CN109282794A - 光纤测倾装置及差分测倾系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤测倾装置及差分测倾系统，属于监测技术领域。该光纤测倾装置包括支撑机构、摆动机构以及第一测量机构。其中，支撑机构包括基座以及固定于基座上的基架。摆动机构包括摆锤以及摆线，摆线的两端分别与基架、摆锤连接，摆锤的侧面设置有第一反射膜。测量机构包括第一光纤，第一光纤的端面与第一反射膜相对设置。在地震发生过程中，地形发生变化，在重力作用下摆锤摆动，位移发生变化。第一光纤的端面与第一反射膜构成法珀腔，在地形变形前后法珀腔的腔长发生变化，倾斜角度等于法珀腔的腔长变化除以摆长。与传统光纤倾斜仪相比，其抗冲击能力较好，灵敏度高。

Description

光纤测倾装置及差分测倾系统

技术领域

本发明涉及监测技术领域，具体而言，涉及一种光纤测倾装置及差分测倾系统。

背景技术

地形变是地震发生过程中最直接的伴随现象，其变形特征能提供地壳运动直接的证据。地形变观测是监测地壳运动与变形、认识地震孕育过程与开展地震预测的重要手段。地形变观测精度高，连续性好，在地震中期、短期及短临预测方面都有较明确的物理意义及预测价值。

目前，用于地形变观测的倾斜仪主要是采用电容传感原理的电学传感器。与常规倾斜仪相比，光纤倾斜仪抗电磁干扰、耐雷击、结构简单、可靠性高等优势，特别适合于野外环境下对地形变的长期在线观测。近年来，光纤倾斜仪逐步进入研究人员的视线，并取得一定成果。但这些光纤倾斜仪均采用光纤光栅传感原理，光纤光栅直接与敏感结构粘接，导致倾斜仪抗冲击能力差，光纤光栅粘接点存在长期蠕变，影响测量精度，存在灵敏度较低的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供了一种光纤测倾装置，旨在改善光纤倾斜仪抗冲击能力差，灵敏度较低的问题。

本发明的目的之二在于提供了一种差分测倾系统，旨在利用差分结构提高测倾精度，消弱温度影响。

针对本发明的目的之一，本发明提供以下技术方案：

一种光纤测倾装置，包括支撑机构、摆动机构以及第一测量机构。

所述支撑机构包括基座和以及固定于所述基座上的基架。

所述摆动机构包括摆锤以及摆线，所述摆线的两端分别与所述基架、所述摆锤连接，所述摆锤的侧面设置有第一反射膜；以及

所述测量机构包括第一光纤，所述第一光纤的端面与所述第一反射膜相对设置。

进一步地，在本发明的一种实施例中，所述光纤测倾装置还包括第一微调机构，所述第一微调机构包括第一调整架和用于夹持所述第一光纤的第一夹持件，所述第一调整架设置于所述基座上，所述第一夹持件固定于所述第一调整架，所述第一调整架能够调整所述第一光纤的初始位置。

进一步地，在本发明的一种实施例中，所述第一夹持件开设有燕尾槽，所述第一调整架设置有与所述燕尾槽配合的燕尾座，所述燕尾座与所述燕尾槽配合能够使得所述第一夹持件固定于所述第一调整架。

进一步地，在本发明的一种实施例中，所述第一光纤远离所述第一反射膜的一侧设置有第一解调仪，所述第一解调仪用于向所述第一光纤发射光信号并接收由所述第一反射膜和所述第一光纤的端面反射的光信号以获取法珀腔腔长变化。

进一步地，在本发明的一种实施例中，所述第一光纤的轴线垂直于所述第一反射膜所在的平面。

针对本发明的目的之二，本发明提供以下技术方案：

本发明实施例另提供一种差分测倾系统，包括前述的光纤测倾装置和第二测量机构。

其中，所述摆线有两根且所述摆线的长度相等。

所述第二测量机构包括第二光纤，所述第二光纤与所述第一光纤相对设置，所述摆锤还设置有第二反射膜，所述第二反射膜与所述第一反射膜相对设置，所述摆锤设置于所述第一光纤和所述第二光纤之间。

