光纤旋转地震仪的制作方法

1.本实用新型属于地震仪技术领域，具体涉及一种光纤旋转地震仪。


背景技术：

2.本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
3.地震波是由地球内部的地震源向四周通过地壳辐射的弹性波，对地震波的研究有助于了解到地球内部的真实情况，现代理论已经证明了地震波中旋转分量的存在，并指出其对于完整地构建出地震模型，了解地震的产生、传播甚至是预测都有至关重要的作用。
4.传统地震仪仅能测量线性运动，因此在过去的地震波的研究历史中的很长时间都局限于平移分量的测量，旋转地震学也因此发展缓慢。随着光纤陀螺的飞速发展，三分量光纤陀螺应运而生，作为一种新型的旋转角速度测量设备，在导弹、航空、航天、航海、地质测量和高层监测等领域均得到了重要的应用，但是目前国内尚未出现成熟的光纤旋转地震仪产品。
5.基于萨格纳克效应(sagnac effect)的光纤陀螺是一种测量物体惯性运动角速度的传感器，其特点是仅对旋转运动敏感，可以直接测量旋转运动，同时仪器内部没有运动部件，因此设备的稳定性较高，使用寿命较长，十分适合用于地震监测领域。地震仪使用所安放的环境通常处于野外，需要与大地接触，包括大量风沙、雨水的环境。光纤陀螺属于高精密传感器，为满足高精度要求，其结构设计需要精巧布局元器件，必须充分考虑防震、抗干扰、防水、易于维修、调试等功能。
6.但目前使用的，高精度三轴光纤陀螺仪普遍采用底板和壳体两大部分进行密封封装，各种光纤环、光学器件、光源都是直接安装到底板所设置的安装槽内，调试维修时，各部分拆卸比较困难，模块化设计欠缺，且在光源散热不佳的情况下，温度会直接影响到光纤环的性能。另外，光纤环的固定多是采用胶粘与机械压板辅助固定的方式，额外的胶粘剂对光纤环引入附加应力，会造成光纤环温度性能的改变等问题。另外，为了将个光学器件的光纤进行熔接，常会留下较长的尾纤，造成各光学器件的光纤熔接后仍然会有较多裸露的光纤不能得到很好的安放，在拆装调试维修的时候，易造成光纤的损坏。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是解决现有技术中光纤地震仪结构复杂导致拆装困难，空间利用度、稳定性和可靠性较差的问题，该目的是通过以下技术方案实现的：
8.本实用新型提出了一种光纤旋转地震仪，包括：
9.底座；
10.盖板；
11.外壳，所述外壳沿高度方向的两端分别与所述底座和所述盖板以可拆卸的方式连接；
12.接口板，所述接口板沿宽度方向的两端分别与所述外壳沿周向方向的两端以可拆
卸的方式连接，所述接口板的底端和顶端分别与所述底座和所述盖板以可拆卸的方式连接；
13.主体，所述底座、所述外壳、所述盖板以及所述接口板合围形成仓体，所述主体设于所述仓体内，所述主体包括三个相互垂直的安装面；
14.三个光纤陀螺模块，所述光纤陀螺模块用于基于萨格纳克效应感知旋转运动从而监测地震，三个所述光纤陀螺模块分别以可拆卸的方式安装在三个所述安装面上，并且三个光纤陀螺模块的轴线相互正交；
15.电路及散热模块，包括电路板和散热片，所述电路板与所述光纤陀螺模块电连接，所述散热片用于对所述电路板进行散热，所述散热片分别与所述电路板和所述外壳连接；
16.功能板及光源模块，包括功能电路板和光源单元，所述功能电路板用于为所述光纤陀螺模块提供基础电路及外接功能，所述光源单元用于为所述光纤陀螺模块提供光源，所述功能电路板及光源单元安装在所述接口板上。
