[發明專利]一種超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器及光纖應變儀

有效

• 申請號: 201210381978.8
• 申請日: 2012-10-10
• 公開（公告）號: CN102927914A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 吳冰;楊軍;彭峰;苑勇貴;苑立波
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種光纖傳感測量裝置，具體地說是一種用于地球物理學研究，觀測地殼應變和固體潮汐、獲取地震前兆信息的光纖位移傳感器及由該光纖位移傳感器構成的應變儀。

背景技術

應變測量儀是一種精密測量地殼巖體兩點間距離相對變化的儀器，在觀測地殼應變和固體潮汐，以及研究地震孕育過程和地震前兆獲取等領域中有著重要應用。

自1935年美國地震學家貝尼奧夫（H.Benioff）研制成第一臺有價值的石英伸縮儀后，美、英、前蘇聯、日、比、德等國都相繼研制了高靈敏度的伸縮儀。儀器的靈敏度一般都在10^-8以上，能清晰記錄到固體潮汐。

我國開展這方面的研究較晚，20世紀80年代初中國地震局地震研究所蔡帷鑫等人研制出較為實用的伸縮儀——SSY-II型水平石英伸縮儀（蔡帷鑫，譚適齡，SSY-II型石英伸縮儀的研制與試驗，大地測量與地球動力學，Vol.5(1)：31-41，1985）。儀器的測量基線采用熔融石英管，其基線長度為10米以上，一般為30～50米；應變觀測分辨率優于3×10^-9，能清晰地記錄到固體潮汐。

20世紀90年代末，中國地震局地震研究所呂寵江等人發明了一種新的應變觀測儀器——SS-Y型短基線伸縮儀（專利申請號：99116620.5），它選用特種銦鋼棒作為基線，并垂直自由懸掛，選用電渦流傳感器或差動變壓器作為位移傳感器，儀器的應變分辨率優于10^-9。該儀器在保持高靈敏度高穩定性的同時縮短了基線長度達到小于10米。在此基礎上，2006年呂寵江發明了差分式短基線伸縮儀（專利申請號：200610018250.3），提高了伸縮儀對震動、電源波動等的抗共模干擾能力，進一步縮短了測量基線長度，但其整體長度仍大于5米。

2007年，中國地震局地震研究所李家明等人發明了超短基線伸縮儀（專利申請號：200710053069.0），該裝置采用位移分辨率為0.1納米的電容傳感器，使測量基線長度減小到1米的同時，應變分辨率還能保持在1×10^-10。但電容傳感器的防潮和密封問題是伸縮儀能否成功實現的難點，并且電容傳感器極易受到強電磁干擾，不適合于在電磁污染嚴重的環境中使用。

綜上所述，在提高應變儀測量精度的同時，縮短其測量基線長度，成為應變儀研制的主要方向。小型化的優點是：一方面可以降低開鑿硐體的難度，降低環境建設成本；另一方面小型化后可以便攜，有利于地震應急快速布設，甚至于井下巖層布設。

目前發明的應變儀中位移傳感器主要采用電渦流位移傳感器、差動變壓器位移傳感器，或者電容位移傳感器，其中前兩者最好的位移分辨率1納米左右；而電容位移傳感器雖然有較好的分辨力，可以達到0.01納米，但存在寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響大、輸出具有非線性、聯接電路復雜，以及受潮濕、電磁干擾嚴重等缺點，不適應應變儀對傳感器長期穩定可靠工作的需求。因此，需要研制新的位移傳感器，以滿足應變儀提高測量精度和小型化的要求。

近年來，光纖傳感器的研究得到快速發展，已經成為測量靈敏度最高的傳感技術之一。相比電學類傳感器，它具有靈敏度高（皮米、亞皮米級位移分辨率），動態范圍大（160～180dB），測量頻帶寬（DC～MHz），對電磁干擾免疫，抗潮濕、耐腐蝕，十分適合于惡劣環境中。2003年天津大學陳才和等人公開了一種順變柱體全光纖加速度地震檢波器（專利申請號：03236644.2），主要用于加速度及地震波檢測。系統采用單個Michelson干涉儀光路、單一質量塊，其穩定性受到光纖和機械元件等長期性能畸變和溫度效應等干擾源的制約。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能有效地提高整機的測量精度，并降低誤差干擾的超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器。本發明的目的還在于提供一種主要由超短基線順變柱體結構光纖位移傳感器構成的光纖應變儀。

本發明的目的是這樣實現的：