CN108051611A - 潜艇用光纤激光加速度传感器及其制作方法和工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种潜艇用光纤激光加速度传感器，属于机械振动测试技术领域。它包括中部设有纵向通孔的质量块，穿过所述纵向通孔的光纤激光器，位于所述纵向通孔内部且将所述光纤激光器的有源部分完全覆盖的套管，位于所述套管两端且位于所述纵向通孔内部的毛细镍管，和与质量块下端连接的底座，所述套管和毛细镍管均套在光纤激光器上，所述底座侧部设有圆形通孔，底座中部设有与所述圆形通孔连通的开口槽，所述光纤激光器一端穿过所述纵向通孔并从质量块上端穿出，另一端穿过所述开口槽并从所述圆形通孔穿出。本发明可保证加速度传感器阵列各阵元性能的一致性。本发明还涉及这种潜艇用光纤激光加速度传感器的制作方法和工作方法。
Description
技术领域
本发明属于机械振动测试技术领域，具体涉及一种基于光纤激光器技术的光纤激光加速度传感器的结构，更具体的说是一种潜艇用光纤激光加速度传感器。本发明还涉及这种潜艇用光纤激光加速度传感器的制作方法和工作方法。
背景技术
目前，人们通过在艇内各主要噪声源设备、主要传递路径和内外壳体上布置压电型加速度传感器，全面监测艇内源和路径振动，并将壳体振动作为数据输入直接计算外场辐射噪声的全艇噪声在线监测系统已经取得了较大突破，但是存在缆线多、体积大、重量重、成本高、维修难度较大等问题，限制了监测系统规模的进一步扩大。
DFB光纤激光器是在一段掺杂稀土元素的光纤上刻入一个相移区域的长度为λ/4的相移光栅形成的一个光纤激光器，其中λ为出射激光中心波长。当该激光器受到加速度激励作用产生应变时，光纤光栅的周期发生改变，从而引起激光器出射波长的漂移，该波长的漂移即对应于外界加速度的变化，而光的波长在光纤传输中是不变的，因此基于DFB光纤激光器的水听器就不受诸如光源起伏、光损耗、探测器老化等因素的影响，使传感系统更加稳定和可靠。同时该加速度传感器具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰以及易于复用成阵等优势。
但是，现有的DFB光纤激光加速度传感器的工作频带较窄，且主要集中在500Hz以下的低频段，虽然能满足潜艇噪声监测系统等中低频探测领域的要求，但在机电、航空航天等高频振动领域的应用受到了极大地限制；而当DFB光纤激光加速度传感器的工作频带向高频拓宽以后，很难获得较为平坦的频响性能；此外，在构建DFB光纤激光加速度传感器时，如何保证加速度传感器阵列各阵元性能的一致性也是存在的主要工艺问题。
发明内容
本发明的第一目的是为了克服背景技术的不足之处，而提供一种潜艇用光纤激光加速度传感器，能够拓宽DFB光纤激光加速度传感器的工作频带并改善其频响特性。
本发明的第二目的是为了克服背景技术的不足之处，而提供一种制作潜艇用光纤激光加速度传感器的方法，能够拓宽DFB光纤激光加速度传感器的工作频带并改善其频响特性，并完善DFB光纤激光水听器阵元的封装工艺，以利于保证成阵时各阵元性能的一致性。
本发明的第三目的是为了克服背景技术的不足之处，而提供一种潜艇用光纤激光加速度传感器的工作方法，完善DFB光纤激光水听器阵元的封装工艺，以利于保证成阵时各阵元性能的一致性。
为了实现上述第一目的，本发明的技术方案为：潜艇用光纤激光加速度传感器，其特征在于：包括中部设有纵向通孔的质量块，穿过所述纵向通孔的光纤激光器，位于所述纵向通孔内部且将所述光纤激光器的有源部分完全覆盖的套管，位于所述套管两端且位于所述纵向通孔内部的毛细镍管，和与质量块下端连接的底座，所述套管和毛细镍管均套在光纤激光器上，所述底座侧部设有圆形通孔，底座中部设有与所述圆形通孔连通的开口槽，所述光纤激光器一端穿过所述纵向通孔并从质量块上端穿出，另一端穿过所述开口槽并从所述圆形通孔穿出。
在上述技术方案中，所述毛细镍管通过金属焊接或环氧树脂胶与光纤激光器的光栅区外侧固定连接。
为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：制作潜艇用光纤激光加速度传感器的方法，它包括如下步骤：步骤一：在光纤激光器的光栅区外侧一端用金属焊接或环氧树脂胶，将光纤激光器与其中一个毛细镍管固定连接；步骤二：将套管穿在光纤激光器上，并使套管完全覆盖光纤激光器的光栅区；步骤三：在光纤激光器光栅区外侧另一端用金属焊接或环氧树脂胶，将光纤激光器与另一个毛细镍管固定连接；步骤四：将已与毛细镍管固定的光纤激光器依次穿入开口槽和圆形通孔，并使光纤激光器端部从所述圆形通孔内穿出；步骤六：使毛细镍管端部与质量块底部平齐，并使用微调夹具将光纤激光器保持在预设的张力下；步骤七：使用金属焊接或环氧树脂胶使两个毛细镍管均与质量块固定连接，并使光纤激光器固定在质量块的端面中心位置，并确保使光纤激光器位于质量块的纵轴线上；步骤八：将光纤激光器的尾纤套入光纤套管进行保护，然后再将底座与质量块连接在一起。