进一步地，在本发明的一种实施例中，所述差分测倾系统还包括第二微调机构，所述第二微调机构包括第二调整架和用于夹持所述第二光纤的第二夹持件，所述第二调整架设置于所述基座上，所述第二夹持件固定于所述第二调整架，所述第二调整架能够调整所述第二光纤的初始位置。

进一步地，在本发明的一种实施例中，所述第二夹持件设置有燕尾槽，所述第二调整架设置有燕尾座，所述燕尾座能够插入所述燕尾槽以使得所述第二夹持件固定于所述第二调整架。

进一步地，在本发明的一种实施例中，所述第二光纤远离所述第二反射膜的一侧设置有第二解调仪，所述第二解调仪用于发射光信号并接收由所述第二反射膜和所述第二光纤的端面反射的光信号以获取法珀腔腔长变化。

进一步地，在本发明的一种实施例中，所述第一光纤靠近所述第一反射膜的一端距所述第一反射膜的距离等于所述第二光纤靠近所述第二反射膜的一端距所述第二反射膜的距离。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的光纤测倾装置，包括支撑机构、摆动机构以及第一测量机构。摆锤受摆线的限制，在地震发生过程中，地形发生变化，在重力作用下摆锤摆动，位移发生变化。第一光纤的端面与第一反射膜构成法珀腔，在地形变形前后法珀腔的腔长发生变化，其变化差值等于摆锤的位移。根据摆的运动原理，倾斜角度变化等于摆锤的位移除以摆长，也即法珀腔的腔长变化除以摆长，从而能够用于测倾监测。与传统光纤倾斜仪相比，其抗冲击能力较好，灵敏度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供第一种光纤测倾装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供第二种光纤测倾装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供第二种光纤测倾装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供一种差分测倾系统的第一视角的结构示意图；

图5是本发明实施例提供一种差分测倾系统的第二视角的结构示意图；

图6是本发明实施例提供一种差分测倾系统的第三视角的结构示意图；

图7是本发明实施例提供一种差分测倾系统的第四视角的结构示意图。

图标：10-光纤测倾装置；100-支撑机构；110-基座；111-调节螺杆；130-基架；300-摆动机构；310-摆锤；311-第一反射膜；313-第二反射膜；330-摆线；500-第一测量机构；510-第一光纤；700-第一微调机构；710-第一调整架；730-第一夹持件；20-差分测倾系统；200-第二测量机构；210-第二光纤；400-第二微调机构；410-第二调整架；430-第二夹持件。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1，一种光纤测倾装置10，包括支撑机构100、摆动机构300以及第一测量机构500。

其中，支撑机构100包括基座110和以及固定于基座110上的基架130。

摆动机构300包括摆锤310以及摆线330，摆线330的两端分别与基架130、摆锤310连接，摆锤310的侧面设置有第一反射膜311。

第一测量机构500包括第一光纤510，第一光纤510的端面与第一反射膜311相对设置。

在本实施例中，摆锤310受摆线330长度的限制，在地震发生过程中，地形发生变化，在重力作用下摆锤310摆动，位移发生变化。第一光纤510的端面与第一反射膜311构成法珀腔，在地形变形前后法珀腔的腔长发生变化，其变化差值等于摆锤310的位移。根据摆的运动原理，倾斜角度变化等于摆锤310的位移除以摆长，也即法珀腔的腔长变化除以摆长，从而能够用于测倾监测。与传统光纤倾斜仪相比，其抗冲击能力较好，灵敏度高。

在倾斜角度的计算时，虽然摆锤310是作圆弧运动，由于其运动距离微小，我们可以假设摆锤310的运动方式为水平移动，因此，法珀腔的腔长变化可视作摆锤310的位移。

具体地，在本实施例中，基座110为水平设置板状结构，如铁板。为了能够保证基座110水平，在基座110的底部安装有调节螺杆111，用于水平校准。进一步地，为了便于水平调节，基座110的表面安装有水准泡(图中未示出)。在对基座110进行调平时，可以根据水准泡的水泡情况快速调平。

在本实施例中，摆线330为两根，长度相等。摆线330的一端固定于基架130，摆线330的另一端用于固定摆锤310，使得摆锤310能够在两根摆线330的限制下运动。

