[发明专利]一种超短基线高灵敏盘式位移传感器及光纤应变仪

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感测量装置。具体地说是一种用于地球物理学研究，观测地壳应变和固体潮汐、获取地震前兆信息的位移传感器及应变仪。

背景技术

应变测量仪是一种精密测量地壳岩体两点间距离相对变化的仪器，在观测地壳应变和固体潮汐，以及研究地震孕育过程和地震前兆获取等领域中有着重要应用。

自1935年美国地震学家贝尼奥夫（H.Benioff）研制成第一台有价值的石英伸缩仪后，美、英、前苏联、日、比、德等国都相继研制了高灵敏度的伸缩仪。仪器的灵敏度一般都在10^-8以上，能清晰记录到固体潮汐。

20世纪80年代初中国地震局地震研究所蔡帷鑫等人研制出较为实用的伸缩仪——SSY-II型水平石英伸缩仪（蔡帷鑫，谭适龄，SSY-II型石英伸缩仪的研制与试验，大地测量与地球动力学，Vol.5(1)：31-41，1985）。仪器的测量基线采用熔融石英管，其基线长度为10米以上，一般为30-50米；应变观测分辨率优于3×10^-9，能清晰地记录到固体潮汐。

20世纪90年代末，中国地震局地震研究所吕宠江等人发明了一种新的应变观测仪器——SS-Y型短基线伸缩仪（专利申请号：99116620.5），它选用特种铟钢棒作为基线，并垂直自由悬挂，选用电涡流传感器或差动变压器作为位移传感器，仪器的应变分辨率优于10^-9。该仪器在保持高灵敏度高稳定性的同时缩短了基线长度达到小于10米。在此基础上，2006年吕宠江发明了差分式短基线伸缩仪（专利申请号：200610018250.3），提高了伸缩仪对震动、电源波动等的抗共模干扰能力，进一步缩短了测量基线长度，但其整体长度仍大于5米。

2007年，中国地震局地震研究所李家明等人发明了超短基线伸缩仪（专利申请号：200710053069.0），该装置采用位移分辨率为0.1纳米的电容传感器，使测量基线长度减小到1米的同时，应变分辨率还能保持在1×10^-10。但电容传感器的防潮和密封问题是伸缩仪能否成功实现的难点，并且电容传感器极易受到强电磁干扰，不适合于在电磁污染严重的环境中使用。

综上所述，在提高应变仪测量精度的同时，缩短其测量基线长度，成为应变仪研制的主要方向。小型化的优点是：一方面可以降低开凿胴体的难度，降低环境建设成本；另一方面小型化后可以便携，有利于地震应急快速布设，甚至于井下岩层布设。

目前发明的应变仪中位移传感器主要采用电涡流位移传感器、差动变压器位移传感器，或者电容位移传感器，其中前两者最好的位移分辨率1纳米左右；而电容位移传感器虽然有较好的分辨力，可以达到0.01纳米，但存在寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响大、输出具有非线性、联接电路复杂，以及受潮湿、电磁干扰严重等缺点，不适应应变仪对传感器长期稳定可靠工作的需求。因此，需要研制新的位移传感器，以满足应变仪提高测量精度和小型化的要求。

近年来，光纤传感器的研究得到快速发展，已经成为测量灵敏度最高的传感技术之一。相比电学类传感器，它具有灵敏度高（皮米、亚皮米级位移分辨率），动态范围大（160-180dB），测量频带宽（DC-MHz），对电磁干扰免疫，抗潮湿、耐腐蚀，十分适用于恶劣环境。本发明采用盘式光纤位移传感结构，实现了一种新型的超短基线高灵敏光纤应变仪，克服了现有电类传感器在精度和稳定性方面存在的问题和不足，提高了测量精度，同时降低了基线尺度，可以广泛用于地壳应变观测与地震前兆信息获取等地球物理学研究中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能进一步缩短测量基线尺度，有效地提高整机的测量精度，并降低误差干扰的超短基线高灵敏盘式位移传感器。本发明的目的还在于提供一种基于超短基线高灵敏盘式位移传感器的光纤应变仪。

本发明主要是通过以下技术方案实现的：