雷射幹涉儀系統的製作方法
2023-10-24 04:02:17 3
雷射幹涉儀系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種雷射幹涉儀系統，其包括幹涉儀支架、幹涉光接收裝置、雷射器、信號處理裝置以及PC機；該幹涉光接收裝置包括裝配座、偏振分光稜鏡、反射鏡、非偏振分光稜鏡、wollaston稜鏡、透鏡、探測器、光纖連接頭和信號處理裝置連接頭；該雷射器通過光纖纜線與光纖連接頭連接；該幹涉光接收裝置集成有彼此通過電連接的預處理模塊、AD採集模塊、修正模塊和USB插接模塊；該預處理模塊通過數據線與該信號處理裝置連接頭電連接，該USB插接模塊通過USB數據線連接PC機。本發明結構設計簡單、緊湊，便於移動，具備遠程功能，整體性強，可實現對長期工作於地震監測現場的石英水平擺傾斜儀的靈敏度現場校準，解決石英擺傾斜儀測量的溯源問題。
【專利說明】雷射幹涉儀系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及精密測量【技術領域】，尤其涉及一種雷射幹涉儀系統。
【背景技術】
[0002]擺式傾斜儀是用於地震監測領域長期定點監測大地垂直形變的儀器，該儀器安裝於恆溫、恆溼的人防山洞或專業開鑿硐室的地下基巖上。儀器通過雙吊絲懸掛系統將微小的地傾斜角度放大，通過換能傳感器轉換為位移信號輸出。通過長期的定點觀測與數據處理，監測固定位置地球的固體潮汐，獲得地球形變的日變化量、月變化量和年變，通過長期的監測用於發現變化中的異常，分析地震前兆特徵。
[0003]傾斜儀測量的物理量為角度，可以測量到地傾斜角度達到千分之一至萬分之二角秒，該儀器靈敏度的準確將直接影響測量結果的準確性進而影響對形變異常的判定。尤其洞體傾斜儀一經安裝到位即連續工作不能間斷，儀器的靈敏度在長期的現場工作中使用間接校準的方式進行自校準(業內稱為標定)。
[0004]由於擺式傾斜儀的自振周期與儀器的靈敏度有以下關係(式I)
142 X 2, A gT ^ / ηθΙ /、
[0005]C = ---{ P / )____(式 I)
206265 X 4 X ;r2L0 ,ms
[0006]通常現場工作的傾斜儀依靠測量周期的方式(周期法)校準靈敏度，由於式I是理論公式，所以校準結果必定不具備溯源性。
[0007]依靠儀器內置的自校準裝置進行靈敏度校準的原理是使用外部膨脹裝置使儀器底板產生一傾角，該傾斜角度通過裝置的膨脹係數計算所得與傾斜儀測得的位移量進行計算得到當時的角度靈敏度，從這種方式中可以得出該靈敏度也是不具備溯源性的。
【發明內容】
[0008]為了解決以上問題，本發明提出了一種結構設計簡單、緊湊，便於移動，具備遠程功能，整體性強，可實現對長期工作於地震監測現場的石英水平擺傾斜儀的靈敏度現場校準，解決石英擺傾斜儀測量的溯源問題的雷射幹涉儀系統。
[0009]本發明的具體技術方案如下:
[0010]上述的雷射幹涉儀系統，包括幹涉儀支架、裝設於所述幹涉儀支架上的幹涉光接收裝置、與幹涉光接收裝置連接的雷射器、信號處理裝置以及與所述信號處理裝置連接的PC機；所述幹涉光接收裝置包括裝配座、偏振分光稜鏡、反射鏡、非偏振分光稜鏡、wollaston稜鏡、透鏡、探測器、光纖連接頭和信號處理裝置連接頭；所述裝配座裝包括與所述幹涉儀支架固定連接的水平安裝板及豎直固設於所述水平安裝板一側邊的豎直安裝板；所述偏振分光稜鏡裝設於所述豎直安裝板的前側面底端；所述反射鏡為裝設於所述豎直安裝板前側面的至少一對，所述的一對反射鏡分別裝設於所述偏振分光稜鏡的相鄰兩側端；所述非偏振分光稜鏡裝設於所述豎直安裝板的前側面且位於所述偏振分光稜鏡一側；所述wollaston稜鏡為裝設於所述豎直安裝板前側面的至少一對,所述的一對wollaston稜鏡分別匹配位於所述非偏振分光