CN205537501U - 激光干涉仪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光干涉仪系统，其包括干涉仪支架、干涉光接收装置、激光器、信号处理装置及PC机；干涉光接收装置包括装配座、偏振分光棱镜、反射镜、非偏振分光棱镜、wollaston棱镜、透镜、探测器、光纤连接头和信号处理装置连接头；激光器通过光纤缆线与光纤连接头连接；干涉光接收装置集成有彼此通过电连接的预处理组件、AD采集组件、修正组件和USB插接组件；预处理组件通过数据线与该信号处理装置连接头电连接，该USB插接组件通过USB数据线连接PC机。本实用新型结构设计简单、紧凑，便于移动，安装使用简单、方便，可实现对长期工作于地震监测现场的石英水平摆倾斜仪的灵敏度现场校准，解决石英摆倾斜仪测量的溯源问题。

Description

激光干涉仪系统

技术领域

本实用新型涉及精密测量设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种激光干涉仪系统。

背景技术

摆式倾斜仪是用于地震监测领域长期定点监测大地垂直形变的仪器，该仪器安装于恒温、恒湿的人防山洞或专业开凿硐室的地下基岩上。仪器通过双吊丝悬挂系统将微小的地倾斜角度放大，通过换能传感器转换为位移信号输出。通过长期的定点观测与数据处理，监测固定位置地球的固体潮汐，获得地球形变的日变化量、月变化量和年变，通过长期的监测用于发现变化中的异常，分析地震前兆特征。

倾斜仪测量的物理量为角度，可以测量到地倾斜角度达到千分之一至万分之二角秒，该仪器灵敏度的准确将直接影响测量结果的准确性进而影响对形变异常的判定。尤其洞体倾斜仪一经安装到位即连续工作不能间断，仪器的灵敏度在长期的现场工作中使用间接校准的方式进行自校准(业内称为标定)。

由于摆式倾斜仪的自振周期与仪器的灵敏度有以下关系(式1)

$c=\frac{142\×2{\mathrm{AgT}}^2}{206265\×4\×{\mathrm{\π}}^2{L}_0}(pel/ms)$ ....(式1)

通常现场工作的倾斜仪依靠测量周期的方式(周期法)校准灵敏度，由于式1是理论公式，所以校准结果必定不具备溯源性。

依靠仪器内置的自校准装置进行灵敏度校准的原理是使用外部膨胀装置使仪器底板产生一倾角，该倾斜角度通过装置的膨胀系数计算所得与倾斜仪测得的位移量进行计算得到当时的角度灵敏度，从这种方式中可以得出该灵敏度也是不具备溯源性的。

实用新型内容

(一)技术方案

本实用新型提供了一种激光干涉仪系统，包括：

干涉仪支架、设置于所述干涉仪支架上的干涉光接收装置、与干涉光接收装置连接的激光器、信号处理装置以及与所述信号处理装置连接的PC机；

所述干涉光接收装置包括装配座、偏振分光棱镜、反射镜、非偏振分光棱镜、wollaston棱镜、透镜、探测器、光纤连接头和信号处理装置连接头；所述装配座装包括与所述干涉仪支架固定连接的水平安装板及竖直固设于所述水平安装板一侧边的竖直安装板；所述偏振分光棱镜装设于所述竖直安装板的前侧面底端；所述反射镜包括有两个，两个所述反射镜组成反射镜组，所述反射镜组设置于所述竖直安装板前侧面，所述反射镜组包括有至少一对，所述反射镜组中的所述反射镜分别装设于所述偏振分光棱镜的相邻两侧端；所述非偏振分光棱镜装设于所述竖直安装板的前侧面且位于所述偏振分光棱镜一侧；所述wollaston棱镜包括有两个，两个所述wollaston棱镜组成wollaston棱镜组，所述wollaston棱镜组设置于所述竖直安装板的前侧面，所述wollaston棱镜组包括至少一组，所述wollaston棱镜组中包括有两个所述wollaston棱镜组相对设置并分别匹配设置于所述非偏振分光棱镜的相邻两侧；所述透镜包括有两个，两个所述透镜组成透镜组，所述透镜组至少包括至少一组，所述透镜组设置于所述竖直安装板的前侧面，所述透镜组中包括的两个所述透镜分别匹配位于所述wollaston棱镜组相邻的两侧；所述探测器为装设于所述竖直安装板前侧面，其包括至少两组，全部的所述探测器分别匹配位于其中一个所述透镜相邻的两侧；所述光纤连接头装设于所述竖直安装板的前侧面上且匹配位于所述偏振分光棱镜的正上方；所述信号处理装置连接头装设于所述竖直安装板的前侧面且位于其中一组所述探测器的一侧；

