CN104019884A - 光纤fp腔声波探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤FP腔声波探头。该光纤FP腔声波探头包括：壳体，呈圆筒状结构，内壁设有内螺纹；振动膜，安装于壳体的顶部，其朝向壳体内部的一侧具有反光面；内芯，其中心轴线位置开设有光纤孔，该内芯的外壁设有与壳体内壁内螺纹相匹配的外螺纹，该内芯通过该外螺纹安装在壳体内，其上表面低于振动膜；光纤，经端面抛光后，由壳体外经由内芯的光纤孔进入壳体内，该光纤的顶部与内芯上部的上表面平齐，形成光纤上端面，该光纤上端面与振动膜的反光面构成光纤FP腔；以及顶丝，通过螺纹安装在壳体的侧壁上，旋转顶丝，通过顶丝挤压内芯将其锁紧。本发明光纤FP腔声波探头所用零部件少，结构简单，制作容易，信号失真度小，适用性强。

Description

光纤FP腔声波探头

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤FP腔声波探头。

背景技术

光纤声波传感器不同于常见的电容式或压电式麦克风，它具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、探测频谱范围宽，与光纤通信网兼容性好等优点，能够在复杂电磁环境和恶劣气候条件下正常工作，在工业、军事、医疗等领域具有广泛应用。例如，它可用于环境噪声监测、超声探伤、健康监测、机械故障诊断、用于对火炮、狙击手、反潜直升机等低慢小目标的探测、跟踪和定位，对电力、电机等设备的运行监测和故障预警。光纤声波传感器通常分为强度测量式和位相测量两种。强度测量式光纤声波传感器需要使用两根光纤，用于光信号的输入和输出。光纤FP腔声波探头是一种基于位相测量的单光纤声波传感器，它与强度测量式声波探头相比，具有结构简单，灵敏度高，信号易于解调等优点。光纤FP腔声波传感器制备技术目前还不成熟，仍处于实验室研发阶段，光纤FP腔声波探头存在的主要问题是稳定性较差，易产生零点漂移和信号失真，这些缺点限制了光纤FP腔声波传感器的实际应用。

为了解决上述问题，现有技术中出现了一些采用缓冲机械结构的光纤FP腔声波探头，以缓解机械震动进而提高了传感器稳定性，但是此类光纤FP腔声波探头包含的零部件多，结构复杂，制作难度较大，制作成本较高，因此有待于进一步改进。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种简单结构的光纤FP腔声波探头，以提高其稳定性，抑制信号失真。

(二)技术方案

本发明光纤FP腔声波探头包括：壳体，呈圆筒状结构，内壁设有内螺纹；振动膜，安装于壳体的顶部，其朝向壳体内部的一侧具有反光面；内芯，其中心轴线位置开设有光纤孔，该内芯的外壁设有与壳体内壁内螺纹相匹配的外螺纹，该内芯通过该外螺纹安装在壳体内，其上表面低于振动膜；光纤，经端面抛光后，由壳体外经由内芯的光纤孔进入壳体内，并通过胶水粘结或机械压紧方式固定于内芯的光纤孔内，其中，该光纤的顶部与内芯上部的上表面平齐，形成光纤上端面，该光纤上端面与振动膜的反光面构成光纤FP腔；以及顶丝，通过螺纹安装在壳体的侧壁上，旋转顶丝，通过顶丝挤压内芯将其锁紧。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明光纤FP腔声波探头具有以下有益效果：

(1)所用零部件少，结构简单，制作容易，成本较低，适用性强；

(2)容许原位精细调节光纤FP腔的长度，从而保证了探头输出信号位于线性响应区间；

(3)容许原位精细调节内芯中心轴线的取向，使其很容易地与壳体的中心轴线重合，从而使得探头输出信号对称性好，失真度小；

(4)一致性好，稳定性高，校准容易。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例光纤FP腔声波探头的剖视图；

图2为根据本发明第二实施例光纤FP腔声波探头的剖视图；

图3为根据本发明第三实施例光纤FP腔声波探头的剖视图。

【本发明主要元件符号说明】

1-振动膜；                        2-光纤；

3-壳体；                          4-内芯；

5-顶丝；                          6-保护罩；

10-振动膜1的反光面；              20-光纤上端面；

40-标准光纤插芯；                 60-入声孔。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种光纤FP腔声波探头，包括：振动膜、光纤、内芯、壳体、保护罩；振动膜设置于壳体上端，使振动膜反光面曝露在壳体内；光纤插入内芯并使光纤上端面不低于内芯上端面，然后用胶水将光纤固定于内芯中，内芯通过螺纹安装在壳体内，使光纤上端面与振动膜反光面形成FP腔，通过沿壳体内螺纹旋转内芯调节FP腔长度，使得声波探头输出信号位于光纤FP腔的线性响应区间，然后利用设置在壳体侧壁的顶丝锁紧内芯。在锁紧所述内芯的过程中，调节各个顶丝在所述壳体内的深入程度，使得所述内芯的中心轴线与所述壳体的中心轴线重合。保护罩通过螺纹安装于壳体外壁，使振动膜和壳体置于保护罩内。该声波探头结构简单、制作容易、灵敏度高、稳定性好。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种光纤FP腔声波探头。图1为根据本发明第一实施例光纤FP腔声波探头的剖视图。如图1所示，本实施例光纤FP腔声波探头包括：振动膜1、光纤2、壳体3、内芯4、顶丝5、保护罩6。壳体3和内芯4共轴。

