的其组成部分为单频激光干涉传感器1、测量基岩21、22、悬吊系统3、测量基线杆4、基线固定装置5、信号记录与处理系统6、测量标定装置7以及测量反射镜限位系统8；固定在第1基岩21上的单频激光干涉传感器1与测量反射镜803构成一个完整的单频激光干涉仪；测量反射镜803通过测量反射镜限位系统8与测量基线4的一端41连接；测量基线4的另外末端42安装有测量标定装置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的中间安装有悬挂系统3；单频激光干涉传感器1和测量标定装置7通过信号连接线61、71与测量控制、信号记录与处理系统6连接。

结合图2，单频激光干涉传感器1由以下器件组成，激光器101、光隔离器102、分光棱镜103、调制反射镜104、偏转反射镜105、测量反射镜803和光电探测器106，共7个光学元件和一个电子器件。

（1）激光器101出射光方向与x轴正向及y轴负向夹角45°；

（2）分光棱镜103的底面在x、y平面内，其分光面与y、z平面平行，激光束分光点在分光面中心；

（3）调制反射镜104、偏转反射镜105镜面垂直于x、y平面，激光束反射位置在镜面中心，调制反射镜104与x轴夹角为67.5°，镜面朝向x轴正向、y轴正向；偏转反射镜105镜面与x夹角为67.5°，镜面朝向x轴负向、y轴正向；调制反射镜104和偏转反射镜105的中心分别到分光棱镜103中心的距离相等；调制反射镜104、偏转反射镜105的镜面关于分光棱镜103的分光面对称。

激光器101、光隔离器102、分光棱镜103、调制反射镜104、偏转反射镜105和光电探测器106一起安装在光路封装箱107中。

结合图4a-图4b，测量反射镜限位系统8的柔性铰链801、测量反射镜基座802以及测量反射镜803安装在基座802上，基座802与限位柔性铰链801固定，柔性铰链801另一端与测量基线4的一端41连接。

结合图5a-图5b，标定装置7包含固定装置5、压电陶瓷位移发生器701、标定支撑座702，压电陶瓷位移发生器701位于固定装置5和标定支撑座702之间，并且与基线末端42紧密连接；标定装置7共分为两个工作状态，当激光应变仪处于一般的测量状态时，基线末端42的固定装置5处于锁定状态，使基线末端42与第2基岩22紧密连接，同时标定支撑座702与压电陶瓷701右端脱离；当对激光应变仪进行标定时，即处于标定状态下，基线末端42的固定装置5处于解锁脱离状态，标定支撑座702与压电陶瓷位移发生器701右端紧密连接，使基线末端42与第2基岩22紧密连接。

单频激光干涉传感器1、测量基线杆4、基线固定装置5以及测量标定装置7的总长度不超过2米。

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。

单频激光干涉传感器1选用光学元件的详细性能参数如下所示：

（1）窄线宽激光器101，工作波长633nm，输出功率大于1mW，光谱线宽小于1pm；

（2）光隔离器102，工作波长633nm，隔离度优于45dB，插入损耗小于0.4dB；

（3）非偏振分光棱镜103，工作波长633nm，分比1：1，尺寸25.4mm；

（4）偏转反射镜104、105，工作波长400~900nm，镀银反射膜，直径：25.4mm；

（5）测量反射镜803，长100mm，宽30mm，厚5mm，双面镀金属反射膜；

（6）光电探测器106，波长范围400~900nm，响应度大于0.9A/W，暗电流小于1nA。

激光器、光隔离器、光电探测器以及偏转反射镜通过固定结构，安装在光路封装箱107中，非偏振分光棱镜通过环氧树脂胶固化在光路封装箱107中。光路封装箱107通过固定结构固定在基岩21上，在光束I1、I2出射位置上，光路封装箱107在对应位置有出光孔。

短基线差分式激光应变仪，测量反射镜803前后镜面F01及F02相互平行，偏转反射镜104、105采用具有二维倾斜调整功能的调节架。光路封装箱107，可在x、y平面进行平移调整，以实现两干涉臂臂长的平衡。短基线差分式激光应变仪具体选用的机械零件的尺寸与材料如下所示：

（1）测量基线4，长度1600mm，直径40mm，采用铟钢材料；

（2）基线固定端5，长100mm、厚度20m，高80mm，铝合金材质；

（3）测量基线端头41，外径12mm，内孔6mm，高度40mm，铟钢材料；

（4）光路封装箱107，长100mm，宽80mm，厚度10mm，铝合金材质；

（5）柔性铰链801，长100mm，宽90mm，高100mm，材料为铟钢；

（6）反射镜基座802，直径12mm，高度40mm，铝合金材质；

（7）标定支撑座702，长100mm、厚度10mm，高80mm，铝合金材质；

（8）压电陶瓷位移发生器701，长、宽各为10mm，高20mm，材料为压电陶瓷。

光路封装箱107加工有固定结构，将其固定在测量基岩上；柔性铰链801直接固定在测量基岩21上，标定支撑座702安装位置沿x方向可调整，实现标定和测量状态的转换。

单频激光干涉传感器1安装在测量基岩2上，两端的激光干涉仪的制作及调试要保证一致。悬吊系统3通过金属丝将测量基线4悬吊；两端的测量反射镜41镜面相互平行，镜面垂直于水平面并且平行于坐标轴y方向。基线4中心高度与激光干涉仪光束高度一致。

