CN102353441A - 小型自适应光纤超声传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型自适应光纤超声传感器。本发明包括粗石英管、细石英管、镀膜光纤、铝薄膜、安全气囊和边孔光纤；所述镀膜光纤顶端粘合于细石英管内，细石英管顶端粘合于粗石英管内，粗石英管端面粘合铝薄膜，镀膜光纤顶端与铝薄膜之间存在间隙，气囊安装于细石英管尾端与粗石英管尾端的外周面，边孔光纤固定于粗石英管与细石英管之间。本发明提高了基于薄膜的非本征珐布里-珀罗传感器的耐受静压的能力，同时也自动消除了由温度等环境因素变化引入的传感器工作点的漂移。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体地说，是一种基于薄膜结构的非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器，是一种能自动消除静压强影响、能自动稳定工作点的、可用于水下超声波探测的光纤超声传感器。
背景技术
光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能优良、抗电磁干扰、耐腐蚀等诸多优点，光纤声波及超声波传感器其主要应用是光纤水听器，就其实现技术而言，最成功的光纤超声传感器是基于干涉技术的。基于干涉技术的光纤水听器其灵敏度比传统的压电式传感器高三个数量级，具有无可比拟的优势。其基本原理是将传感光纤作为传感器探头置于待测体中，当受到声波扰动时，传感光纤受声压作用导致光纤长度、直径或折射率发生变化而产生光波相位变化，测量传感光纤中光波相位的变化即可知相应的声压。因此这种传感器属于相位调制型，其中一束光受到声压的作用后相位发生变化，使两光束的相位差改变，从而导致两束光相干后的输出光强受到声波调制。
在干涉型传感器中，非本征珐布里-珀罗干涉型光纤传感器具有结构简单灵巧、体积小、成本低的优点。它相对于Michelson、Mach-Zehnder、Sagnac等其它形式的干涉仪传感器还有如下优点：①光纤用料少，去光和回光在同一根光纤中传输。②由于光程差很短，一般在10-4m左右，所以不需要光源有很窄的线宽，降低对光源的要求，同时也减小了干涉相位噪声和偏振衰落的发生。③不需要对光纤本身进行增敏或去敏的处理。
基于薄膜结构的非本征珐布里-珀罗干涉仪型传感器是靠弹性薄膜来感受声信号的，该类型的传感器用于水下测量时，有一个突出的问题就是不能耐受很高的静压强。当传感器工作于较深的水中时，强大的静压强会使薄膜的形变超出其弹性范围，甚至损坏；另外一个需要解决的问题是传感器工作点的偏移问题，当采用强度解调方式时，传感器测量系统具有信号处理简单、速度快的优点，然而当传感器周围的静态压力变化或温度发生变化时，会导致非本征珐布里-珀罗干涉腔内外的压强差变化，从而引起传感器偏离正交工作状态，造成输出信号不稳定，甚至消隐。因此需要采取一定的方法来克服外界静压力的不良影响和稳定传感器的工作点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种可以自动平衡静态压强的小型自适应光纤超声传感器。
本发明小型自适应光纤超声传感器，具体的技术方案是：包括粗石英管、细石英管、镀膜光纤、铝薄膜、安全气囊和边孔光纤；所述镀膜光纤顶端粘合于细石英管内，细石英管顶端粘合于粗石英管内，粗石英管端面粘合铝薄膜，镀膜光纤顶端与铝薄膜之间存在间隙，气囊安装于细石英管尾端与粗石英管尾端的外周面，边孔光纤固定于粗石英管与细石英管之间。
本发明的有益效果：提高了基于薄膜的非本征珐布里-珀罗传感器的耐受静压的能力，同时也自动消除了由温度等环境因素变化引入的传感器工作点的漂移。
本发明之光纤传感器可以在高静压下工作，即可以进行深水超声探测，为薄膜式非本征珐布里-珀罗光纤超声传感器的应用开创了新的领域。本发明之光纤传感器具有自动稳定工作点的功能，为采用密集波分复用技术实现阵列测量打下了基础。
