本發明專利技術公開了一種適用于地殼傾斜變化測量的基于激光拍頻傳感技術的高精度傾斜儀及測量方法。該高精度傾斜儀包括兩個連通的水槽，浮子，光纖，傳感光纖光柵，參考光纖光柵，固定側板，傳感信號發生與解調裝置。其傾斜測量的實現原理是基于雙環腔單縱模光纖激光器的激光拍頻傳感解調技術，針對水管傾斜儀不同的基線長度，提供了兩種傾斜測量的實施方案。與現有技術相比，本發明專利技術通過巧妙的結構設計將激光拍頻傳感技術應用到地傾斜信號的測量，同時設計出相應的光纖水管傾斜儀裝置，使得系統具有解調精度高，可靠性好，結構簡單，成本較低，穩定性高，溫度自動補償機制等優點。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種地學觀測
，尤其是適用于地殼傾斜變化測量的光纖水管傾斜儀。
技術介紹
目前，高精度傾斜儀是固體潮汐形變觀測的主要儀器之一，同時也是地殼形變觀測儀器的重要組成部分，可廣泛應用于固體潮汐的觀測、大型陸基科學儀器(如激光干涉引力波天線)地面傾斜運動的測量以及地質災害的監測與預警等方面。作為高精度傾斜儀的一種重要實現方案的水管傾斜儀是一種利用自由水面作為基準測量相隔一定距離的兩個觀測點之間相對高程變化的長基線傾斜儀。其基本結構是用一根水管的兩端連接兩個缽體，當連通管兩端地基有相對垂直位移時,傾斜儀缽體中的液體會從相對抬高的一端流向相對降低的一端，于是兩端液面與缽體的相對位置發生變化，用位移傳感器檢測這種位置變化就可得到沿水管方向的地傾斜信號。傳統水管傾斜儀的液位傳感器采用磁式、壓力式、電容式等測量方式，如聶磊等人在文章“FSQ型浮子水管傾斜儀的設計與研制”，地殼形變與地震，vol. 4, No. I, p. 91-102中介紹的水管傾斜儀采用磁液位傳感器，具有零漂小，成本低等特點，但是由于磁傳感器本身固有的抗干擾能力較弱，精度較低，組網能力差，動態性能不好等缺點，使得在應用中具有一定的局限性；近些年基于FSQ改進而成的DSQ型水管傾斜儀具有更強的智能型和自動化， 動態性能和測量精度有所提高，但是核心的液位傳感器依舊采用基于差動變壓器的電學傳感器，使得在使用中對環境條件要求相當苛刻，易受電磁干擾和溫度影響，不利于在深部地質的惡劣環境中工作。由于光學傳感的一些固有優勢，近些年出現了一些基于光學的傾斜儀結構及測量方案，如Masahiro Nakamura申請的美國專利技術專利“ Inclination angle metering apparatus (專利號US5392112) ”,該專利所設計的傾斜儀利用儀器固定表面和液面各自反射由一條光束所分割而成的兩束光后在一個檢測器上聚焦，從兩條分光束的空間點的相對位置計算儀器的傾角；又如庫爾特·埃內等人申請的專利“光學傾斜儀(專利號 CN1659420A)”，該專利設計的傾斜儀由輻射源發射輻射，通過容納元件后聚焦在照相機上， 根據液位相對于傾斜儀或者照相機的位置，可推斷出傾斜儀的傾斜度這些方案原理上都有所創新，精度上達到了很高的要求，但是結構相對復雜，同時系統的穩定性與可靠性受到輻射源與光源的局限，實際應用中受到了一定的限制。近年來，光纖激光傳感器特別是光纖光柵激光傳感器得到了廣泛的應用，它是在普通無源光纖光柵傳感器的基礎上，將光纖光柵寫到有源光纖上，形成有效的、具有增益性質的激光諧振腔。當外界受監測物理量發生變化時，出射的激光波長、偏振或者模式等發生變化，通過檢測這些激光參量的變化就可以得到被測物理量的變化情況。激光傳感器由于它高的輸出能量、優越的信噪比并具有超窄線寬的激光帶寬使得它得到了廣泛的研究和重視。在所有光纖激光傳感器中，基于拍頻解調技術的光纖激光傳感器能夠發展成解調結構較簡單、低值、高精度的傳感技術。拍頻解調技術具有簡單、全電子化的優點，在現有的激光傳感解調技術中，拍頻解調技術是非常簡單、成本很低且性能穩定的一種解調方案。這個技術提供了一個簡單的信號處理方法，根據這種技術，大量的拍頻激光傳感器被應用到水聲、 超聲、荷載等物理信息的測量。
技術實現思路