可以理解，在其他实施例中，两根摆线330的长度也可以不相等，摆线330也可以只有一根，请参阅图2-3。因此，本发明对此不作具体限制。

具体地，在本实施例中，摆锤310为正六面体，第一反射膜311设置于其中一个侧面。

为了使法珀腔的初始腔长控制在合理范围内，需要调整第一光纤510的初始位置。具体地，在本实施例中，光纤测倾装置10还包括第一微调机构700，第一微调机构700包括第一调整架710和用于夹持第一光纤510的第一夹持件730，第一调整架710设置于基座110上，第一夹持件730固定于第一调整架710，第一调整架710能够调整第一光纤510的初始位置。具体地，第一夹持件730开设有用于第一光纤510穿过的固定孔。

其中，第一夹持件730开设有燕尾槽，第一调整架710设置有与燕尾槽配合的燕尾座，燕尾座与燕尾槽配合能够使得第一夹持件730固定于第一调整架710。

需要说明的是，在其他实施例中第一调整架710和第一夹持件730也可以采用其他的连接方式，比如采用螺栓、螺钉、销钉等连接。本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，本发明对此不作具体限制。

在本实施例中，第一夹持件730固定于第一调整架710，第一调整架710通过调整第一夹持件730的位置，从而改变了第一光纤510的初始位置，使得法珀腔的初始腔长能够控制在合理范围内。

另外，在本实施例中，第一光纤510远离第一反射膜311的一侧设置有第一解调仪，第一解调仪用于向第一光纤510发射光信号并接收由第一反射膜311和第一光纤510的端面反射的光信号以获取法珀腔腔长变化。

在使用时，由第一解调仪向第一光纤510发射光信号，光信号经第一反射膜311和第一光纤510的端面反射后被第一解调仪接收。根据发射和接收的光信号能够获取法珀腔的腔长变化。为了保证测倾精度，第一光纤510的轴线垂直于第一反射膜311所在的平面。

另外，为了消弱温度对测倾结果的影响，提高测倾的精度。请参阅图4-7，本发明另提供一种差分测倾系统20，包括光纤测倾装置10和第二测量机构200。

其中，摆线330有两根且摆线330的长度相等。

第二测量机构200包括第二光纤210，第二光纤210与第一光纤510相对设置，摆锤310还设置有第二反射膜313，第二反射膜313与第一反射膜311相对设置，摆锤310设置于第一光纤510和第二光纤210之间。

在本实施例中，第一光纤510的端面与第一反射膜311形成法珀腔，第二光纤210的端面与第二反射膜313也形成法珀腔，在使用时，2个法珀腔的腔长变化是一个增大，另一个则减小，由此，利用2个法珀腔构成差分结构，可以消弱温度变化对测倾结果带来的影响。

为了使法珀腔的初始腔长控制在合理范围内，需要调整第二光纤210的初始位置。具体地，在本实施例中，差分测倾系统20还包括第二微调机构400，第二微调机构400包括第二夹持件430和第二调整架410，第二调整架410设置于基座110上，第二夹持件430固定于第二调整架410，第二夹持件430用于夹持第二光纤210，第二调整架410能够调整第二光纤210的初始位置。具体地，第二夹持件430开设有用于第二光纤210穿过的固定孔。

其中，第二夹持件430开设有燕尾槽，第二调整架410设置有与燕尾槽配合的燕尾座，燕尾座与燕尾槽配合能够使得第二夹持件430固定于第二调整架410。

在本实施例中，第二夹持件430固定于第二调整架410，第二调整架410通过调整第二夹持件430的位置，从而改变了第二光纤210的初始位置，使得法珀腔的初始腔长能够控制在合理范围内。

另外，在本实施例中，第二光纤210远离第二反射膜313的一侧设置有第二解调仪，第二解调仪用于向第二光纤210发射光信号并接收由第二反射膜313和第二光纤210的端面反射的光信号以获取法珀腔腔长变化。

在使用时，由第二解调仪向第二光纤210发射光信号，光信号经第二反射膜313和第二光纤210的端面反射后被第二解调仪接收。根据发射和接收的光信号能够获取法珀腔的腔长变化。

