CN100587415C - 一种活塞式光纤光栅水听器 - Google Patents

一种活塞式光纤光栅水听器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤传感器技术领域，公开了一种活塞式光纤光栅水听器，该光纤光栅水听器包括：作为水听器主体的支撑筒；套装在支撑筒表面的保护套筒，用于保护支撑筒及支撑筒内部的结构；对称安装在所述支撑筒内部的第一活塞和第二活塞，用于感受压强并在压强作用下沿活塞的法向方向产生位移；安装于所述支撑筒内部并贯穿所述第一活塞和第二活塞的光纤光栅，用于测量水声压。利用本发明，提高了光纤光栅水听器的高灵敏度，并使水听器可以在不同的静压环境下工作。

Description

一种活塞式光纤光栅水听器
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种新型的活塞式光纤光栅水听器。
背景技术
光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。
光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，探测液体中压力、声音等信号的仪器。它与传统的压电类传感器相比，有以下主要优势：频带宽、声压灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。
鉴于光纤水听器的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。在常见的强度调制型、数字式、光纤光栅式光纤水听器中，光纤光栅式水听器是目前的主要研究方向。
郑承栋等人报道了一种光纤光栅水听器，是采用在将光纤光栅封装在一端开口的金属筒中的方法。金属筒中有灌封的聚合物材料，并且只承受金属筒开口方向的压力。当有声压作用时，聚合物收缩，带动光纤光栅产生应变，从而检测压强。这样制作的光纤压强传感器由于光纤光栅受压，容易使光纤光栅产生啁啾和弯曲，不但限制了水听器的灵敏度，同时也影响信号的检测。同时该光纤光栅水听器只靠聚合物本身抵抗静压，能够承受的静压有限，不适于在较深的环境工作。
因此，如何提高水听器的压力测量灵敏度并且使水听器可工作在不同的深度，是光纤光栅水听器大规模应用必需解决的重要技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种活塞式光纤光栅水听器，以提高光纤光栅水听器的高灵敏度，并使水听器可在不同的静压环境下工作。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种活塞式光纤光栅水听器，该光纤光栅水听器包括：
作为水听器主体的支撑筒10；
套装在支撑筒10表面的保护套筒20，用于保护支撑筒10及支撑筒10内部的结构；
对称安装在所述支撑筒10内部的第一活塞和第二活塞40，用于感受压强并在压强作用下沿活塞的法向方向产生位移；
安装于所述支撑筒10内部并贯穿所述第一活塞和第二活塞的光纤光栅30，用于测量水声压。
该光纤光栅水听器在支撑筒10侧壁沿轴向在中部进一步包括有梳状轴对称分布的孔12，用于使得外界声压进入水听器支撑筒的中间腔13，并作用在第一活塞和第二活塞40上。
上述方案中，所述支撑筒10为一轴向对称结构，支撑筒10两端部中央分别开有孔11，用于引出光纤光栅30的尾纤并用于填充密封材料。
上述方案中，所述第一活塞和第二活塞40由橡胶、塑料、金属、或复合材料制成，在其相对的一面的中央进一步安装有硬中心41，用于提高活塞的等效刚度，增大由水压引起的在光纤光栅30中的应变。
上述方案中，所述光纤光栅30穿过第一活塞、第二活塞40和硬中心41的中央并与第一活塞、第二活塞40通过粘接的方式固定，光纤光栅30中具有一定的初始拉应力。
上述方案中，所述硬中心41的刚度远大于活塞40的刚度。
上述方案中，所述支撑筒10中第一活塞和第二活塞之间的部分为中间腔13，中间腔13中充满液体，用于传递声压。
上述方案中，所述支撑筒10的中间腔13通过保护套筒20成为一密闭腔，该密闭腔中充满的液体为水或油。
上述方案中，所述支撑筒10中第一活塞或第二活塞与支撑筒10两端之间的部分为侧腔，侧腔为密闭腔，其中为常压下的气体，或抽成真空或半真空，用于为第一活塞或第二活塞的移动提供空间，增加水听器的灵敏度。
上述方案中，所述保护套筒20为透声材料制造，具有一定的刚度，用于抵抗一定的静水压力，使得光纤光栅水听器工作在水底深处。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种活塞式光纤光栅水听器，通过活塞将水作用于活塞上的轴向压强转变为光纤光栅的轴向应力，此轴向应力远大于水声压直接作用于光纤光栅上时所产生的轴向应力，提高了光纤光栅水听器的高灵敏度。
2、本发明提供的这种活塞式光纤光栅水听器，通过管式聚合物弹性体封装的方法，使光纤光栅水听器的体积很大程度上减小。在本技术方案中，支撑筒的外径可以小于10mm。
3、本发明提供的这种活塞式光纤光栅水听器，由于采用的保护套筒可以承受较大的静压，用于平衡静水压力，所以可以使水听器可在较深的环境工作。
附图说明
图1为本发明提供的活塞式光纤光栅水听器的结构剖面图。
图2为本发明提供的活塞式光纤光栅水听器的中部侧剖图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1和图2所示，图1为本发明提供的活塞式光纤光栅水听器的结构剖面图，图2为本发明提供的活塞式光纤光栅水听器的中部侧剖图。