所述激光器通过光纤缆线与所述光纤连接头连接；

所述干涉光接收装置集成有彼此通过电连接的预处理组件、AD采集组件、修正组件、USB插接组件以及用于实现无线通信的蓝牙通信组件；所述预处理组件通过数据线与所述信号处理装置连接头匹配电连接，所述USB插接组件与所述蓝牙通信组件集成为无线蓝牙通信装置，所述无线蓝牙通信装置通与所述PC机无线通信连接；

所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜装设于所述偏振分光棱镜的底端，所述第二反射镜装设于所述偏振分光棱镜的左侧端；

所述非偏振分光棱镜位于所述偏振分光棱镜的右侧；

所述wollaston棱镜包括第一wollaston棱镜和第二wollaston棱镜，所述第一wollaston棱镜位于所述非偏振分光棱镜的上侧，所述第二wollaston棱镜位于所述非偏振分光棱镜的右侧；

所述透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜位于所述第二wollaston棱镜的右侧，所述第二透镜位于所述第一wollaston棱镜的上侧；

所述探测器包括第一组探测器和第二组探测器，所述第一、第二组探测器均由一对光电探测器组成，所述第一组探测器位于所述第一透镜的右侧，所述第二组探测器位于所述第一透镜的上侧；

所述信号处理装置连接头位于所述第二组探测器的右侧，其一端通过两相信号线连接所述第一组探测器的一对光电探测器，另一端通过两相信号线与所述第二组探测器的一对探测器连接。

优选地，所述激光器包括安装架、恒温肼、激光管电源、分光装置和光纤耦合头；所述安装架包括水平布置的底板和对称竖直固设于所述底板两端的立板；所述恒温肼装设于所述底板的顶面；所述激光管电源装设于所述恒温肼的顶部；所述分光装置装设于所述安装架右侧的立板与所述恒温肼之间，所述该分光装置相对两侧的所述底板上 竖直对称装设有一对1/2波片；所述光纤耦合头装设于所述安装架右侧的所述立板上，其通过光纤缆线与所述光纤连接头匹配连接。

优选地，所述干涉仪支架包括基板和滚轴，所述基板呈水平布置，其呈三角形板体结构且三个角均向外延伸形成有连接臂，所述滚轴固定于所述连接臂的端部。

优选地，所述水平安装板呈矩形板体结构，其水平固设于所述基板的顶部；所述水平安装板和竖直安装板的一端之间还连接有加强板。

优选地，所述干涉仪系统还包括环境测量装置，所述环境测量装置通过所述无线蓝牙通信装置所述PC机电连接。

(二)有益效果

通过上述结构设计，本实用新型结构设计简单、紧凑，制造成本较低，安装使用简单、方便，其中结构设计具有便携性，便于进行长途的运输和现场组装；光路结构设计紧凑，不需要在现场进行复杂的干涉光路的调整，便于现场操作；干涉仪系统采用光纤干涉，可以实现远程操作，最大限度降低校准行为对观测仪器的影响；同时，整个干涉仪系统可实现对长期工作于地震监测现场的石英水平摆倾斜仪的灵敏度现场校准，解决石英摆倾斜仪测量溯源问题；可以解决用于地震前兆观测的专业仪器石英水平摆倾斜仪现场灵敏度的校准问题，通过定期对工作现场仪器进行校准，在解决仪器长期观测数据的准确性同时最大限度的保障了仪器测量的连续性，通过校准后的仪器的观测数据可以实现长期数据的连续比对和分析，对计算和判别地球定点长期缓慢的变化提供了数据可靠性的支撑，同时也可将定点观测的数据进行网络化的比对和计算，对区域性形变观测和处理具有重大的意义；可以实现不同观测仪器同物理量的数据比对处理，对促进地震监测预报事业的发展起到一定的作用。

