CN101118176A - 无源光纤光栅水声信号传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无源光纤光栅水声信号传感器及其制作方法。它由一聚合物封装体内部设有中心对称分布的两个空腔体，该空腔体两端密封，一根光纤光栅穿过并且固定于聚合物封装体的轴线位置上而成。上述聚合物封装体为柱状体，空腔体的横截面可为圆形、椭圆形、方形或D形。制作方法是，首先根据聚合物封装体的结构制作模具，再将光纤光栅固定于模具中，又将聚和物加热至熔融状态并缓慢倒入其中，最后将光纤光栅聚合物封装体放入温箱中进行固化和老化而成。本发明的特点是声压灵敏度高，比直接采用光纤光栅制作的水声传感器高3～4数量级，充分体现出具有质量轻、结构小、灵敏度高等特点，因此在水声探测领域具有重要的应用前景。

Description

无源光纤光栅水声信号传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种无源光纤光栅水声信号传感器及其制作方法.

背景技术

目前各种水声换能器或水声信号传感器等在海洋声学环境探测、目标声学特性检测、海底声学特性研究等方面具有非常重要的应用价值。但是由于目前的水声传感器存在体积大、灵敏度低、作用距离近等不足，已经不能满足相关领域进一步发展的需求。

新近用光纤光栅制作的水声传感器具有质量轻、结构小等优点，可实现潜在的微型化探头结构，具有非常好的抗加速度性能指标和抗流噪声能力，在构建拖曳声纳阵方面具有非常重要的应用价值。然而由于光纤光栅自身的压力灵敏度较低，使得直接采用光纤光栅做成的水声传感器灵敏度较低，难以用来探测水声信号，因此研究一种新型的高灵敏度光纤光栅水声传感器是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无源光纤光栅水声信号传感器及其制作方法，关键解决光纤光栅自身的压力灵敏度较低，以克服已有技术的不足。

本发明主要利用聚合物封装体内的空腔体结构效应对外界水声信号进行增敏放大，以大大提高光纤光栅对水声信号的传感灵敏度。其基本原理是，当存在外界声压信号时，空腔体的存在将会导致聚合物封装体内部产生非轴对称性应力施加在光纤光栅上，该应力的数值将远大于外界声压信号，从而实现应力放大。在弹光效应作用下，施加在光纤光栅上的应力将会引起光纤光栅有效折射率和轴向应变的变化，从而导致光纤光栅的中心波长发生移位。由此可见，该种光纤光栅水声信号传感器将外界声压信号转化为光纤光栅中心波长的移位，从而实现对声压信号的测量。

本发明采用的解决方案，它由一聚合物封装体内部设有的中心对称分布的两个空腔体，该空腔体两端密封，一根光纤光栅穿过并且固定于聚合物封装体的轴线上而成。这是本发明的最基本结构。

进一步将光纤光栅的尾纤穿过基座的中心通孔而把上述聚合物封装体固定在基座上，在基座周边设有四个螺孔，以用于水声传感测量时与其他接连结构进行连接。

所述的聚合物封装体的外形可为圆柱体、椭圆柱、方柱等。

所述的聚合物封装体内的空腔体的横截面可为圆形、椭圆形、方形或D形；所述两空腔体关于聚合物封装体的轴线中心对称分布。

本发明具体制作方法如下：

首先根据需要的聚合物封装体的结构，用金属铝等制作一个作为模具的筒状体；

又在筒状体两端设有中心留有通孔(以备用于穿过光纤光栅的尾纤)的活动底板，且活动底板上设有两根中心对称分布的与两个空腔体尺寸相应的柱状体；

将光纤光栅穿过活动底板的中心通孔，两端施加张力使光纤光栅拉直并固定于筒状体模具的中心；

再将聚和物与相应的固化剂按比例配胶并加热到熔融状态，在加热过程中搅拌均匀排除气泡；

封装时将熔融状态的聚合物缓慢倒入上述模具中，至聚和物完全充满筒状体模具，然后将模具放入温箱中进行80-100度的高温固化，一般固化时间为4-5小时；

固化结束后取出并开模，以便放入温箱进行60-70度的低温老化，老化时间在10小时以上，即得到了本发明的光纤光栅水声信号传感器。

本发明的特点是具有较高的声压灵敏度，比直接采用光纤光栅制作的水声传感器高3～4数量级。本发明基于对光纤光栅声压传感灵敏度的提高，而大大扩展了光纤光栅的应用领域或范围，还有效保护了光纤光栅。另外，本发明还充分体现出具有质量轻、结构小、抗干扰能力强等特点，可用于制作微型化探头，因此在水声探测领域具有重要的应用前景。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的基本结构示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为图1的B-B剖面图。

其中1.基座，2.聚合物封装，3.空腔体，4.尾纤，5.光纤光栅，6.螺孔。

具体实施方式

如图1，图2和图3，本发明的最简单结构，它由一聚合物封装体2内部设有的中心对称分布的两个空腔体3，该空腔体3两端密封，一根光纤光栅5穿过并且固定于该聚合物封装体2的轴线上而成。

基座1是平板或者圆盘形，聚合物封装体2嵌入其中，两者采用高强度胶粘剂进行连接。

所述光纤光栅两端存在尾纤，一端尾纤从基座中心的细通孔穿出，并用于连接光学系统；另一端自由，或可用作多个所述光纤光栅水听器的阵列复用通道，进而将其光纤光栅5的尾纤4依次串联或并联而组成列阵。