本專利技術為解決上述現有水管傾斜儀測量技術存在的問題，提出一種基于激光拍頻傳感技術的光纖水管傾斜儀及測量方法，利用光纖光柵直接作為傳感元件，采用激光拍頻解調技術，不引入其他彈性元件，具有自動溫度補償機制，其測量精度高，抗干擾能力強，使用壽命長，穩定性好。本專利技術的目的可以通過以下技術方案實現本專利技術提供一種適用于長基線的基于激光拍頻傳感技術的高精度傾斜儀，其特征在于，包括相互連通的兩個水槽，傳感信號發生與解調模塊，每個所述水槽包括水，浮子，傳感光纖光柵，參考光纖光柵，所述傳感光纖光柵(5)的上端連接所述浮子并通過引出光纖連接水槽外的所述傳感信號發生與解調模塊(8)，另一端固定所述水槽下底部后的引出光纖連接所述傳感信號發生與解調模塊(8)，所述參考光纖光柵(6)安裝在所述水槽內的固定側板(7)上并完全浸入水中，所述參考光纖光柵￠)的兩端分別通過引出光纖連接所述傳感信號發生與解調模塊(8)。進一步的，所述傳感信號發生與解調裝置包括泵浦源，波分復用器，一段摻鉺光纖，偏振控制器I，偏振控制器II，可調諧衰減器I，可調諧衰減器II，環形器，光纖光柵，光纖率禹合器I，光纖稱合器II,光纖稱合器III,光纖稱合器IV，摻鉺光纖放大器，光電探測器， 頻譜分析儀，光譜分析儀，所述傳感光纖光柵，參考光纖光柵的兩端分別連接所述光纖耦合器I和光纖耦合器II，所述光纖耦合器I與光纖耦合器II之間由光纖分別順序連接、偏振控制器II、波分復用器、摻鉺光纖、偏振控制器I、光纖耦合器IV和環形器，形成所述傳感光纖光柵，參考光纖光柵并行連接的環腔，光纖光柵連接所述環形器；所述的泵浦源產生的泵浦光通過波分復用器注入所述環腔內，經過一段摻鉺光纖產生受激輻射，激射的激光經由環形器后通過光纖光柵實現粗濾波，再通過光纖耦合器II分別進入所述傳感光纖光柵和參考光纖光柵中，所述傳感光纖光柵和參考光纖光柵分別接入可調諧衰減器I、可調諧衰減器II，環腔中產生的雙波長窄帶激光通過光纖耦合器IV輸出，經過光纖耦合器III、摻鉺光纖放大器將光信號放大后輸入至光電探測器，利用光電探測器將光信號轉變為電信號，將產生的電信號輸入到頻譜分析儀可以觀測到兩個波長的拍頻信號，通過檢測這種頻譜漂移量可以推算出作用于傳感光纖光柵的參量大小。優選的，還包括底部固定裝置，所述底部固定裝置連接水槽底部，所述傳感光纖光柵下端固定于底部固定裝置的上。進一步的，所述的底部固定裝置為中空倒漏斗形狀的結構塊。本專利技術提出了一種適用于長基線的基于激光拍頻傳感技術的高精度傾斜儀的測量方法，其特征在于包括以下步驟啟動傳感信號發生與解調模塊，觀測所述頻譜分析儀； 當外界基面發生傾斜時，在光譜分析儀中觀測到傳感光纖光柵與參考光纖光柵的波長差發生變化，傳感光纖光柵與參考光纖光柵的波長差導致頻譜分析儀中的拍頻頻譜發生漂移，通過頻譜分析儀記錄頻譜漂移量的大小推算出單側水槽的液位高度的變化量；測量出基線長度后計算出外界基面傾斜量的大小。上述專利技術的原理是當外界基面發生傾斜時，單側的水槽內液位發生變化，由于浮子本身被固定而不發生上下移動，從而浮子所受的浮力發生變化，導致傳感光纖光柵上承受的應力增加，工作波長發生漂移，而此時參考光纖光柵由于被固定，不受外界的應力變化，波長不發生漂移，因此傳感光纖光柵與參考光纖光柵的波長差發生變化，將光纖激光器環腔內的激光輸出經過探測器輸入到頻譜分析儀中，可以觀測到對應的拍頻頻譜發生漂移，通過頻譜分析儀記錄頻譜漂移量的大小可以反推傳感光纖光柵與參考光纖光柵的波長差，進而可以得出傳感光纖光柵上承受的應力變化量，最終可以得出單側水槽內的液位變化量，通過兩側水槽內液位變化量以及基線的長度可以得出外界基面傾斜量的大小。本專利技術提出了一種適用于短基線的基于激光拍頻傳感技術的高精度傾斜儀，其特征在于，包括相互連通的兩個水槽和一個傳感信號發生與解調模塊，每個所述水槽包括水， 浮子，傳感光纖光本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：孫琪真，戴怡，劉德明，張杰君，譚斯斯，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。