稜鏡的相鄰兩側；所述透鏡也為裝設於所述豎直安裝板前側面的至少一對，所述的一對透鏡分別匹配位於所述的一對wollaston稜鏡的相鄰兩側；所述探測器為裝設於所述豎直安裝板前側面的至少兩組，所述的兩組探測器分別匹配位於其中一個所述透鏡的相鄰兩側；所述光纖連接頭裝設於所述豎直安裝板的前側面上且匹配位於所述偏振分光稜鏡的正上方；所述信號處理裝置連接頭裝設於所述豎直安裝板的前側面且位於其中一組所述探測器的一側；所述雷射器通過光纖纜線與所述光纖連接頭連接；所述幹涉光接收裝置集成有彼此通過電連接的預處理模塊、AD採集模塊、修正模塊和USB插接模塊；所述預處理模塊通過數據線與所述信號處理裝置連接頭匹配電連接，所述USB插接模塊通過USB數據線連接所述PC機。
[0011]所述雷射幹涉儀系統，其中:所述反射鏡包括第一反射鏡和第二反射鏡；所述第一反射鏡裝設於所述偏振分光稜鏡的底端，所述第二反射鏡裝設於所述偏振分光稜鏡的左側端；所述非偏振分光稜鏡位於所述偏振分光稜鏡的右側；所述wollaston稜鏡包括第一wollaston稜鏡和第二 wollaston稜鏡,所述第一 wollaston稜鏡位於所述非偏振分光稜鏡的上側，所述第二 wollaston稜鏡位於所述非偏振分光稜鏡的右側；所述透鏡包括第一透鏡和第二透鏡；所述第一透鏡位於所述第二 wollaston稜鏡的右側；所述第二透鏡位於所述第一 wollaston稜鏡的上側；所述探測器包括第一組探測器和第二組探測器；所述第一、第二組探測器均由一對光電探測器組成；所述第一組探測器位於所述第一透鏡的右側，所述第二組探測器位於所述第一透鏡的上側；所述信號處理裝置連接頭位於所述第二組探測器的右側，其一端通過兩相信號線連接所述第一組探測器的一對光電探測器，另一端通過兩相信號線與所述第二組探測器的一對探測器連接。
[0012]所述雷射幹涉儀系統，其中:所述雷射器包括安裝架、恆溫肼、雷射管電源、分光裝置和光纖耦合頭；所述安裝架包括水平布置的底板和對稱豎直固設於所述底板兩端的立板；所述恆溫肼裝設於所述底板的頂面；所述雷射管電源裝設於所述恆溫肼的頂部；所述分光裝置裝設於所述安裝架右側的立板與所述恆溫肼之間，所述該分光裝置相對兩側的所述底板上豎直對稱裝設有一對1/2波片；所述光纖耦合頭裝設於所述安裝架右側的所述立板上，其通過光纖纜線與所述光纖連接頭匹配連接。
[0013]所述雷射幹涉儀系統，其中:所述幹涉儀支架包括基板和滾軸；所述基板呈水平布置，其呈三角形板體結構且三個角均向外延伸形成有連接臂；所述滾軸固定於所述連接臂的端部。
[0014]所述雷射幹涉儀系統，其中:所述水平安裝板呈據形板體結構，其水平固設於所述基板的頂部；所述水平安裝板和豎直安裝板的一端之間還連接你有加強板。
[0015]所述雷射幹涉儀系統，其中:所述幹涉儀系統還包括環境測量裝置；所述環境測量裝置通過USB線與所述PC機電連接。
[0016]有益效果:
[0017]本發明雷射幹涉儀系統結構設計簡單、緊湊，便於移動、具備遠程功能、整體性強，可實現對長期工作於地震監測現場的石英水平擺傾斜儀的靈敏度現場校準，解決石英擺傾斜儀測量溯源問題；可以解決用於地震前兆觀測的專業儀器石英水平擺傾斜儀現場靈敏度的校準問題，通過定期對工作現場儀器進行校準，在解決儀器長期觀測數據的準確性同時最大限度的保障了儀器測量的連續性，通過校準後的儀器的觀測數據可以實現長期數據的連續比對和分析，對計算和判別地球定點長期緩慢的變化提供了數據可靠性的支撐，同時也可將定點觀測的數據進行網絡化的比對和計算，對區域性形變觀測和處理具有重大的意義；可以實現不同觀測儀器同物理量的數據比對處理，對促進地震監測預報事業的發展起到一定的作用。
[0018]同時還具有以下優點:
