CN105115586A - 一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头 - Google Patents

Abstract

一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头，包括光缆硫化接头(2)、敏感弹性气臂芯轴(3)、敏感弹性气臂(4)、光纤(5)、保护外壳(6)、气臂下托盖(7)、上挡板(8)、声屏蔽壳(9)、第一油室(11)、静压感受臂(12)、螺帽(16)、第二油室(17)、活塞(18)、支撑芯轴(20)、聚氨酯弹性体(21)、外气腔(22)、内气腔(24)，当光纤水听器周围的水压变化时，通过保持气腔气压与水压相等使敏感弹性气臂(4)不因为水压增大而发生变形。本发明水听器与现有技术相比，克服了输出的声波信号容易受水深影响的缺陷，提高了水听器的可靠性与测量精度，可以更好的应用在工程实际当中。

Description

一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头

技术领域

本发明涉及光纤水听器领域，特别是一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头。

背景技术

光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术上的水声信号传感器，与传统的压电水听器相比，具有声压灵敏度高、频带宽、抗电磁干扰等优点，是现代声纳的一个重要发展方向，包括强度型光纤水听器、干涉型光纤水听器、偏振态型光纤水听器等三种类型。干涉型光纤水听器在技术上最为成熟，以迈克尔逊干涉仪结构为例进行说明，参考臂与声压相互隔离，当传感臂拾取声波时，会引起光纤长度和折射率的变化，导致光程的不同，从而引起干涉状态的变化，通过检测干涉状态的变化来提取声波信号。

芯轴型干涉光纤水听器是比较常见的一种干涉型光纤水听器，其芯轴结构可分为单臂缠绕式、推挽式、气背式以及刚性式臂式；其中，气背式芯轴结构由于传感臂机械阻抗小、灵敏度高、抗加速度好等优点，已成为目前主流的干涉型光纤水听器结构方案，但是气背式芯轴结构的干涉光纤水听器抗静压能力差，当水听器的工作水深逐渐增加时，水听器探头周围的静水压力也不断增大，由于气腔内部气压小于水听器探头周围的静水压力，传感臂、光纤和气腔受外部静水压力挤压而变形，水听器的灵敏度下降，限制了水听器的应用场所，另外当水听器成阵使用时，由于传感臂、光纤的形变，水听器在不同深度对同一强度的声信号输出不同，使阵列解算算法复杂，空间分辨能力低，出现了水听器阵定位定向结果不准，甚至出错的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通过平衡气腔压力的方式使敏感弹性气臂不因为静水压力变化而变形，保证光纤水听器在不同水深下灵敏度相同的自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头。

本发明的技术解决方案是：一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头，包括水密光缆、光缆硫化接头、敏感弹性气臂芯轴、敏感弹性气臂、光纤、保护外壳、气臂下托盖、上挡板、声屏蔽壳、第一油室、静压感受臂、螺帽、第二油室、活塞、支撑芯轴、聚氨酯弹性体、外气腔、内气腔；水密光缆与光缆硫化接头一端固定连接，敏感弹性气臂芯轴为中空的阶梯轴，一端与光缆硫化接头另一端相连，敏感弹性气臂为圆柱状，气臂下托盖为圆环状，敏感弹性气臂、气臂下托盖从敏感弹性气臂芯轴另一端依次套到敏感弹性气臂芯轴，形成外气腔，光纤绕至敏感弹性气臂外表面，保护外壳覆盖光纤，聚氨酯弹性体填充在保护外壳与光纤之间，支撑芯轴、静压感受臂均为圆筒状，支撑芯轴外壁设有器件槽且一端设有过油孔，没有过油孔一端与敏感弹性气臂芯轴另一端固定连接，上挡板、声屏蔽壳、静压感受臂依次套入至支撑芯轴没有过油孔一端，形成第一油室，第一油室中注有硅油，活塞安装在敏感弹性气臂芯轴的通孔内，形成内气腔，螺帽与支撑芯轴设有过油孔一端固定连接，形成第二油室；当光纤水听器周围的水压增大时，静压感受臂向轴心方向挤压第一油室，第一油室中的硅油流向第二油室，推动活塞挤压内气腔直至内气腔、外气腔气压与光纤水听器周围的水压相等，当光纤水听器周围的水压减小时，内气腔、外气腔气压推动活塞挤压硅油从第一油室流至第二油室，直至内气腔、外气腔气压与光纤水听器周围的水压相等，使聚氨酯弹性体、敏感弹性气臂不因为光纤水听器周围的水压增大或减小而发生变形，聚氨酯弹性体接收声波后与敏感弹性气臂对声波进行增敏，带动光纤振动，使光纤内部传输的光波相位发生变化，外部水听器解调系统通过解调光纤内部传输的光波的相位得到声波信号。

