专利名称：一种白光干涉型光纤重力仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感技术，特别是涉及一种白光干涉型光纤重力仪。
背景技术：
重力仪是测定重力加速度的仪器，是探测地球重力场信息的主要手段。它在国家 重力基准点建立、地震与海平面监测、大地水准面的精确测定、地壳垂直形变以及国防建设 等方面发挥着关键作用。高精度重力探测可以精确获得与地球内部物质迁移、地壳运动等有关的变化特 征，为大地测量、地球物理、地球内部动力学机制、环境与灾害监测提供重要依据。目前世界 上许多国家纷纷建立绝对重力网，监测重力场的非潮汐变化，并在海平面变化、地震、火山、 构造运动及有关的环境变化、地质灾害和相关重大工程的环境影响研究中得到应用。除了地球物理方面的研究和应用外，在国民经济、人民生产生活中，地球重力的精 确测量也将发挥越来越重要、关键的作用。传统机械式重力仪结构简单，但精度低，易受温度影响及电磁干扰。采用普通的窄谱光源，如LD光源，谱宽�。喔沙ざ瘸ぃ礁缮姹鄣某ざ炔钊菀状� 到相干长度的要求。但臂长的不加控制容易引起环境(如温度)对相位的影响，引入相干 噪声(如背向散射)。同时窄带光源的偏振交叉耦合引起的相位误差也会极大地影响光纤 重力仪的精度。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种白光干涉型光纤重 力仪。本发明采用的技术方案是包括白光光源、保偏分束器、重力敏感器件、相位调制器和光电探测器；白光光源 通过保偏光纤与保偏分束器的一个入口端连接，保偏分束器的两个出口端分别通过保偏光 纤和重力敏感器件的两个入口端连接，重力敏感器件的两个出口端分别通过保偏光纤和相 位调制器的两个入口端连接，相位调制器的出口端通过保偏光纤与光电探测器连接；白光 光源、保偏分束器和重力敏感器件的连接都是保偏光纤的0度对轴连接。所述的重力敏感器件包括弹性板、支撑体、保偏光纤敏感线圈和壳体；弹性板由支 撑体中心支撑，保偏光纤敏感线圈由两根保偏保偏光纤分别在弹性板的上下两面盘绕并胶 粘固定；保偏光纤敏感线圈的两个入口端与保偏分束器的两个出口端连接，保偏光纤敏感 线圈的两个出口端与相位调制器的两个入口端连接；保偏分束器与相位调制器用激光焊接 固定在壳体上，壳内抽成真空。本发明与背景技术相比，具有的有益效果是 本发明利用白光干涉技术，采用相干长度短的宽谱光源，可以减少背向散射的影 响，降低相干噪声，同时采用全保偏系统，极大地改善了偏振交叉耦合带来的偏振误差，大大提高了系统精度，其精度可达10-9gm/s2。另外，采用密封抽真空的系统设计，减小了飘 移，在很大程度上抑制了外界环境因素对测量的影响。
图1是白光干涉型光纤重力仪的结构原理示意图。图2是重力敏感器件的结构原理示意图。图3是保偏光纤敏感线圈的俯视图。图4是白光干涉型重力仪精度与长度的关系图。图中1、白光光源，2、保偏分束器，3、重力敏感器件，4、相位调制器，5、光电探测 器，3-1、弹性板，3-2，支撑体，3-3，保偏光纤敏感线圈，3-4、壳体。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示，本发明包括白光光源1、保偏分束器2、重力敏感器件3、相位调制器4 和光电探测器5 ；白光光源1通过保偏光纤与保偏分束器2的一个入口端连接，保偏分束器 2的两个出口端分别通过保偏光纤和重力敏感器件3的两个入口端连接，重力敏感器件3的 两个出口端分别通过保偏光纤和相位调制器4的两个入口端连接，相位调制器4的出口端 通过保偏光纤与光电探测器5连接；白光光源1、保偏分束器2和重力敏感器件3的连接都 是保偏光纤的0度对轴连接，输出为线偏光并处于尾纤的一个双折射轴上。如图2、图3所示，所述的重力敏感器件3包括弹性板3-1、支撑体3_2、保偏光纤敏 感线圈3-3和壳体3-4 ；弹性板3-1由支撑体3-2中心支撑，保偏光纤敏感线圈3_3由两根 保偏光纤分别在弹性板3-1的上下两面盘绕并胶粘固定；保偏光纤敏感线圈3-3的两个入 口端与保偏分束器2的两个出口端连接，保偏光纤敏感线圈3-3的两个出口端与相位调制 器4的两个入口端连接；保偏分束器2与相位调制器4用激光焊接固定在壳体3-4上，壳内 抽成真空。白光光源1发出的光信号经过分束器件进入重力敏感器件3的上下两个保偏光纤 敏感线圈3-3，由于重力的作用，使弹性板3-1发生形变，同时使粘附在弹性板3-1上的上下 两个保偏光纤敏感线圈3-3受到不同的应力，弹性板3-1上面的保偏光纤敏感线圈3-3受 到一个拉应力，弹性板3-1下面的保偏光纤敏感线圈3-3受到一个压应力，引起保偏光纤长 度及折射率发生变化，两路光信号产生了一个相位差，通过铌酸锂单偏振波导器件引入一 个相位调制信号，最后通过PIN管转换成电信号，并由锁相放大器进行读取并解调。白光光源1可采用谱宽为30nm的SLD光源，保偏分束器2采用同波段的保偏分束 器，相位调制器4可采用铌酸锂单偏振波导器件，光电探测器5可采用PIN管进行光电信号 转换。采用宽谱光源搭建重力仪，需要对两干涉臂的长度差进行极其严格的控制。SLD光 源的相干长度为20 μ m——50 μ m,因此需要对两干涉臂的长度差控制在这个范围以内。同时采取全保偏方案，传输光纤全部采用保偏光纤，保偏分束器2采用同波段的 保偏分束器，相位调制器4采用铌酸锂单偏振波导器件，器件之间的光纤连接都是保偏光 纤的0度对轴连接，用以控制传输光的偏振误差。