17.本实用新型提出的光纤旋转地震仪，实现了三轴光纤陀螺地震仪的各功能模块化，包括光纤陀螺模块，电路及散热模块，功能板及光源模块，主体及外壳模块。底座、盖板及外壳构成地震仪的外部壳体，采用可拆卸式连接方便拆装，主体构成光纤陀螺模块的支撑骨架，同样可拆卸式方便拆装。光路模块将光路元器件包裹在的光纤盒中，通过不同方向的开孔，实现了光纤的有序缠绕安放，优化了仪器内部的空间。电路及散热模块，将电路板产生的热量，通过高导热系数的材料直接传到侧壁的金属外壳，减少了温度的变化对于光纤环的影响。功能板及光源模块，实现了仪器中间空间的合理运用，结构安排更加的紧凑，提高了光纤旋转地震仪的空间利用率，其中的光源所处的位置，距离三轴的光纤环较远，且紧贴与外壁，热量直接通过的接口板传递到侧壁的金属外壳，热量不易进行积累升温，减少了温度的变化对与光纤环的影响。实现了在大跨度恒温环境下，大范围的变温环境下，光纤旋转地震仪的稳定工作。主体及外壳模块，各连接处都有进行防水处理，实现了在大量风沙、雨水的环境下的稳定工作。
18.另外，根据本实用新型的光纤旋转地震仪，还可具有如下附加的技术特征：
19.在本实用新型的一些实施例中，所述盖板的顶面设有第一沉台和第二沉台，所述光纤旋转地震仪还包括gps装置、对接法兰、万向水平仪、金属片和护罩，所述金属片和所述对接法兰安装在所述沉台内，所述gps装置与所述金属片磁吸连接，所述盖板还设有防水槽，所述防水槽沿所述沉台的外周设置，所述护罩罩设在所述第一沉台上并且所述护罩的边缘卡接在防水槽内，所述万向水平仪安装在所述第二沉台中。
20.在本实用新型的一些实施例中，所述接口板包括接口板本体和支撑架，所述接口板本体沿宽度方向的两端分别与所述外壳沿周向方向的两端以可拆卸的方式连接，所述接口板本体的底端和顶端分别与所述底座和所述盖板以可拆卸的方式连接，所述支撑架包括第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，所述第一支撑板沿长度方向的一端与所述第二支撑板沿长度方向的一端垂直连接，所述第三支撑板的一端与所述第一支撑板沿宽度方向的一端垂直连接，所述第二支撑板与所述接口板本体的内侧壁连接并且平行设置，所述光源单元设于所述第二支撑板上，所述第三支撑板用于安装法兰。
21.在本实用新型的一些实施例中，所述光纤陀螺模块包括：
22.与所述主体连接的光纤骨架，包括外轮缘、内轮缘、轮毂和腹板，所述外轮缘的轴
向一端通过所述轮毂与所述内轮缘的轴向一端连接，所述腹板连接于所述轮毂的内壁面，所述外轮缘的外表面设有光纤槽；
23.与所述光纤骨架连接的光路盒，包括光路盒本体、光路盒盖、光学元器件和光学器件压板，所述光路盒本体的底端与所述光纤骨架连接，所述光路盒盖盖设于所述光路盒本体的顶端，所述光学元器件设于所述光路盒本体内并且与所述光路盒本体的底部连接，所述光学器件压板盖设于所述光学元器件上并且与所述光路盒本体连接。
24.在本实用新型的一些实施例中，所述光纤槽为弧形，所述光纤槽的一端与所述外轮缘的边缘相切，所述光纤槽的另一端与所述腹板的边缘相切，所述腹板的轴向一端与所述光路盒本体连接，所述腹板的轴向另一端与所述主体连接。
25.在本实用新型的一些实施例中，所述光路盒本体的底部设有多个安装槽，所述光学元器件安装在所述安装槽中，所述光路盒本体的侧壁上还设有多个第一光纤孔，所述第一光纤孔用于供光纤穿过，所述光路盒本体的侧壁上还设有多个凸台，所述光路盒盖与所述凸台螺接或者卡接。
26.在本实用新型的一些实施例中，所述光路盒盖上设有多个用于穿插光纤的第二光纤孔和用于穿插调制线的调制线孔，所述第二光纤孔为圆弧孔，所述调制线孔设于所述光路盒盖的边缘处，所述调制线孔为u型孔，所述光路盒盖上还设有用于固定铜柱的通孔，所述电路板和所述散热片通过所述通孔与所述光路盒盖螺接。
27.在本实用新型的一些实施例中，所述光学器件压板为对称结构，所述光学器件压板的底面上设有多个半圆形凹槽和多个矩形凹槽。
28.在本实用新型的一些实施例中，所述主体包括底板、两个立板、转角板和两个侧板，所述底板水平设置并且与所述底座的顶面连接，所述两个立板竖直设置，所述两个立板的夹角为直角，所述两个立板的底端与所述底板连接，所述转角板的水平方向的两端分别与两个所述立板的水平端部连接，两个所述侧板的水平端部分别与两个所述立板远离所述转角板的一端连接，所述侧板与所述立板之间的夹角为直角。