所述的敏感弹性气臂、静压感受臂、活塞为聚氨酯弹性体材料。

所述的光缆硫化接头、敏感弹性气臂芯轴、保护外壳、气臂下托盖、上挡板、声屏蔽壳、螺帽、支撑芯轴为不锈钢材料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明水听器探头与现有技术相比，通过平衡气腔压力的方式使敏感弹性气臂不因为静水压力变化而变形，保证光纤水听器在不同水深下灵敏度相同，提高了气背式芯轴结构的干涉光纤水听器的可靠性与测量精度；

(2)本发明水听器探头在成阵使用时，通过平衡气腔压力的方式使水听器在不同深度对同一强度的声波信号输出保持一致，降低了解算水听器阵输出信号所需的解算算法的复杂度；

(3)发明水听器探头与现有技术相比，克服了输出的声波信号容易受到水听器工作水深影响的缺陷，可以更好的应用在工程实际当中。

附图说明

图1为本发明一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头剖视图；

图2为本发明一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头分解示意图；

图3为本发明敏感弹性气臂芯轴正面示意图；

图4为本发明敏感弹性气臂芯轴反面示意图。

图中：1-水密光缆、2-光缆硫化接头、3-敏感弹性气臂芯轴、3-1-带螺纹的上轴头、3-2-螺纹台阶、3-3-光滑台阶、3-4-光滑台阶、3-5-气孔、3-6-带螺纹的下轴头、3-7-过纤槽、4-敏感弹性气臂、5-光纤、6-保护外壳、6-1-透声窗、7-气臂下托盖、7-1-过纤槽、8-上挡板、9-声屏蔽壳、9-1-台阶、9-2-卡槽、10-反射镜、11-第一油室、12-静压感受臂、13-过油接头、14-下挡板、15-水密光缆、16-螺帽、17-第二油室、18-活塞、19-耦合器、20-支撑芯轴、20-1-光滑台阶、20-2-过纤槽、20-3-器件槽、20-4-过纤槽、20-5-过油孔、20-6-螺纹轴头、21-聚氨酯弹性体、22-外气腔、23-气臂上托盖、23-1-过纤槽、24-内气腔。