该光纤光栅水听器包括：作为水听器主体的支撑筒10；套装在支撑筒10表面的保护套筒20，用于保护支撑筒10及支撑筒10内部的结构；对称安装在所述支撑筒10内部的第一活塞和第二活塞40，用于感受压强并在压强作用下沿活塞的法向方向产生位移；安装于所述支撑筒10内部并贯穿所述第一活塞和第二活塞的光纤光栅30，用于测量水声压。
该光纤光栅水听器在支撑筒10侧壁沿轴向在中部进一步包括有梳状轴对称分布的孔12，用于使得外界声压进入水听器支撑筒的中间腔13，并作用在第一活塞和第二活塞40上。
支撑筒10为一轴向对称结构，支撑筒10两端部中央分别开有孔11，用于引出光纤光栅30的尾纤并可用于填充密封材料。
第一活塞和第二活塞40由橡胶、塑料、金属、或其它复合材料制成，在其中央相对的一面的中央进一步安装有硬中心41，用于提高活塞的等效刚度，增大由水压引起的在光纤光栅30中的应变。硬中心41的刚度应远大于活塞40的刚度，这样才可以提高活塞的等效刚度。
光纤光栅30穿过第一活塞、第二活塞(40)和硬中心(41)的中央并与第一活塞、第二活塞40通过粘接的方式固定，光纤光栅30中一般具有一定的初始拉应力，该初始拉应力可以使光纤光栅30保持张紧状态。
支撑筒10中第一活塞和第二活塞之间的部分为中间腔13，中间腔13中充满液体，用于传递声压。
支撑筒10的中间腔13通过保护套筒20成为一密闭腔，该密闭腔中充满的液体为水、油等。
支撑筒10中第一活塞或第二活塞与支撑筒10两端之间的部分为侧腔，侧腔为密闭腔，其中为常压下的气体，亦可以抽成真空或半真空状态，用于为第一活塞或第二活塞的移动提供空间，增加水听器的灵敏度。
保护套筒20为透声材料制造，具有一定的刚度，用于抵抗一定的静水压力，使得光纤光栅水听器工作在水底深处。
本发明提供的这种活塞式光纤光栅水听器的工作原理如下：当该光纤光栅水听器置于水(或其他液体)中时，水中的声场可以透过保护套筒20耦合到水听器支撑筒10的中间腔13中，并通过中间腔13中的液体作用在活塞40和硬中心41的端面上，从而压动活塞40和硬中心41向支撑筒10的两端方向产生位移。硬中心41的刚度大于活塞40的刚度，故可以克服由于光纤光栅30的压力造成的活塞40的变形，从而增加了活塞40的等效刚度。由于活塞40和光纤光栅30粘接固定，从而带动光纤光栅产生应变。对于光纤光栅，其反射波长的变化量与所受应变成正比，故通过检测波长的变化量可以得到外界压强的大小。
另外，可以通过调节支撑筒10的外径，活塞40和硬中心41的半径等参数等来调节光纤光栅水听器的灵敏度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种活塞式光纤光栅水听器，其特征在于，该光纤光栅水听器包括：
作为水听器主体的支撑筒(10)；
套装在支撑筒(10)表面的保护套筒(20)，用于保护支撑筒(10)及支撑筒(10)内部的结构；
对称安装在所述支撑筒(10)内部的第一活塞和第二活塞(40)，用于感受压强并在压强作用下沿活塞的法向方向产生位移；
安装于所述支撑筒(10)内部并贯穿所述第一活塞和第二活塞的光纤光栅(30)，用于测量水声压；
该光纤光栅水听器在支撑筒(10)侧壁沿轴向在中部进一步包括有梳状轴对称分布的孔(12)，用于使得外界声压进入水听器支撑筒的中间腔(13)，并作用在第一活塞和第二活塞(40)上，该中间腔(13)是支撑筒(10)中第一活塞和第二活塞之间的部分；
该支撑筒(10)的中间腔(13)通过保护套筒(20)成为一密闭腔，该中间腔(13)中充满液体，用于传递声压；
该支撑筒(10)的一端与第一活塞之间的部分以及支撑筒(10)的另一端与第二活塞之间的部分，分别在支撑筒的两端形成侧腔，侧腔为密闭腔，其中为常压下的气体，或抽成真空或半真空，用于为第一活塞或第二活塞的移动提供空间，增加水听器的灵敏度。
2、根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器，其特征在于，所述支撑筒(10)为一轴向对称结构，支撑筒(10)两端部中央分别开有孔(11)，用于引出光纤光栅(30)的尾纤并用于填充密封材料。
3、根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器，其特征在于，所述第一活塞和第二活塞(40)由橡胶、塑料、金属、或复合材料制成，在其相对的表面的中央均安装有硬中心(41)，用于提高活塞的等效刚度，增大由水压引起的在光纤光栅(30)中的应变。
4、根据权利要求3所述的活塞式光纤光栅水听器，其特征在于，所述光纤光栅(30)穿过第一活塞、第二活塞(40)和硬中心(41)的中央并与第一活塞、第二活塞(40)通过粘接的方式固定，光纤光栅(30)中具有一定的初始拉应力。
5、根据权利要求3和4中任一项所述的活塞式光纤光栅水听器，其特征在于，所述硬中心(41)的刚度远大于活塞(40)的刚度。
6、根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器，其特征在于，所述支撑筒(10)的中间腔(13)通过保护套筒(20)形成的密闭腔中充满的液体为水或油。
7、根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器，其特征在于，所述保护套筒(20)为透声材料制造，具有一定的刚度，用于抵抗一定的静水压力，使得光纤光栅水听器工作在水底深处。
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