同时还具有以下优点：

1、光路结构简单，集成程度高，不需要在现场进行复杂的干涉光路的调整，便于现场操作；测量光路和参考光路由5块核心光学元件组成，在实现测量光路和参考光路基本对称的前提下，使得在进行现场测量时，方便光路重合的调整；同时本实用新型的干涉仪系统分辨力较高，可达到0.1nm,并且具有更高的集成度，是个整体设计，激光干涉仪在测量现场不需要再组装，降低了现场测量难度。

2、结构设计合理，具有便携性，整体性强，并采用了对温度最为不敏感的殷钢制成，最大限度的保证了系统的稳定性和整体性，使结构更为稳定、紧凑，便于移动，不需安装和调整，便于进行长途的运输和现场组装。

3、干涉仪支架采用三角形支持设计，支撑更为稳定，现场调整便捷，在保证测量光路闲区长度最短的条件下很容易调整平衡；整体三角支撑设计即实现了支持的稳定也实现了调平的便捷，同时支架的重量较其他支撑方式也更为轻便，对测量现场工作面的适应能力更高。

4、干涉仪采用光纤干涉，可以实现远程操作，最大限度降低校准行为对观测仪器的影响；同时，还配备了环境测量装置(温度、湿度、气压等)，用于修正现场与实验室环境差异引起的折射率变化造成测量结果误差。

5、由USB插接组件以及蓝牙通信组件集成为无线蓝牙通信装置，利用无线蓝牙通信装置实现系统内部件与PC机之间的无线通信连接，该通信方式不受实体线路的影响，其使用灵活、方便。

附图说明

图1为本实用新型激光干涉仪系统的结构示意图；

图2为本实用新型激光干涉仪系统的图1中A区域的放大图；

图3为本实用新型激光干涉仪系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参考图1至图3，其中，图1为本实用新型激光干涉仪系统的结构示意图；图2为本实用新型激光干涉仪系统的图1中A区域的放大图；图3为本实用新型激光干涉仪系统的原理图。

如图1、2所示，本实用新型激光干涉仪系统，用于校准石英水平摆倾斜仪的灵敏度，其包括干涉仪支架1、干涉光接收装置2、激光器3、信号处理装置4、PC机5和环境测量装置6。

该干涉仪支架1包括基板11和滚轴12；该基板11水平布置，其呈三角形板体结构且三个角均向外延伸形成有连接臂111；该滚轴12固定于该连接臂111的端部。

该干涉光接收装置2装设于该干涉仪支架1上，其包括装配座21、偏振分光棱镜22、反射镜23、非偏振分光棱镜24、wollaston 棱镜25、透镜26、四象限探测器27、光纤连接头28和信号处理装置连接头29。

该装配座21包括水平安装板211、竖直安装板212和加强板213；其中，该水平安装板211呈矩形板体结构，其水平固设于该干涉仪支架1的基板11顶部；该竖直安装板212也呈矩形板体结构，其竖直固设于该水平安装板211一侧边；该加强板213呈直角三角形板体结构，其连接于该水平安装板211和竖直安装板212一端之间。

该偏振分光棱镜22装设于该装配座21的竖直安装板212的前侧面底端。

该反射镜23为装设于该装配座21的竖直安装板212前侧面的一对，即包括第一反射镜231和第二反射镜232；其中，第一反射镜231装设于该偏振分光棱镜22的底端，第二反射镜232装设于该偏振分光棱镜22的左侧端。

该非偏振分光棱镜24装设于该偏振分光棱镜22右侧的装配座21的竖直安装板212的前侧面上。

该wollaston棱镜25为装设于该装配座21的竖直安装板212前侧面的一对，即包括第一wollaston棱镜251和第二wollaston棱镜252，其中，第一wollaston棱镜251装设于该非偏振分光棱镜24上侧的竖直安装板212的前侧面上，第二wollaston棱镜252装设于该非偏振分光棱镜24右侧的竖直安装板212的前侧面上。

该透镜26为装设于该装配座21的竖直安装板212前侧面的一对，即包括第一透镜261和第二透镜262；其中，该第一透镜261装设于该第二wollaston棱镜252右侧的竖直安装板212的前侧面上；该第二透镜262装设于该第一wollaston棱镜251上侧的竖直安装板212的前侧面上。