进一步将光纤光栅5一端的尾纤4穿过基座1的中心通孔而把上述聚合物封装体2固定在基座1上，并在基座1周边设有四个螺孔6，以用于水声传感测量时与其他接连结构进行连接。

所述的封装于聚合物封装体2的中心轴上的光纤光栅5为光纤布拉格光栅。

所述的聚合物封装体2的制作材料可选用聚氨酯材料或者聚酰胺材料。

为了保证较高的声压传感灵敏度，要求两空腔体3的每个横截面的直径尺寸不小于聚合物封装体2横截面直径尺寸的三分之一。在保证聚合物封装体2制作要求的前提下，尽量缩短空腔体3中心轴线与聚合物封装体2中心轴线之间的距离。同时为保证本发明的水密性和应力强度，空腔体3周围的封装体要保证一定的厚度，以适合需要的强度。

如图1所示，本实施例中聚合物封装体2为Φ20.0×50.0mm外形的圆柱体，其制作材料为聚氨酯。空腔体3的横截面是直径为Φ7.0mm的圆形，其中心轴线与聚合物封装体2中心轴线之间的距离为4.5mm，空腔体3两端的聚合物封装体厚度为3.0mm。

无源光纤光栅水声信号传感器的制作方法如下：

首先根据需要的柱状体(如圆柱体)的封装体结构，用金属铝等加工一个圆柱形的筒状体作为模具，该外壳的内径为φ20.0mm，长度为52.0mm；

筒状体两端设有中心留φ1.0mm细通孔的活动底板，该活动底板可通过螺孔固定在筒状体两端上；为形成边空腔结构，在两端的活动底板上设有两根φ7.0mm的圆柱体；

通常在正式封装前，先将模具加热，并在筒状体模具的内壁涂上脱模剂，以便于封装完成后的脱模顺利；

将光纤光栅穿过活动底板的中心通孔，两端施加张力使光纤光栅拉直并固定于筒状体模具的中心；

再将聚和物与相应的固化剂按比例配胶并加热到熔融状态，在加热过程中搅拌均匀排除气泡，还可进一步采用真空泵吸除气泡；

封装时将熔融状态的聚合物缓慢倒入上述模具中，至聚和物完全充满筒状体模具，浇注过程要缓慢，防止气泡的生成；

然后将模具放入温箱中进行80-100度的高温固化，一般固化时间为4-5小时；

固化结束后取出并开模，以便放入温箱进行60-70度的低温老化，老化时间在10小时以上，最后得到了本发明的光纤光栅水声信号传感器。

由此构筑的本发明在500Hz频率处的声压灵敏度达-162dB(0dB＝1pm/uPa)，最小可测声压为70dB $(0\mathrm{dB}=1\mathrm{uPa}/\sqrt{\mathrm{Hz}}).$

当本发明用于水声信号测量时，基座1周边有的四个螺孔6连接传感系统的其他固定装置，尾纤4前端穿过基座1的细通孔与其他光学系统相连接。此时通过尾纤4所连接的光学系统可检测光纤光栅5中心波长的移位量，从而可实现测量小的声压信号。

虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。

Claims (7)

1.一种无源光纤光栅水声信号传感器，它由一聚合物封装体(2)内部设有的中心对称分布的两个空腔体(3)，该空腔体(3)两端密封，一根光纤光栅(5)穿过并且固定于该聚合物封装体(2)的轴线位置上而成。

2.如权利要求1所述的无源光纤光栅水声信号传感器，其特征在于所述的光纤光栅(5)一端的尾纤(4)穿过基座(1)的中心通孔而把聚合物封装体(2)固定在基座(1)上，并在基座(1)周边设有四个螺孔(6)。

3.如权利要求1或2所述的无源光纤光栅水声信号传感器，其特征在于所述的聚合物封装体(2)的形状为柱状体。

4.如权利要求1或3所述的无源光纤光栅水声信号传感器，其特征在于所述的聚合物封装体(2)的柱状体是圆柱体、椭圆柱体或方柱体。

5.如权利要求1或2所述的无源光纤光栅水声信号传感器，其特征在于所述的聚合物封装体(2)内的空腔体(3)的横截面是圆形、椭圆形、方形或D形。

6.如权利要求1所述的无源光纤光栅水声信号传感器，其特征在于所述光纤光栅(5)为光纤布拉格光栅。

7.无源光纤光栅水声信号传感器的制作方法，其特征在于

首先根据需要的聚合物封装体(2)的结构，用金属铝等制作一个作为模具的筒状体；

又在筒状体两端设有中心留有通孔的活动底板，活动底板上设有两根中心对称分布的与两个空腔体(3)尺寸相应的柱状体；

将光纤光栅穿过活动底板的中心通孔，两端施加张力使光纤光栅拉直并固定于筒状体模具的中心；

再将聚和物与相应的固化剂按比例配胶并加热到熔融状态，在加热过程中搅拌均匀排除气泡；

封装时将熔融状态的聚合物缓慢倒入上述模具中，至聚和物完全充满筒状体模具，然后将模具放入温箱中进行80-100度的高温固化，一般固化时间为4-5小时；

固化结束后取出并开模，以便放入温箱进行60-70度的低温老化，老化时间在10小时以上，即得到了本发明的光纤光栅水声信号传感器。

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