[0019](I)光路結構簡單，集成程度高，不需要在現場進行複雜的幹涉光路的調整，便於現場操作；測量光路和參考光路由5塊核心光學元件組成，在實現測量光路和參考光路基本對稱的前提下，使得在進行現場測量時，方便光路重合的調整；同時本發明的幹涉儀系統分辨力較高，可達到0.lnm，並且具有更高的集成度，是個整體設計，雷射幹涉儀在測量現場不需要再組裝，降低了現場測量難度。
[0020]2.結構設計合理，具有便攜性，整體性強，並採用了對溫度最為不敏感的殷鋼製成，最大限度的保證了系統的穩定性和整體性，使結構更為穩定、緊湊，便於移動，不需安裝和調整，便於進行長途的運輸和現場組裝。
[0021]3.幹涉儀支架採用三角形支持設計，支撐更為穩定，現場調整便捷，在保證測量光路閒區長度最短的條件下很容易調整平衡。整體三角支撐設計即實現了支持的穩定也實現了調平的便捷，同時支架的重量較其他支撐方式也更為輕便，對測量現場工作面的適應能力更高。
[0022](4)幹涉儀採用光纖幹涉，可以實現遠程操作，最大限度降低校準行為對觀測儀器的影響；同時，還配備了環境測量裝置(溫度、溼度、氣壓等)，用於修正現場與實驗室環境差異引起的折射率變化造成測量結果誤差。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明雷射幹涉儀系統的結構示意圖；
[0024]圖2為本發明雷射幹涉儀系統的圖1中A區域的放大圖；
[0025]圖3為本發明雷射幹涉儀系統的原理圖。
【具體實施方式】
[0026]如圖1、2所示，本發明雷射幹涉儀系統，用於校準石英水平擺傾斜儀的靈敏度，其包括幹涉儀支架1、幹涉光接收裝置2、雷射器3、信號處理裝置4、PC機5和環境測量裝置6。
[0027]該幹涉儀支架I包括基板11和滾軸12 ;該基板11水平布置，其呈三角形板體結構且三個角均向外延伸形成有連接臂111 ;該滾軸12固定於該連接臂111的端部。
[0028]該幹涉光接收裝置2裝設於該幹涉儀支架I上，其包括裝配座21、偏振分光稜鏡22、反射鏡23、非偏振分光稜鏡24、wollaston稜鏡25、透鏡26、四象限探測器27、光纖連接頭28和信號處理裝置連接頭29。
[0029]該裝配座21包括水平安裝板211、豎直安裝板212和加強板213 ;其中，該水平安裝板211呈據形板體結構，其水平固設於該幹涉儀支架I的基板11頂部；該豎直安裝板212也呈矩形板體結構，其豎直固設於該水平安裝板211 —側邊；該加強板213呈直角三角形板體結構，其連接於該水平安裝板211和豎直安裝板212 —端之間。
[0030]該偏振分光稜鏡22裝設於該裝配座21的豎直安裝板212的前側面底端。
[0031]該反射鏡23為裝設於該裝配座21的豎直安裝板212前側面的一對，即包括第一反射鏡231和第二反射鏡232 ;其中，第一反射鏡231裝設於該偏振分光稜鏡22的底端，第二反射鏡232裝設於該偏振分光稜鏡22的左側端。
[0032]該非偏振分光稜鏡24裝設於該偏振分光稜鏡22右側的裝配座21的豎直安裝板212的前側面上。
[0033]該wollaston稜鏡25為裝設於該裝配座21的豎直安裝板212前側面的一對，即包括第一 wollaston稜鏡251和第二 wollaston稜鏡252,其中，第一 wollaston稜鏡251裝設於該非偏振分光稜鏡24上側的豎直安裝板212的前側面上，第二 wollaston稜鏡252裝設於該非偏振分光稜鏡24右側的豎直安裝板212的前側面上。
[0034]該透鏡26為裝設於該裝配座21的豎直安裝板212前側面的一對，即包括第一透鏡261和第二透鏡262 ;其中，該第一透鏡261裝設於該第二 wollaston稜鏡252右側的豎直安裝板212的前側面上；該第二透鏡262裝設於該第一 wollaston稜鏡251上側的豎直安裝板212的前側面上。