具体实施方式

本发明提出一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头，下面结合附图对本发明作进一步说明，如图1、图2、图3、图4所示包括水密光缆1、光缆硫化接头2、敏感弹性气臂芯轴3、敏感弹性气臂4、光纤5、保护外壳6、气臂下托盖7、上挡板8、声屏蔽壳9、反射镜10、第一油室11、静压感受臂12、过油接头13、下挡板14、螺帽16、第二油室17、活塞18、耦合器19、支撑芯轴20、聚氨酯弹性体21、外气腔22、气臂上托盖23、内气腔24；其中，敏感弹性气臂芯轴3设有带螺纹的上轴头3-1、螺纹台阶3-2、光滑台阶3-3、光滑台阶3-4、内气腔24、气孔3-5、带螺纹的下轴头3-6、过纤槽3-7，光滑台阶3-3上安放敏感弹性气臂4，在敏感弹性气臂4上绕有光纤5，敏感弹性气臂4与敏感弹性气臂芯轴3一起形成外气腔22，外气腔22通过气孔3-5与内气腔24连通，螺纹台阶3-2通过螺纹连接气臂上托盖23，气臂上托盖23上设有过纤槽23-1，气臂上托盖23上的过纤槽23-1需和敏感弹性气臂芯轴3的带螺纹的上轴头3-1的上过纤槽3-7对正，带螺纹的下轴头3-6通过螺纹连接气臂下托盖7和支撑芯轴20，气臂下托盖7上设有过纤槽7-1，气臂下托盖7上的过纤槽7-1需和支撑芯轴20的过纤槽20-2对正，在气臂下托盖7与气臂上托盖23上安放开有透声窗6-1的保护外壳套6，带螺纹的上轴头3-1通过螺纹连接光缆硫化接头2并与支撑芯轴20一起将保护外壳6夹紧，保护外壳6与光纤5之间空隙填充聚氨酯弹性体21；所述的支撑芯轴20设有光滑台阶20-1、过纤槽20-2、器件槽20-3、过纤槽20-4、过油孔20-5、内气腔24、螺纹轴头20-6，与过纤槽20-2和过纤槽20-4连通的器件槽20-3安放耦合器19，光滑台阶20-1安放上挡板8和声屏蔽壳9，在声屏蔽壳9上设有卡槽9-2，过油接头13从声屏蔽壳9的卡槽9-2穿过后插入支撑芯轴20上的过油孔20-5，在声屏蔽壳9外部设有台阶9-1安置静压感受臂12，静压感受臂12与声屏蔽壳9外侧一起形成第一油室11，在内气腔24内部过油孔20-5两侧分别放置活塞18和螺帽16，活塞18、螺帽16、内气腔24三者形成一个第二油室17，第二油室17与第一油室11通过过油接头13连通，第二油室17与第一油室11充满硅油，支撑芯轴20的螺纹轴头20-6连接下挡板14；光纤5的上端依次穿过气臂上托盖23上的过纤槽23-1、敏感弹性气臂芯轴3的带螺纹的上轴头3-1的过纤槽3-7后与水密光缆1连接，光纤5的下端依次通过气臂下托盖7上的过纤槽7-1、支撑芯轴20上的过纤槽20-2与耦合器19和反射镜10连接，耦合器19通过支撑芯轴20上的过纤槽20-4与外部水密光缆15连接；所述的活塞18、过油接头13、敏感弹性气臂4和静压感受臂12均采用聚氨酯弹性体制成，光缆硫化接头2、敏感弹性气臂芯轴3、气臂上托盖23、气臂下托盖7、保护外壳6、支撑芯轴20、声屏蔽壳9、上挡板8、下挡板14、螺帽16均采用不锈钢材料制成；支撑芯轴20的内气腔24与敏感弹性气臂芯轴3的内气腔24相通，并且尺寸相同，活塞18可以根据水听器外部静水压力在两个气腔内运动来自动平衡气腔内的压力；为确保气密性，所有螺纹都需涂覆螺纹胶后再进行连接，所有聚氨酯材料与不锈钢构件结合处均进行硫化处理；为确保水密性，光缆1与光缆硫化接头2和水密光缆15与下挡板14连接处采用硫化处理。

工作时，水听器探头所承受的静水压力随着入水深度的增加不断增大，静压感受臂12在受到压力后变形挤压第一油室11和第二油室17内的硅油，硅油受挤压后推动活塞16运动，活塞16开始压缩外气腔22和内气腔24内的空气，当活塞一侧的内气腔24和外气腔22的气体压力与当前水压相等时，活塞16停止运动，此时水听器外气腔22和内气腔24的压力与水听器所在深度的水压力相平衡，当水听器的入水深度减小时，外气腔22和内气腔24的气压大于当前水压，外气腔22和内气腔24的空气推动活塞16压缩第一油室11和第二油室17内的硅油直到第一油室11和第二油室17内的液压与气压相平衡，活塞16停止运动，采用这种自动调整气腔压力的方式保证了外气腔22气压在水听器下放深度变化时始终保持与相应深度的水压平衡，从而使外气腔22不会因为外部压力变化而变化，保证了敏感弹性气臂4在没有声波作用时不发生形变，进而保证了绕在其上的光纤5长度不会发生变化。