29.在本实用新型的一些实施例中，所述安装槽包括多个水平截面为圆弧形的槽和多个水平截面为工字型的槽。
附图说明
30.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
31.图1示意性地示出了根据本实用新型实施方式的光纤旋转地震仪的结构示意图；
32.图2示意性地示出了根据本实用新型实施方式的光纤旋转地震仪的光纤陀螺模块结构示意图；
33.图3示意性地示出了根据本实用新型实施方式的光纤旋转地震仪的第一局部结构示意图；
34.图4示意性地示出了根据本实用新型实施方式的光纤旋转地震仪的第二局部结构示意图；
35.附图中各标记表示如下：
36.1：底座、2：接口板、3：外壳、4：主体、5：盖板、6：第一沉台、7：第二沉台、8：航空头接口、9：轮毂、10：光纤骨架、11：腹板、12：光纤槽、13：外轮缘、14：内轮缘、15：光路盒本体、16：矩形凹槽、17：半圆形凹槽、19：光路盒体侧壁、20：第一光纤孔、21：凸台、22：盒盖、23：第二光纤孔、24：u型孔、25：支撑架、26：铜柱、27：电路板、28：光源、29：对接法兰、30：功能电路板、31：散热片、32：光路盒、33：光学元器件、34：光学器件压板、35：护罩、36：固定孔。
具体实施方式
37.下面将参照附图更详细描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
38.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及
“”
也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
39.尽管可以在文中使用术语、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
40.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在
……
下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
41.如图1至图4所示，本实用新型提出了一种光纤旋转地震仪，包括：
42.底座1；
43.盖板5；
44.外壳3，外壳3沿高度方向的两端分别与底座1和盖板5以可拆卸的方式连接；
45.接口板2，接口板2沿宽度方向的两端分别与外壳3沿周向方向的两端以可拆卸的方式连接，接口板2的底端和顶端分别与底座1和盖板5以可拆卸的方式连接；
46.主体4，底座1、外壳3、盖板5以及接口板2合围形成仓体，主体4设于仓体内，主体4
包括三个相互垂直的安装面；
47.三个光纤陀螺模块，光纤陀螺模块用于基于萨格纳克效应感知旋转运动从而监测地震，三个光纤陀螺模块分别以可拆卸的方式安装在三个安装面上，并且三个光纤陀螺模块的轴线相互正交；
48.电路及散热模块，包括电路板27和散热片31，电路板27与光纤陀螺模块电连接，散热片31用于对电路板27进行散热，散热片31分别与电路板27和外壳3连接；
49.功能板及光源模块，包括功能电路板30和光源单元28，功能电路板30用于为光纤陀螺模块提供基础电路及外接功能，光源单元28用于为光纤陀螺模块提供光源，功能电路板30及光源单元28安装在接口板2上。
50.需要说明的是，基于萨格纳克效应(sagnac effect)的光纤陀螺模块是一种测量物体惯性运动角速度的传感器，其特点是仅对旋转运动敏感，可以直接测量旋转运动，因此十分适合用于地震监测领域。具体来说，在闭合光路中由同一光源发出的两束特征相同的光分别沿顺时针方向和逆时针方向传输时，如果该光路存在转动，两束光则会产生与该转动角速度相关的相位差，通过检测所述两束光的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出该闭合光路的转动角速度，完成实时、准确、稳定测量旋转地震学中3个旋转运动的指标，在强地面运动地震学、地震工程学及地震仪器的发展中具有重要的指导意义。