[0035]該探測器27為裝設於該裝配座21的豎直安裝板212前側面的兩組，即包括第一組探測器271和第二組探測器272 ;其中，該第一組探測器271和第二組探測器272均由一對光電探測器組成；該第一組探測器271裝設於透鏡26的第一透鏡261右側的豎直安裝板212前側面上，該第二組探測器272裝設於該透鏡26的第一透鏡261上側的豎直安裝板212前側面上。
[0036]該光纖連接頭28裝設於該裝配座21的豎直安裝板212的前側面上端，其位於該偏振分光稜鏡22的正上方。
[0037]該信號處理裝置連接頭29裝設於該裝配座21的豎直安裝板212的前側面上端，其具體位於該第二組探測器272的右側；其中，該信號處理裝置連接頭29 —端通過兩相信號線連接第一組探測器271的一對光電探測器，另一端通過兩相信號線與第二組探測器272的一對探測器連接。
[0038]該雷射器3與幹涉光接收裝置2連接，其包括安裝架31、恆溫肼32、雷射管電源33、分光裝置34和光纖耦合頭35 ;其中，該安裝架31包括底板311和對稱豎直固設於該底板311兩端的立板312 ;該恆溫肼32裝設於該安裝架31的底板311的頂面，該雷射管電源33裝設於該恆溫肼32的頂部；該分光裝置34裝設於該安裝架31右側的立板312與恆溫肼32之間，其中，該分光裝置34相對兩側的底板311上豎直對稱裝設有一對1/2波片36 ；該光纖耦合頭35裝設於該安裝架31右側的立板312上，其通過光纖纜線37與幹涉光接收裝置2的光纖連接頭28匹配連接。
[0039]該信號處理裝置4與幹涉光接收裝置2連接，其中，該幹涉光接收裝置4集成有彼此通過電連接的預處理模塊(圖中未示)、AD採集模塊(圖中未示)、修正模塊(圖中未示)和USB插接模塊(圖中未示)；該預處理模塊(圖中未示)通過數據線與幹涉光接收裝置2的信號處理裝置連接頭29匹配電連接，該USB插接模塊(圖中未示)通過USB線連接外置PC機5。
[0040]該環境測量裝置6通過USB線與PC機5連接，以用於修正現場與實驗室環境差異弓I起的折射率變化造成測量結果誤差。
[0041]本發明的工作原理:
[0042]如圖3所示，雷射光源輸出X軸成45°角的線偏振光，經過偏振分光稜鏡22(PBS)被分為光矢量分別垂直兩束線偏振光，其中光矢量沿y軸的線偏振光在參考臂中經過1/4波片變為左旋圓偏振光，然後由第一反射鏡231反射R回來再次經過1/4波片(位於圖2中分光鏡22和第一反射鏡231之間的波片，圖2中未不)變為光矢量沿X軸的線偏振光；而偏振分光稜鏡22 (PBS)分出的另一束光矢量沿X軸的線偏振光在測量臂(圖2中的偏振分光稜鏡22與第二反射鏡232之間有1/4波片和第二反射鏡232組成的測量光路部分)中經過1/4波片變為右旋圓偏振光，由外置驅動裝置使測量平面鏡沿Y軸方向發生微位移，微位移使測量光路的光程發生變化，測量光束由第二反射鏡232M反射再次經過1/4波片變為光矢量沿I軸的線偏振光；兩束線偏振光再次在偏振分光稜鏡22 (PBS)中會合後發生幹涉，由於測量光路光程的變化，使得幹涉條紋明暗發生變化，通過四通道的幹涉光接收裝置
2的信號處理和相位細分處理計算，可以測得第二反射鏡232的變化量而達到測量微位移的目的。
[0043]其中，經過四通道相位細分技術處理計算，分辨能力可達到0.lnm。
[0044]本發明結構設計簡單、緊湊，便於移動，具備遠程功能，整體性強，可實現對長期工作於地震監測現場的石英水平擺傾斜儀的靈敏度現場校準，解決石英擺傾斜儀測量量的溯源問題。
【權利要求】