需要说明的是，第一解调仪和第二解调仪也可以是同一个解调仪，目前的解调仪通常是多路多通道的，能够同时处理两路光信号。

为了保证测倾精度，第二光纤210的轴线垂直于第二反射膜313所在的平面。

在本实施例中，第一光纤510靠近第一反射膜311的一端距第一反射膜311的距离等于第二光纤210靠近第二反射膜313的一端距第二反射膜313的距离。采用对称的设计，使得整个差分测倾系统20结构更加协调。

可以理解，在其他实施例中，第一光纤510靠近第一反射膜311的一端距第一反射膜311的距离也可以不等于第二光纤210靠近第二反射膜313的一端距第二反射膜313的距离。在使用时，该二者距离并不需要完全相等。第一光纤510靠近第一反射膜311的一端距第一反射膜311的距离、第二光纤210靠近第二反射膜313的一端距第二反射膜313的距离大于摆锤310的摆动距离即可。当光纤测倾装置10在监测过程中摆锤310发生倾斜后，一个距离增大、一个距离减小，同样具备差分结构，保证测倾精度。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤测倾装置，其特征在于，包括

支撑机构，所述支撑机构包括基座和以及固定于所述基座上的基架；

摆动机构，所述摆动机构包括摆锤以及摆线，所述摆线的两端分别与所述基架、所述摆锤连接，所述摆锤的侧面设置有第一反射膜；以及

第一测量机构，所述测量机构包括第一光纤，所述第一光纤的端面与所述第一反射膜相对设置。

2.根据权利要求1所述的光纤测倾装置，其特征在于，还包括第一微调机构，所述第一微调机构包括第一调整架和用于夹持所述第一光纤的第一夹持件，所述第一调整架设置于所述基座上，所述第一夹持件固定于所述第一调整架，所述第一调整架能够调整所述第一光纤的初始位置。

3.根据权利要求2所述的光纤测倾装置，其特征在于，所述第一夹持件开设有燕尾槽，所述第一调整架设置有与所述燕尾槽配合的燕尾座，所述燕尾座与所述燕尾槽配合能够使得所述第一夹持件固定于所述第一调整架。

4.根据权利要求1所述的光纤测倾装置，其特征在于，所述第一光纤远离所述第一反射膜的一侧设置有第一解调仪，所述第一解调仪用于向所述第一光纤发射光信号并接收由所述第一反射膜和所述第一光纤的端面反射的光信号以获取法珀腔腔长变化。

5.根据权利要求1所述的光纤测倾装置，其特征在于，所述第一光纤的轴线垂直于所述第一反射膜所在的平面。

6.一种差分测倾系统，其特征在于，包括

权利要求1-5任一项所述的光纤测倾装置，所述摆线有两根且所述摆线的长度相等；以及

第二测量机构，所述第二测量机构包括第二光纤，所述第二光纤与所述第一光纤相对设置，所述摆锤还设置有第二反射膜，所述第二反射膜与所述第一反射膜相对设置，所述摆锤设置于所述第一光纤和所述第二光纤之间。

7.根据权利要求6所述的一种差分测倾系统，其特征在于，还包括第二微调机构，所述第二微调机构包括第二调整架和用于夹持所述第二光纤的第二夹持件，所述第二调整架设置于所述基座上，所述第二夹持件固定于所述第二调整架，所述第二调整架能够调整所述第二光纤的初始位置。

8.根据权利要求7所述的一种差分测倾系统，其特征在于，所述第二夹持件设置有燕尾槽，所述第二调整架设置有燕尾座，所述燕尾座能够插入所述燕尾槽以使得所述第二夹持件固定于所述第二调整架。

9.根据权利要求6所述的一种差分测倾系统，其特征在于，所述第二光纤远离所述第二反射膜的一侧设置有第二解调仪，所述第二解调仪用于发射光信号并接收由所述第二反射膜和所述第二光纤的端面反射的光信号以获取法珀腔腔长变化。

10.根据权利要求6所述的一种差分测倾系统，其特征在于，所述第一光纤靠近所述第一反射膜的一端距所述第一反射膜的距离等于所述第二光纤靠近所述第二反射膜的一端距所述第二反射膜的距离。