51.可以理解的是，主体4，底座1、外壳3、盖板5以及接口板2之间的可拆卸连接可以是通过螺栓连接，也可以是卡扣连接。仓体优选为正方体型，实现三轴光纤陀螺的布局紧凑。主体4，底座1、外壳3、盖板5以及接口板2根据实际结构强度和散热需求选用金属或塑料。电路板27承载光纤陀螺地震仪的主要电路功能，例如对光纤光信号的接收分析以及输出检测信号等，散热片31采用金属材质并且将电路板27与外壳3连接，将电路板27产生的热量传递至外壳3进行散热。功能电路板30主要承载地震仪的辅助电路功能，例如实现外界设备接口、存储卡插孔等，光源单元28用于提供光源，可选择公知的光纤陀螺仪适应光源。
52.本实用新型提出的光纤旋转地震仪，实现了三轴光纤陀螺地震仪的各功能模块化，包括光纤陀螺模块，电路及散热模块，功能板及光源模块，主体4及外壳3模块。底座1、盖板5及外壳3构成地震仪的外部壳体，采用可拆卸式连接方便拆装，主体4构成光纤陀螺模块的支撑骨架，同样可拆卸式方便拆装。光路模块将光路元器件包裹在的光纤盒中，通过不同方向的开孔，实现了光纤的有序缠绕安放，优化了仪器内部的空间。电路及散热模块，将电路板27产生的热量，通过高导热系数的材料直接传到到侧壁的金属外壳3，减少了温度的变化对与光纤环的影响。功能板及光源模块，实现了仪器中间空间的合理运用，结构安排更加的紧凑，提高了光纤旋转地震仪的空间利用率，其中的光源所处的位置，距离三轴的光纤环较远，且紧贴与外壁，热量直接通过的接口板2传递到侧壁的金属外壳3，热量不易进行积累升温，减少了温度的变化对与光纤环的影响。实现了在大跨度恒温环境下，大范围的变温环境下，光纤旋转地震仪的稳定工作。主体4及外壳3模块，各连接处都有进行防水处理，实现了在大量风沙、雨水的环境下的稳定工作。
53.在本实用新型的一些实施例中，盖板5的顶面设有第一沉台6和第二沉台7，光纤旋转地震仪还包括gps装置、对接法兰29、万向水平仪、金属片和护罩35，金属片和对接法兰29安装在沉台内，gps装置与金属片磁吸连接，盖板5还设有防水槽，防水槽沿沉台的外周设置，护罩35罩设在第一沉台6上并且护罩35的边缘卡接在防水槽内，万向水平仪安装在第二
沉台7中。
54.具体地防水槽中设置防水材料，例如防水胶，实现防水密封。对接法兰29的一端用于安装天线，另一端可供天线的线束穿出与电路板27或者gps连接，使得线束保护在盖板5的内部。沉台的形状可以是方形或者圆形，优选为方形，放置护罩35稳定性更好。
55.在本实用新型的一些实施例中，接口板2包括接口板本体和支撑架25，接口板本体沿宽度方向的两端分别与外壳3沿周向方向的两端以可拆卸的方式连接，接口板本体的底端和顶端分别与底座1和盖板5以可拆卸的方式连接，支撑架25包括第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，第一支撑板沿长度方向的一端与第二支撑板沿长度方向的一端垂直连接，第三支撑板的一端与第一支撑板沿宽度方向的一端垂直连接，第二支撑板与接口板本体的内侧壁连接并且平行设置，光源单元28设于第二支撑板上，第三支撑板用于安装法兰。接口板2上还设有航空头接口8。
56.需要说明的是，接口板本体、第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板优选为矩形板，方便加工装配，第二支撑板可通过螺栓与接口板本体连接，或者通过卡接连接。光源单元28可通过螺栓固定在第二支撑板上，光源单元28工作时产生的热量通过接口板2传递至外部，减少热量在箱体内部累计，降低对光纤的影响。第三支撑板上的法兰可用于线束连接或固定。