以下对本实施例光纤FP腔声波探头的各个组成部分进行详细说明。

壳体3，呈圆筒状结构，由金属材料制备，在其侧壁的内外表面分别设置有螺纹。本实施例中，壳体3由不锈钢材料加工而成，其侧壁厚度不小于1.5mm。

振动膜1安装于壳体3的顶部，其反光面10朝向壳体3内部，用于感应外界声波。

为了提高振动膜1反光面的反射率，在该振动膜的内侧面镀有金属反射层形成反光面10。金属反射层的材料为金、银、钛、铬、镍、钨、锡、金银合金、钛合金、镍铬、镍铜合金等。需要说明的是，该反光层的材料还可以是高折射率金属氧化物反射层。振动膜可以为还为金属膜片、硅膜片、玻璃膜片、有机聚合物膜片。优选地，振动膜为金属膜片。该金属膜片为以下膜片中的一种：不锈钢膜片、钛膜片、钨膜片、铜膜片、镍膜片、铬膜片、铝合金膜片、钛合金膜片、镍铜合金膜片、镍铬合金膜片。

内芯4呈上段粗下段细的两段同轴一体连接圆柱状结构，其中心轴线位置开设有光纤孔，其上段设置有螺纹，内芯通过螺纹安装在壳体内。

请参照图1，内芯上段的螺纹区间的高度不小于5mm，螺纹间距不大于0.4mm。在内芯上段的表面刻有一条竖直通透的凹槽，用作均压槽。在内芯上段的远离上端面的一侧刻有凹槽环，该凹槽环的位置与顶丝的位置相对应，其宽度比顶丝直径大至少2mm。

保护罩6通过螺纹固定于壳体3的外表面和振动膜1的外侧，其顶部开设有入声孔60，用于保护振动膜1。

光纤2经端面抛光后，由壳体外经由所述内芯的光纤孔进入壳体内，其中，该光纤的顶部与所述内芯上部的上表面平齐，形成光纤上端面20，该光纤通过胶水粘结或机械压紧方式固定于所述内芯的光纤孔内，该光纤上端面20与振动膜的反光面10构成光纤FP腔。本实施例中，光纤2为单模石英光纤。

请参照图1，光纤2由壳体3外经由内芯4进入壳体内。光纤2的顶部与内芯4的上表面平齐，形成光纤上端面20，该光纤上端面20与振动膜1的反光面10构成光纤FP腔。

顶丝5通过螺纹安装在壳体的侧壁上，旋转顶丝，通过顶丝挤压内芯将其锁紧。顶丝5的数目不少于2个，优选为3～4个，以保证内芯被锁紧后，所述内芯的中心轴线与所述壳体的中心轴线能够重合。在利用顶丝锁紧内芯之前，通过沿壳体内螺纹旋转内芯调节所述光纤FP腔的长度，使得所述声波探头的输出信号位于线性响应区间。

本实施例中，一方面，通过沿壳体内螺纹旋转内芯，容许原位精细调节光纤FP腔的长度，从而保证了探头输出信号位于线性响应区间。另一方面，在利用顶丝锁紧内芯的过程中，容许原位精细调节内芯中心轴线的取向，使其很容易地与壳体的中心轴线重合，从而使得探头输出信号对称性好，失真度小。

本实施例中，内芯4和顶丝5均由不锈钢材料制备。可见，本实施例光纤FP腔声波探头结构简单、制作容易、成本低，灵敏度高，信号失真度小，适合于探测微弱声波信号。

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种光纤FP腔声波探头。图2为根据本发明第二实施例光纤FP腔声波探头的剖视图。如图2所示，本实施例光纤FP腔声波探头与第一实施例的区别在于：内芯呈上段细、中段粗、下段细的三段同轴一体连接圆柱状结构，螺纹设置于内芯的中段。

请参照图2，本实施例中，在所述内芯中段的远离上端面的一侧刻有凹槽环，该凹槽环的位置与顶丝的位置相对应，其宽度比顶丝直径大至少2mm。在内芯中段的外表面刻有一条竖直通透的凹槽，用作均压槽。