基线4悬吊采用较细的金属丝，悬吊中应保证基线4水平；确保基线4与金属丝的接触部位光滑，以降低摩擦力。

通过信号记录与处理系统对光电探测器的信号进行处理，即可获得基岩之间的位移信息。激光干涉测量是以激光的波长作为尺子来度量振动量的，如果要获得精确的测量精度，就需要对激光波长进行细分如果将干涉条纹细分为4096份,我们可以测得的最小振动量为0.077nm，由于测量光束往返两次，故测量反射镜位移为0.0385nm，应变仪总长2米，则应变分辨率约为2×10^-11应变阶。

Claims (10)

1.一种短基线差分式激光应变测量仪，包括单频激光干涉传感器(1)、悬吊系统(3)、测量基线杆(4)、基线固定装置(5)、测量控制和信号记录与处理系统(6)、测量标定装置(7)以及测量反射镜限位系统(8)，其特征是：固定在第1基岩(21)上的单频激光干涉传感器(1)与测量反射镜(803)构成一个完整的单频激光干涉仪；测量反射镜(803)通过测量反射镜限位系统(8)与测量基线杆首端(41)连接；测量基线杆末端(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；测量基线杆(4)的中间安装悬吊系统(3)；单频激光干涉传感器(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。

2.根据权利要求1所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：所述单频激光干涉传感器(1)包括激光器(101)、光隔离器(102)、分光棱镜(103)、调制反射镜(104)、偏转反射镜(105)、测量反射镜(803)和光电探测器(106)；激光器(101)出射光方向与x轴正向及y轴负向夹角45°；分光棱镜(103)的底面在x、y平面内，其分光面与y、z平面平行，激光束分光点在分光面中心；调制反射镜(104)、偏转反射镜(105)镜面垂直于x、y平面，激光束反射位置在镜面中心，调制反射镜(104)与x轴夹角为67.5°，镜面朝向x轴正向、y轴正向；偏转反射镜(105)镜面与x夹角为67.5°，镜面朝向x轴负向、y轴正向；调制反射镜(104)和偏转反射镜(105)的中心分别到分光棱镜(103)中心的距离相等；调制反射镜(104)、偏转反射镜(105)的镜面关于分光棱镜(103)的分光面对称。

3.根据权利要求2所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：激光器(101)、光隔离器(102)、分光棱镜(103)、调制反射镜(104)、偏转反射镜(105)和光电探测器(106)一起安装在光路封装箱(107)中。

4.根据权利要求1、2或3所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：测量反射镜限位系统(8)的柔性铰链(801)、测量反射镜基座(802)以及测量反射镜(803)安装在基座(802)上，基座(802)与限位柔性铰链(801)的一端固定，柔性铰链(801)另一端与测量基线杆首端(41)连接。

5.根据权利要求1、2或3所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：所述测量标定装置(7)包含基线固定装置(5)、压电陶瓷位移发生器(701)、标定支撑座(702)，压电陶瓷位移发生器(701)位于基线固定装置(5)和标定支撑座(702)之间、并且与测量基线杆末端(42)紧密连接；测量标定装置(7)共分为两个工作状态，测量状态时，测量基线杆末端(42)的基线固定装置(5)处于锁定状态，使测量基线杆末端(42)与第2基岩(22)紧密连接，同时标定支撑座(702)与压电陶瓷(701)右端脱离；标定状态时，测量基线杆末端(42)的基线固定装置(5)处于解锁脱离状态，标定支撑座(702)与压电陶瓷位移发生器(701)右端紧密连接，使测量基线杆末端(42)与第2基岩(22)紧密连接。

6.根据权利要求4所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：所述测量标定装置(7)包含基线固定装置(5)、压电陶瓷位移发生器(701)、标定支撑座(702)，压电陶瓷位移发生器(701)位于基线固定装置(5)和标定支撑座(702)之间、并且与测量基线杆末端(42)紧密连接；测量标定装置(7)共分为两个工作状态，测量状态时，测量基线杆末端(42)的基线固定装置(5)处于锁定状态，使测量基线杆末端(42)与第2基岩(22)紧密连接，同时标定支撑座(702)与压电陶瓷(701)右端脱离；标定状态时，测量基线杆末端(42)的基线固定装置(5)处于解锁脱离状态，标定支撑座(702)与压电陶瓷位移发生器(701)右端紧密连接，使测量基线杆末端(42)与第2基岩(22)紧密连接。

7.根据权利要求1、2或3所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：单频激光干涉传感器(1)、测量基线杆(4)、基线固定装置(5)以及测量标定装置(7)的总长度不超过2米。

8.根据权利要求4所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：单频激光干涉传感器(1)、测量基线杆(4)、基线固定装置(5)以及测量标定装置(7)的总长度不超过2米。

9.根据权利要求5所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：单频激光干涉传感器(1)、测量基线杆(4)、基线固定装置(5)以及测量标定装置(7)的总长度不超过2米。

10.根据权利要求6所述的短基线差分式激光应变测量仪，其特征是：单频激光干涉传感器(1)、测量基线杆(4)、基线固定装置(5)以及测量标定装置(7)的总长度不超过2米。