[发明专利]基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地学观测技术领域，尤其是适用于地壳倾斜变化测量的光纤水管倾斜仪。

背景技术

目前，高精度倾斜仪是固体潮汐形变观测的主要仪器之一，同时也是地壳形变观测仪器的重要组成部分，可广泛应用于固体潮汐的观测、大型陆基科学仪器(如激光干涉引力波天线)地面倾斜运动的测量以及地质灾害的监测与预警等方面。作为高精度倾斜仪的一种重要实现方案的水管倾斜仪是一种利用自由水面作为基准测量相隔一定距离的两个观测点之间相对高程变化的长基线倾斜仪。其基本结构是用一根水管的两端连接两个钵体，当连通管两端地基有相对垂直位移时，倾斜仪钵体中的液体会从相对抬高的一端流向相对降低的一端，于是两端液面与钵体的相对位置发生变化，用位移传感器检测这种位置变化就可得到沿水管方向的地倾斜信号。

传统水管倾斜仪的液位传感器采用磁式、压力式、电容式等测量方式，如聂磊等人在文章“FSQ型浮子水管倾斜仪的设计与研制”，地壳形变与地震，vol.4，No.1，p.91-102中介绍的水管倾斜仪采用磁液位传感器，具有零漂小，成本低等特点，但是由于磁传感器本身固有的抗干扰能力较弱，精度较低，组网能力差，动态性能不好等缺点，使得在应用中具有一定的局限性；近些年基于FSQ改进而成的DSQ型水管倾斜仪具有更强的智能型和自动化，动态性能和测量精度有所提高，但是核心的液位传感器依旧采用基于差动变压器的电学传感器，使得在使用中对环境条件要求相当苛刻，易受电磁干扰和温度影响，不利于在深部地质的恶劣环境中工作。

由于光学传感的一些固有优势，近些年出现了一些基于光学的倾斜仪结构及测量方案，如Masahiro Nakamura申请的美国发明专利“Inclination angle metering apparatus(专利号US5392112)”，该专利所设计的倾斜仪利用仪器固定表面和液面各自反射由一条光束所分割而成的两束光后在一个检测器上聚焦，从两条分光束的空间点的相对位置计算仪器的倾角；又如库尔特·埃内等人申请的专利“光学倾斜仪(专利号CN1659420A)”，该专利设计的倾斜仪由辐射源发射辐射，通过容纳元件后聚焦在照相机上，根据液位相对于倾斜仪或者照相机的位置，可推断出倾斜仪的倾斜度：这些方案原理上都有所创新，精度上达到了很高的要求，但是结构相对复杂，同时系统的稳定性与可靠性受到辐射源与光源的局限，实际应用中受到了一定的限制。

近年来，光纤激光传感器特别是光纤光栅激光传感器得到了广泛的应用，它是在普通无源光纤光栅传感器的基础上，将光纤光栅写到有源光纤上，形成有效的、具有增益性质的激光谐振腔。当外界受监测物理量发生变化时，出射的激光波长、偏振或者模式等发生变化，通过检测这些激光参量的变化就可以得到被测物理量的变化情况。激光传感器由于它高的输出能量、优越的信噪比并具有超窄线宽的激光带宽使得它得到了广泛的研究和重视。在所有光纤激光传感器中，基于拍频解调技术的光纤激光传感器能够发展成解调结构较简单、低值、高精度的传感技术。拍频解调技术具有简单、全电子化的优点，在现有的激光传感解调技术中，拍频解调技术是非常简单、成本很低且性能稳定的一种解调方案。这个技术提供了一个简单的信号处理方法，根据这种技术，大量的拍频激光传感器被应用到水声、超声、荷载等物理信息的测量。

发明内容

本发明为解决上述现有水管倾斜仪测量技术存在的问题，提出一种基于激光拍频传感技术的光纤水管倾斜仪及测量方法，利用光纤光栅直接作为传感元件，采用激光拍频解调技术，不引入其他弹性元件，具有自动温度补偿机制，其测量精度高，抗干扰能力强，使用寿命长，稳定性好。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

本发明提供一种适用于长基线的基于激光拍频传感技术的高精度倾斜仪，其特征在于，包括相互连通的两个水槽，传感信号发生与解调模块，每个所述水槽包括水，浮子，传感光纤光栅，参考光纤光栅，所述传感光纤光栅(5)的上端连接所述浮子并通过引出光纤连接水槽外的所述传感信号发生与解调模块(8)，另一端固定所述水槽下底部后的引出光纤连接所述传感信号发生与解调模块(8)，所述参考光纤光栅(6)安装在所述水槽内的固定侧板(7)上并完全浸入水中，所述参考光纤光栅(6)的两端分别通过引出光纤连接所述传感信号发生与解调模块(8)。