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了一种光纤FP腔声波探头。图3为根据本发明第三实施例光纤FP腔声波探头的剖视图。如图3所示，本实施例光纤FP腔声波探头与第二实施例的区别在于：内芯的上段是分离的标准光纤插芯40，与内芯的中段通过螺纹同轴固定连接、或通过胶水同轴固定连接。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明光纤FP腔声波探头有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，

综上所述，本发明光纤FP腔声波探头所用零部件少，结构简单，制作容易，成本较低，适用性强，容许原位精细调节光纤FP腔的长度，从而保证了探头输出信号位于线性响应区间，还容许原位精细调节内芯中心轴线的取向，使其很容易地与壳体的中心轴线重合，从而使得探头输出信号对称性好，失真度小。本发明光纤FP腔声波探头一致性好，稳定性高，校准容易，可广泛用于环境噪声监测、语音通讯、噪声源定位、复杂电磁环境下的声波信号拾取等。

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 (16)

1.一种光纤FP腔声波探头，其特征在于，包括：

壳体，呈圆筒状结构，内壁设有内螺纹；

振动膜，安装于所述壳体的顶部，其朝向所述壳体内部的一侧具有反光面；

内芯，其中心轴线位置开设有光纤孔，该内芯的外壁设有与壳体内壁内螺纹相匹配的外螺纹，该内芯通过该外螺纹安装在壳体内，其上表面低于所述振动膜；

光纤，经端面抛光后，由壳体外经由所述内芯的光纤孔进入壳体内，并通过胶水粘结或机械压紧方式固定于所述内芯的光纤孔内，其中，该光纤的顶部与所述内芯上部的上表面平齐，形成光纤上端面，该光纤上端面与所述振动膜的反光面构成光纤FP腔；以及

顶丝，通过螺纹安装在所述壳体的侧壁上，旋转顶丝，通过顶丝挤压所述内芯将其锁紧。

2.根据权利要求1所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，在利用所述顶丝锁紧所述内芯之前，通过沿壳体内螺纹旋转所述内芯以调节所述光纤FP腔的长度，使得所述光纤FP腔声波探头的输出信号位于所述光纤FP腔的线性响应区间。

3.根据权利要求1所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述顶丝的数目不少于2个。

4.根据权利要求3所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，在利用所述顶丝锁紧所述内芯的过程中，调节各个顶丝在所述壳体内的深入程度，使得所述内芯的中心轴线与所述壳体的中心轴线重合。

5.根据权利要求1所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述内芯与所述壳体结合的螺纹区间的高度不小于5mm，螺纹间距不大于0.4mm。

6.根据权利要求1所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述内芯呈：

上段粗下段细的两段同轴一体连接圆柱状结构，所述外螺纹设置于该内芯的上段；或

上段细、中段粗、下段细的三段同轴一体连接圆柱状结构，所述外螺纹设置于该内芯的中段，所述上段伸入所述壳体内。

7.根据权利要求6所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于：

所述内芯呈两段同轴一体连接圆柱状结构，在所述内芯上段的远离上端面的一侧刻有凹槽环，该凹槽环的位置与所述顶丝的位置相对应，其宽度比顶丝直径大至少2mm；或

所述内芯呈三段同轴一体连接圆柱状结构，在所述内芯中段的远离上端面的一侧刻有凹槽环，该凹槽环的位置与所述顶丝的位置相对应，其宽度比顶丝直径大至少2mm。

8.根据权利要求6所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于：

所述内芯呈两段同轴一体连接圆柱状结构，在所述内芯上段的外表面刻有一条竖直通透的凹槽，用作均压槽；或

所述内芯呈三段同轴一体连接圆柱状结构，在所述内芯中段的外表面刻有一条竖直通透的凹槽，用作均压槽。

9.根据权利要求6所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述内芯呈三段同轴一体连接圆柱状结构；

内芯的上段为分离的标准光纤插芯，其与内芯的中段通过螺纹同轴固定连接、或通过胶水同轴固定连接。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述壳体的侧壁厚度不小于1.5mm。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述光纤为单模石英光纤。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，还包括：

保护罩，固定于所述壳体的底部和所述振动膜的外侧，其顶部开设有入声孔。

13.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述振动膜为以下膜片中的一种：金属膜片、硅膜片、玻璃膜片、有机聚合物膜片。

14.根据权利要求13所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述金属膜片为以下膜片中的一种：不锈钢膜片、钛膜片、钨膜片、铜膜片、镍膜片、铬膜片、铝合金膜片、钛合金膜片、镍铜合金膜片、镍铬合金膜片。

15.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述反光面为镀于振动膜上的金属反射层或金属氧化物反射层。

16.根据权利要求1至9中任一项所述的光纤FP腔声波探头，其特征在于，所述壳体、内芯、顶丝由以下材料其中之一制备：不锈钢、钛、铜、铝、铝合金、钛合金、镍铜合金、镍铬合金。