采用铌酸锂单偏振波导器件进行相位调制，相比较传统的压电陶瓷器件，不仅调 制频率的范围得到了大幅度地扩展，同时偏振态也得到了很好地控制。保偏光纤敏感线圈3-3的长度以及支撑体3-2的质量大小及弹性板3_1的厚度都 是影响重力仪精度的重要因素。采用内周边承受均布力的圆环板作为物理模型，在重力条 件下，由弹性板3-1的挠度可以推导出一定半径时弹性板3-1的环向形变，使用一定杨氏模 量的胶将保偏光纤固定于弹性板3-1上，通过一定的传导系统，对不同半径的弹性板3-1的 环向形变进行积分，就可以得到内周边承受均布力的圆环板上一定长度的保偏光纤的长度 变化。如果保偏光纤只在径向受力，那其折射率的变化约为长度变化的0. 21倍，且长度变 化对相位起相反的影响。由长度及相位的变化，可以推出重力仪的灵敏度公式。
Itc
Αω = 2χηχ ——χ 0.79χ Al Ψ λ其中，长度变化ΔΙ为
., fd, ζ dw、2πτ ,Al = (---)-dr
丨 r dr Ω其中，Δ ψ为相位差，η为折射率，λ为波长，ω为挠度，ζ为弹性板厚度的一半， Ω为保偏光纤直径，r为弹性板的半径，c和d分别为保偏光纤敏感线圈的内径和外径。以实验系统为例。弹性板3-1采用圆盘结构，使用1J-36合金材料，弹性板3-1厚 度为0. 5mm,弹性板3-1的内径IOmm外径40mm，单面纤长12. 5m,灵敏度可达29. 9rad/g。若 采用IOmm——IOOmm半径的圆环盘，盘纤长度可达100m，理论灵敏度可达451. 42rad/g，精 度可以达到10_9g量级。由图4可知，当保偏光纤长度达到100米时，精度已经达到了 10_9g 量级，即高精度的要求，同时也符合可操作小型化的要求，为理想的长度。 两个铌酸锂单偏振波导器件通过激光焊接固定在壳体3-4上，激光焊接能够连接 工业中比较难焊的合金材料，并且构件的变形�。油分柿扛撸叵中院茫纬筛咧柿康暮阜�。在真空工作室实现激光焊接，同时将壳体内抽成真空，可以进一步保证不受环境影响， 从而提高重力仪的精度。
权利要求
1.一种白光干涉型光纤重力仪，其特征在于包括白光光源(1)、保偏分束器O)、重力 敏感器件(3)、相位调制器(4)和光电探测器(5)；白光光源(1)通过保偏光纤与保偏分束 器O)的一个入口端连接，保偏分束器O)的两个出口端分别通过保偏光纤和重力敏感器 件(3)的两个入口端连接，重力敏感器件(3)的两个出口端分别通过保偏光纤和相位调制 器(4)的两个入口端连接，相位调制器(4)的出口端通过保偏光纤与光电探测器( 连接； 白光光源(1)、保偏分束器( 和重力敏感器件(3)的连接都是保偏光纤的0度对轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种白光干涉型光纤重力仪，其特征在于所述的重力敏感 器件C3)包括弹性板(3-1)、支撑体(3-2)、保偏光纤敏感线圈(3- 和壳体(3-4)；弹性板 (3-1)由支撑体(3-2)中心支撑，保偏光纤敏感线圈(3-3)由两根保偏光纤分别在弹性板 (3-1)的上下两面盘绕并胶粘固定；保偏光纤敏感线圈(3-3)的两个入口端与保偏分束器 (2)的两个出口端连接，保偏光纤敏感线圈(3- 的两个出口端与相位调制器(4)的两个入 口端连接；保偏分束器( 与相位调制器(4)用激光焊接固定在壳体(3-4)上，壳内抽成真 空。
全文摘要
本发明公开了一种白光干涉型光纤重力仪。包括白光光源、保偏分束器、重力敏感器件、相位调制器和光电探测器；白光光源通过保偏光纤与保偏分束器的一个入口端连接，保偏分束器的两个出口端分别通过保偏光纤和重力敏感器件的两个入口端连接，重力敏感器件的两个出口端分别通过保偏光纤和相位调制器的两个入口端连接，相位调制器的出口端通过保偏光纤与光电探测器连接；白光光源、保偏分束器和重力敏感器件的连接都是保偏光纤的0度对轴连接。本发明利用白光干涉技术，采用宽谱光源，减少了背向散射的影响，降低相干噪声，同时采用全保偏系统，极大地改善了偏振交叉耦合带来的偏振误差，大大提高了系统精度，精度可达10-9g。
文档编号G01V7/00GK102053283SQ20101053694
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者刘承, 王冬云, 舒晓武, 车双良, 马妍 申请人:浙江大学
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