57.在本实用新型的一些实施例中，光纤陀螺模块包括：
58.与主体4连接的光纤骨架10，包括外轮缘13、内轮缘14、轮毂9和腹板11，外轮缘13的轴向一端通过轮毂9与内轮缘14的轴向一端连接，腹板11连接于轮毂9的内壁面，外轮缘13的外表面设有光纤槽12；
59.与光纤骨架10连接的光路盒32，包括光路盒本体15、光路盒盖22、光学元器件33和光学器件压板34，光路盒本体15的底端与光纤骨架10连接，光路盒盖22盖设于光路盒本体15的顶端，光学元器件33设于光路盒本体15内并且与光路盒本体15的底部连接，光学器件压板34盖设于光学元器件33上并且与光路盒本体15连接，光路盒本体15的底部设有多个固定孔36，可通过螺栓穿过固定孔36与光纤骨架10连接。
60.可以理解的是，光纤骨架10为旋装结构，光纤缠绕在轮毂9上，凸出于轮毂9的外轮缘13和内轮缘14能够起到保护光纤的作用，内、外轮缘13的厚度优选为2～7mm，光纤通过光纤槽12引出与光路盒32连接。光路盒32可以是立方体型或者圆柱型，光学元器件33用于对光纤进行光学采集和分析。光学器件压板34可通过螺栓或者卡扣与光路盒本体15的底部连接固定。光纤器件压板与光学元器件33连接的一面还可以设置与光学元器件33的外形相适配的凹槽，加强固定。腹板11上设置有与光路盒32对应的安装孔，安装孔数量优选为3～6个，大小优选为m2～m3；腹板11上设置有与主体4对应的安装孔，安装孔的数量优选为3～6个，大小优选为2.5～6mm。
61.在本实用新型的一些实施例中，光纤槽12为弧形，光纤槽12的宽度优选为1～3mm，深度优选为1～3mm，光纤槽12的一端与外轮缘13的边缘相切，光纤槽12的另一端与腹板11的边缘相切，腹板11的轴向一端与光路盒本体15连接，腹板11的轴向另一端与主体4连接。通过设置光纤槽12方便光纤引出与光路盒32连接。
62.在本实用新型的一些实施例中，光路盒本体15的底部设有多个安装槽，光学元器件33安装在安装槽中，光路盒本体15的侧壁上还设有多个第一光纤孔20，第一光纤孔20用
于供光纤穿过，光路盒本体15的侧壁上还设有多个凸台21，光路盒盖22与凸台21螺接或者卡接。凸台21的上端面与光路盒32的上端面齐平，凸台21的高度到光路盒32的内底的距离优选为4～10mm。
63.在本实用新型的一些实施例中，光路盒盖22上设有多个用于穿插光纤的第二光纤孔23和用于穿插调制线的调制线孔，第二光纤孔23为圆弧孔，调制线孔设于光路盒盖22的边缘处，调制线孔为u型孔24，光路盒盖22上还设有用于固定铜柱26的通孔，电路板27和散热片31通过通孔与光路盒盖22螺接。第二光纤孔23优选为10～20mm，宽度1～3mm，角度5～30
°
的半圆弧；调制线孔优选为宽度1～3mm，长度3～5mm的u型孔24。通过设置第二光纤孔23和调制线孔方便穿线。
64.具体地，光学器件压板34为对称结构，光学器件压板34的底面上设有多个半圆形凹槽17和多个矩形凹槽16，用于加强固定。半圆形凹槽17的半径优选为2～5mm，矩形凹槽16的宽度优选为5～10mm。
65.在本实用新型的一些实施例中，主体4包括底板、两个立板、转角板和两个侧板，底板水平设置并且与底座1的顶面连接，两个立板竖直设置，两个立板的夹角为直角，两个立板的底端与底板连接，转角板的水平方向的两端分别与两个立板的水平端部连接，两个侧板的水平端部分别与两个立板远离转角板的一端连接，侧板与立板之间的夹角为直角。
66.在本实用新型的一些实施例中，安装槽包括多个水平截面为圆弧形的槽和多个水平截面为工字型的槽，与光学元器件的外形相适配，装配后的可靠性更好。
67.以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。