该探测器27为装设于该装配座21的竖直安装板212前侧面的两组，即包括第一组探测器271和第二组探测器272；其中，该第一组 探测器271和第二组探测器272均由一对光电探测器组成；该第一组探测器271装设于透镜26的第一透镜261右侧的竖直安装板212前侧面上，该第二组探测器272装设于该透镜26的第一透镜261上侧的竖直安装板212前侧面上。

该光纤连接头28装设于该装配座21的竖直安装板212的前侧面上端，其位于该偏振分光棱镜22的正上方。

该信号处理装置连接头29装设于该装配座21的竖直安装板212的前侧面上端，其具体位于该第二组探测器272的右侧；其中，该信号处理装置连接头29一端通过两相信号线连接第一组探测器271的一对光电探测器，另一端通过两相信号线与第二组探测器272的一对探测器连接。

该激光器3与干涉光接收装置2连接，其包括安装架31、恒温肼32、激光管电源33、分光装置34和光纤耦合头35；其中，该安装架31包括底板311和对称竖直固设于该底板311两端的立板312；该恒温肼32装设于该安装架31的底板311的顶面，该激光管电源33装设于该恒温肼32的顶部；该分光装置34装设于该安装架31右侧的立板312与恒温肼32之间，其中，该分光装置34相对两侧的底板311上竖直对称装设有一对1/2波片36；该光纤耦合头35装设于该安装架31右侧的立板312上，其通过光纤缆线37与干涉光接收装置2的光纤连接头28匹配连接。

该信号处理装置4与干涉光接收装置2连接，其中，该干涉光接收装置4集成有彼此通过电连接的预处理组件(图中未示)、AD采集组件(图中未示)、修正组件(图中未示)和USB插接组件(图中未示)；该预处理组件(图中未示)通过数据线与干涉光接收装置2的信号处理装置连接头29匹配电连接，该USB插接组件(图中未示)通过USB线连接外置PC机5。

该环境测量装置6通过USB线与PC机5连接，以用于修正现场与实验室环境差异引起的折射率变化造成测量结果误差。

本实用新型的工作原理：

如图3所示，激光光源输出x轴成45°角的线偏振光，经过偏振分光棱镜22(PBS)被分为光矢量分别垂直两束线偏振光，其中光矢量沿y轴的线偏振光在参考臂中经过1/4波片变为左旋圆偏振光，然后由第一反射镜231反射R回来再次经过1/4波片(位于图2中分光镜22和第一反射镜231之间的波片，图2中未示)变为光矢量沿x轴的线偏振光；而偏振分光棱镜22(PBS)分出的另一束光矢量沿x轴的线偏振光在测量臂(图2中的偏振分光棱镜22与第二反射镜232之间有1/4波片和第二反射镜232组成的测量光路部分)中经过1/4波片变为右旋圆偏振光，由外置驱动装置使测量平面镜沿Y轴方向发生微位移，微位移使测量光路的光程发生变化，测量光束由第二反射镜232M反射再次经过1/4波片变为光矢量沿y轴的线偏振光；两束线偏振光再次在偏振分光棱镜22(PBS)中会合后发生干涉，由于测量光路光程的变化，使得干涉条纹明暗发生变化，通过四通道的干涉光接收装置2的信号处理和相位细分处理计算，可以测得第二反射镜232的变化量而达到测量微位移的目的。

其中，经过四通道相位细分技术处理计算，分辨能力可达到0.1nm。

本实用新型结构设计简单、紧凑，便于移动，使用简单、方便，可实现对长期工作于地震监测现场的石英水平摆倾斜仪的灵敏度现场校准，解决石英摆倾斜仪测量量的溯源问题。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (5)