1.一種雷射幹涉儀系統，其特徵在於:所述幹涉儀系統包括幹涉儀支架、裝設於所述幹涉儀支架上的幹涉光接收裝置、與幹涉光接收裝置連接的雷射器、信號處理裝置以及與所述信號處理裝置連接的PC機； 所述幹涉光接收裝置包括裝配座、偏振分光稜鏡、反射鏡、非偏振分光稜鏡、wo I Iaston稜鏡、透鏡、探測器、光纖連接頭和信號處理裝置連接頭；所述裝配座裝包括與所述幹涉儀支架固定連接的水平安裝板及豎直固設於所述水平安裝板一側邊的豎直安裝板；所述偏振分光稜鏡裝設於所述豎直安裝板的前側面底端；所述反射鏡為裝設於所述豎直安裝板前側面的至少一對，所述的一對反射鏡分別裝設於所述偏振分光稜鏡的相鄰兩側端；所述非偏振分光稜鏡裝設於所述豎直安裝板的前側面且位於所述偏振分光稜鏡一側；所述wollaston稜鏡為裝設於所述豎直安裝板前側面的至少一對,所述的一對wollaston稜鏡分別匹配位於所述非偏振分光稜鏡的相鄰兩側；所述透鏡也為裝設於所述豎直安裝板前側面的至少一對，所述的一對透鏡分別匹配位於所述的一對wollaston稜鏡的相鄰兩側；所述探測器為裝設於所述豎直安裝板前側面的至少兩組，所述的兩組探測器分別匹配位於其中一個所述透鏡的相鄰兩側；所述光纖連接頭裝設於所述豎直安裝板的前側面上且匹配位於所述偏振分光稜鏡的正上方；所述信號處理裝置連接頭裝設於所述豎直安裝板的前側面且位於其中一組所述探測器的一側； 所述雷射器通過光纖纜線與所述光纖連接頭連接； 所述幹涉光接收裝置集成有彼此通過電連接的預處理模塊、AD採集模塊、修正模塊和USB插接模塊；所述預處理模塊通過數據線與所述信號處理裝置連接頭匹配電連接，所述USB插接模塊通過USB數據線連接所述PC機。
2.如權利要求1所述的雷射幹涉儀系統，其特徵在於:所述反射鏡包括第一反射鏡和第二反射鏡；所述第一反射鏡裝設於所述偏振分光稜鏡的底端，所述第二反射鏡裝設於所述偏振分光稜鏡的左側端； 所述非偏振分光稜鏡位於所述偏振分光稜鏡的右側； 所述wollaston稜鏡包括第一 wollaston稜鏡和第二 wollaston稜鏡，所述第一wollaston稜鏡位於所述非偏振分光稜鏡的上側,所述第二 wollaston稜鏡位於所述非偏振分光稜鏡的右側； 所述透鏡包括第一透鏡和第二透鏡；所述第一透鏡位於所述第二 wollaston稜鏡的右側；所述第二透鏡位於所述第一 wollaston稜鏡的上側； 所述探測器包括第一組探測器和第二組探測器；所述第一、第二組探測器均由一對光電探測器組成；所述第一組探測器位於所述第一透鏡的右側，所述第二組探測器位於所述第一透鏡的上側； 所述信號處理裝置連接頭位於所述第二組探測器的右側，其一端通過兩相信號線連接所述第一組探測器的一對光電探測器，另一端通過兩相信號線與所述第二組探測器的一對探測器連接。
3.如權利要求1所述的雷射幹涉儀系統，其特徵在於:所述雷射器包括安裝架、恆溫肼、雷射管電源、分光裝置和光纖耦合頭； 所述安裝架包括水平布置的底板和對稱豎直固設於所述底板兩端的立板； 所述恆溫肼裝設於所述底板的頂面； 所述雷射管電源裝設於所述恆溫肼的頂部； 所述分光裝置裝設於所述安裝架右側的立板與所述恆溫肼之間，所述該分光裝置相對兩側的所述底板上豎直對稱裝設有一對1/2波片； 所述光纖耦合頭裝設於所述安裝架右側的所述立板上，其通過光纖纜線與所述光纖連接頭匹配連接。
4.如權利要求1所述的雷射幹涉儀系統，其特徵在於:所述幹涉儀支架包括基板和滾軸；所述基板呈水平布置，其呈三角形板體結構且三個角均向外延伸形成有連接臂；所述滾軸固定於所述連接臂的端部。
5.如權利要求4所述的雷射幹涉儀系統，其特徵在於:所述水平安裝板呈據形板體結構，其水平固設於所述基板的頂部； 所述水平安裝板和豎直安裝板的一端之間還連接你有加強板。
6.如權利要求1至5任一所述的雷射幹涉儀系統，其特徵在於:所述幹涉儀系統還包括環境測量裝置；所述環境測量裝置通過USB線與所述PC機電連接。
【文檔編號】G01C25/00GK104316078SQ201410487634
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】盧海燕 申請人:中國地震災害防禦中心