附图说明
图1为小型自适应光纤超声传感器的纵向剖面图；
图2为小型自适应光纤超声传感器的横向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作具体说明：
如图1所示，本发明包括镀膜光纤1、细石英管2、边孔光纤3、粗石英管4、铝薄膜5和安全气囊6；光纤1的外径为125μm，细石英管2的内径126μm、外径1.8mm，粗石英管4的内径是2mm，铝薄膜5的有效直径也就为2mm；所述镀膜光纤顶端粘合于细石英管内，细石英管顶端粘合于粗石英管内，粗石英管端面粘合铝薄膜，镀膜光纤顶端与铝薄膜之间存在间隙，气囊安装于细石英管尾端与粗石英管尾端的外周面，边孔光纤固定于粗石英管与细石英管之间。
粗、细石英管之间、镀膜光纤1与细石英管2之间、粗石英管4顶端与铝薄膜5之间可以用胶(如353胶)粘接在一起，镀膜光纤1顶端和铝薄膜5之间存在间隙，其间隙距离在几十到几百微米之间，中间空间构成干涉腔(空气腔)8，这样光纤端面和铝薄膜就构成了珐布里-珀罗干涉仪的两个反射面，两束反射光在镀膜光纤1中形成干涉。当传感头位于声场中时，铝薄膜5因受声压扰动而产生振动，相当于珐布里-珀罗干涉腔的腔长受到外界信号的调制，解调出腔长的变化规律，就可得到被测信号。其中振动薄膜的材质、半径和厚度等参量可根据被测量的特性以及测试环境的特点加以优化设计，其设计原理可参照材料的弹性力学及圆形弹性薄板理论。
为了提高传感器的灵敏度，选取的铝薄膜5的厚度要很小，本传感器铝薄膜5的厚度仅为10μm，所述的珐布里-珀罗干涉腔是一空气腔，只靠一层铝薄膜承受外部压强，导致其耐受高静压的能力不足。如果将传感器用于水下声探测，水中静态压强相对于所测的声压是非常大的，会使铝薄膜5损坏。为此，本发明设置安全气囊结构6。当传感器处于液体中时，周围压强均匀分布，外界压强会通过软质材料的气囊6传递到干涉腔8内，使铝薄膜5两面受到的压强趋于一致。干涉腔8外部压强变化，其内部也跟着变化，内外压强差总是趋于零，因此传感器可以工作在很高的静态压强下。经实验验证，安全气囊结构6使传感器的工作最高静压从0.3MPa提高到10MPa以上。
当传感器位于液体中的位置不断变化时，外界压强也在不断变化；当环境温度改变时，传感器内部气体的热胀冷缩，引起内部压强变化。以上这两种情况均表现为传感器内外压强差的改变，此变化量影响了传感器的腔长，表现为传感器工作点的漂移，传感头的安全气囊结构的作用就是消除干涉腔8内外的压强差，因此它在解决了传感器的耐受静压问题的同时，也自动消除了由环境干扰引入的传感器工作点的漂移。可见解决传感器耐受静压的安全气囊同时又稳定了传感器的工作点。
为了让安全气囊6不影响传感器的低频特性，在干涉腔8与气囊腔7之间用一根特种边孔光纤3联系起来，气囊内空气与干涉腔8内的空气流通是通过光纤中的小孔来进行，小孔的直径仅32μm，所以缓慢的压强变化，如水深、温度等的变化都是缓变量，可以通过此孔平衡腔内外的压强，但对于交变的超声信号则无影响。
Claims (3)
1.一种小型自适应光纤超声传感器，其特征在于：包括粗石英管、细石英管、镀膜光纤、铝薄膜、安全气囊和边孔光纤；所述镀膜光纤顶端粘合于细石英管内，细石英管顶端粘合于粗石英管内，粗石英管端面粘合铝薄膜，镀膜光纤顶端与铝薄膜之间存在间隙，安全气囊安装于细石英管尾端与粗石英管尾端的外周面，边孔光纤固定于粗石英管与细石英管之间。
2.根据权利要求1所述的小型自适应光纤超声传感器，其特征在于：所述安全气囊为软质材料。
3.根据权利要求1所述的小型自适应光纤超声传感器，其特征在于：镀膜光纤为端面上镀有反射膜的单模光纤。
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