1.一种激光干涉仪系统，其特征在于，包括：

干涉仪支架、设置于所述干涉仪支架上的干涉光接收装置、与干涉光接收装置连接的激光器、信号处理装置以及与所述信号处理装置连接的PC机；

所述干涉光接收装置包括装配座、偏振分光棱镜、反射镜、非偏振分光棱镜、wollaston棱镜、透镜、探测器、光纤连接头和信号处理装置连接头；所述装配座包括与所述干涉仪支架固定连接的水平安装板及竖直固设于所述水平安装板一侧边的竖直安装板；所述偏振分光棱镜装设于所述竖直安装板的前侧面底端；所述反射镜包括有两个，两个所述反射镜组成反射镜组，所述反射镜组设置于所述竖直安装板前侧面，所述反射镜组包括有至少一对，所述反射镜组中的所述反射镜分别装设于所述偏振分光棱镜的相邻两侧端；所述非偏振分光棱镜装设于所述竖直安装板的前侧面且位于所述偏振分光棱镜一侧；所述wollaston棱镜包括有两个，两个所述wollaston棱镜组成wollaston棱镜组，所述wollaston棱镜组设置于所述竖直安装板的前侧面，所述wollaston棱镜组包括至少一组，所述wollaston棱镜组中包括有两个所述wollaston棱镜组相对设置并分别匹配设置于所述非偏振分光棱镜的相邻两侧；所述透镜包括有两个，两个所述透镜组成透镜组，所述透镜组至少包括一组，所述透镜组设置于所述竖直安装板的前侧面，所述透镜组中包括的两个所述透镜分别匹配位于所述wollaston棱镜组相邻的两侧；所述探测器为装设于所述竖直安装板前侧面，其包括至少两组，全部的所述探测器分别匹配位于其中一个所述透镜相邻的两侧；所述光纤连接头装设于所述竖直安装板的前侧面上且匹配位于所述偏振分光棱镜的正上方；所述信号处理装置连接头装设于所述竖直安装板的前侧面且位于其中一组所述探测器的一侧；

所述激光器通过光纤缆线与所述光纤连接头连接；

所述干涉光接收装置集成有彼此通过电连接的预处理组件、AD采集组件、修正组件、USB插接组件以及用于实现无线通信的蓝牙通信组件；所述预处理组件通过数据线与所述信号处理装置连接头匹配电连接，所述USB插接组件与所述蓝牙通信组件集成为无线蓝牙通信装置，所述无线蓝牙通信装置与所述PC机无线通信连接；

所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜装设于所述偏振分光棱镜的底端，所述第二反射镜装设于所述偏振分光棱镜的左侧端；

所述非偏振分光棱镜位于所述偏振分光棱镜的右侧；

所述wollaston棱镜包括第一wollaston棱镜和第二wollaston棱镜，所述第一wollaston棱镜位于所述非偏振分光棱镜的上侧，所述第二wollaston棱镜位于所述非偏振分光棱镜的右侧；

所述透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜位于所述第二wollaston棱镜的右侧，所述第二透镜位于所述第一wollaston棱镜的上侧；

所述探测器包括第一组探测器和第二组探测器，所述第一、第二组探测器均由一对光电探测器组成，所述第一组探测器位于所述第一透镜的右侧，所述第二组探测器位于所述第一透镜的上侧；

所述信号处理装置连接头位于所述第二组探测器的右侧，其一端通过两相信号线连接所述第一组探测器的一对光电探测器，另一端通过两相信号线与所述第二组探测器的一对探测器连接。

2.如权利要求1所述的激光干涉仪系统，其特征在于，

所述激光器包括安装架、恒温肼、激光管电源、分光装置和光纤耦合头；

所述安装架包括水平布置的底板和对称竖直固设于所述底板两端的立板；

所述恒温肼装设于所述底板的顶面；

所述激光管电源装设于所述恒温肼的顶部；

所述分光装置装设于所述安装架右侧的立板与所述恒温肼之间，所述分光装置相对两侧的所述底板上竖直对称装设有一对1/2波片；

所述光纤耦合头装设于所述安装架右侧的所述立板上，其通过光纤缆线与所述光纤连接头匹配连接。

3.如权利要求2所述的激光干涉仪系统，其特征在于，

所述干涉仪支架包括基板和滚轴，所述基板呈水平布置，其呈三角形板体结构且三个角均向外延伸形成有连接臂，所述滚轴固定于所述连接臂的端部。

4.如权利要求3所述的激光干涉仪系统，其特征在于，

所述水平安装板呈矩形板体结构，其水平固设于所述基板的顶部；

所述水平安装板和竖直安装板的一端之间还连接有加强板。

5.如权利要求4所述的激光干涉仪系统，其特征在于，

所述干涉仪系统还包括环境测量装置，所述环境测量装置通过所述无线蓝牙通信装置与所述PC机电连接。