当声波作用于敏感弹性气臂4时，敏感弹性气臂4发生变形，在同一声信号下，敏感弹性气臂4的变形量不会随入水深度而变化，绕在其上的光纤5的长度在不同深度下的改变量相同，由此引起的折射率的变化和光程相同，从而引起干涉状态的相位变化相同，水听器灵敏度相同。本发明水听器探头与现有技术相比，通过采用自动平衡气腔压力的方式，使敏感弹性气臂4不会因静水压力变化而变形，从而保证光纤水听器在不同水深下灵敏度相同，这将使气背式芯轴结构的干涉光纤水听更具有可应用性，特别是光纤水听器成阵使用时，水听器在不同深度对同一强度的声信号输出保持一样，提高了水听器输出的一致性，降低了算法复杂度，并能提高测量精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头，其特征在于包括水密光缆(1)、光缆硫化接头(2)、敏感弹性气臂芯轴(3)、敏感弹性气臂(4)、光纤(5)、保护外壳(6)、气臂下托盖(7)、上挡板(8)、声屏蔽壳(9)、第一油室(11)、静压感受臂(12)、螺帽(16)、第二油室(17)、活塞(18)、支撑芯轴(20)、聚氨酯弹性体(21)、外气腔(22)、内气腔(24)；水密光缆(1)与光缆硫化接头(2)一端固定连接，敏感弹性气臂芯轴(3)为中空的阶梯轴，一端与光缆硫化接头(2)另一端相连，敏感弹性气臂(4)为圆柱状，气臂下托盖(7)为圆环状，敏感弹性气臂(4)、气臂下托盖(7)从敏感弹性气臂芯轴(3)另一端依次套到敏感弹性气臂芯轴(3)，形成外气腔(22)，光纤(5)绕至敏感弹性气臂(4)外表面，保护外壳(6)覆盖光纤(5)，聚氨酯弹性体(21)填充在保护外壳(6)与光纤(5)之间，支撑芯轴(20)、静压感受臂(12)均为圆筒状，支撑芯轴(20)外壁设有器件槽且一端设有过油孔，没有过油孔一端与敏感弹性气臂芯轴(3)另一端固定连接，上挡板(8)、声屏蔽壳(9)、静压感受臂(12)依次套入至支撑芯轴(20)没有过油孔一端，形成第一油室(11)，第一油室(11)中注有硅油，活塞(18)安装在敏感弹性气臂芯轴(3)的通孔内，形成内气腔(24)，螺帽(16)与支撑芯轴(20)设有过油孔一端固定连接，形成第二油室(17)；当光纤水听器周围的水压增大时，静压感受臂(12)向轴心方向挤压第一油室(11)，第一油室(11)中的硅油流向第二油室(17)，推动活塞(18)挤压内气腔(24)直至内气腔(24)、外气腔(22)气压与光纤水听器周围的水压相等，当光纤水听器周围的水压减小时，内气腔(24)、外气腔(22)气压推动活塞(18)挤压硅油从第一油室(11)流至第二油室(17)，直至内气腔(24)、外气腔(22)气压与光纤水听器周围的水压相等，使聚氨酯弹性体(21)、敏感弹性气臂(4)不因为光纤水听器周围的水压增大或减小而发生变形，聚氨酯弹性体(21)接收声波后与敏感弹性气臂(4)对声波进行增敏，带动光纤(5)振动，使光纤(5)内部传输的光波相位发生变化，外部水听器解调系统通过解调光纤(5)内部传输的光波的相位得到声波信号。

2.根据权利要求1所述的一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头，其特征在于：所述的敏感弹性气臂(4)、静压感受臂(12)、活塞(18)为聚氨酯弹性体材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种自平衡抗静压气背芯轴式干涉光纤水听器探头，其特征在于：所述的光缆硫化接头(2)、敏感弹性气臂芯轴(3)、保护外壳(6)、气臂下托盖(7)、上挡板(8)、声屏蔽壳(9)、螺帽(16)、支撑芯轴(20)为不锈钢材料。