为了实现上述第三目的，本发明的技术方案为：潜艇用光纤激光加速度传感器的工作方法，包括将底座的底端固定于待测目标表面，待测目标表面的加速度振动通过底座作用在与底座连接的质量块上，使得质量块产生形变，质量块产生形变会直接转化为光纤激光器的轴向应变，导致光纤光栅的周期以及折射率发生改变，光纤激光器的出射激光中心波长发生变化，从而实现高灵敏度的加速度信号检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明能够拓宽DFB光纤激光加速度传感器的工作频带并改善其频响特性(最高工作频率达4kHz)，并完善DFB光纤激光加速度传感器阵元的封装工艺，以利于保证成阵时各阵元性能的一致性。
2、本发明将质量块整体都作为加速度传感器的敏感元件，可有效提高传感器的谐振频率，使加速度传感器的工作频带最大限度地向高频拓宽。
3、本发明将DFB光纤激光器保持在预定的张力下，使加速度传感器的灵敏度频响曲线最为平坦。
4、本法明利用套管(可由橡胶或塑料制成)对DFB光纤激光器有源部分进行完全覆盖(包敷)，既适用了圆柱形质量块长通孔机器加工最小直径的限制，又抑制了DFB光纤激光器光栅区的横向抖动干扰，使加速度传感器的灵敏度频响曲线最为平坦。
5、由于本发明的DFB光纤激光加速度传感器的性能主要由其各部件的材料性能、各部件的结构尺寸、激光器的预张力大小、激光器的横向振动决定，而这些因素已被控制较好，因此通过本发明可保证加速度传感器阵列各阵元性能的一致性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为光纤激光器、套管、毛细镍管和质量块的连接结构示意图。
图3为底座的结构示意图。
图中1-质量块,2-光纤激光器,3-套管,4-底座，5-圆形通孔,6-毛细镍管，7-纵向通孔，8-开口槽。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：潜艇用光纤激光加速度传感器，其特征在于：包括中部设有纵向通孔7的质量块1，穿过所述纵向通孔7的光纤激光器2，位于所述纵向通孔7内部且将所述光纤激光器2的有源部分完全覆盖的套管3，位于所述套管3两端且位于所述纵向通孔7内部的毛细镍管6，和与质量块1下端连接的底座4，所述套管3和毛细镍管6均套在光纤激光器2上，所述底座4侧部设有圆形通孔5，底座4中部设有与所述圆形通孔5连通的开口槽8，所述光纤激光器2一端穿过所述纵向通孔7并从质量块1上端穿出，另一端穿过所述开口槽8并从所述圆形通孔5穿出。
在上述技术方案中，所述毛细镍管6通过金属焊接或环氧树脂胶与光纤激光器2的光栅区外侧固定连接。
实际工作时，本发明所称的光纤激光器2为DFB光纤激光加速度传感器(简称DFB光纤激光传感器)，作为最优方案，光纤激光器2应固定于质量块1的中心线上(也即纵向通孔7的中心线上)，同时，套管3、毛细镍管6和底座4均应与质量块1固定连接，且套管3、毛细镍管6和底座4均用于防止光纤激光器2在质量块内出现晃动，以避免光纤激光器2的性能受到影响，以保证加速度传感器阵列各阵元性能的一致性。
本发明的制作方法如下，它包括如下步骤：
步骤一：在光纤激光器2的光栅区外侧一端用金属焊接或环氧树脂胶，将光纤激光器与其中一个毛细镍管6(长为10mm,直径为0.9mm)固定连接；
步骤二：将套管3(由直径为0.9mm的橡胶或塑料制成)穿在光纤激光器上，并使套管3完全覆盖光纤激光器2的光栅区(光纤激光器2的有源部分)；
步骤三：在光纤激光器2光栅区外侧另一端用金属焊接或环氧树脂胶，将光纤激光器与另一个毛细镍管6(长为10mm,直径为0.9mm)固定连接；
步骤四：将已与毛细镍管6固定的光纤激光器2依次穿入开口槽8和圆形通孔5，并使光纤激光器2端部从所述圆形通孔5内穿出；
步骤六：使毛细镍管6端部与质量块1底部平齐，并使用微调夹具现有技术将光纤激光器2保持在预设的张力下；
步骤七：使用金属焊接或环氧树脂胶使两个毛细镍管6均与质量块1固定连接，并使光纤激光器2固定在质量块1的端面中心位置，并确保使光纤激光器2位于质量块1的纵轴线(中心线)上；
步骤八：将光纤激光器2的尾纤套入光纤套管进行保护，然后再将底座4与质量块1连接在一起。
本发明的工作方法如下：将底座4的底端固定于待测目标表面，待测目标表面的加速度振动通过底座4作用在与底座4连接的质量块1上，使得质量块1产生形变，质量块1产生形变会直接转化为光纤激光器2的轴向应变，导致光纤光栅的周期以及折射率发生改变，光纤激光器2的出射激光中心波长发生变化，从而实现高灵敏度的加速度信号检测。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (4)
1.潜艇用光纤激光加速度传感器，其特征在于：包括中部设有纵向通孔(7)的质量块(1)，穿过所述纵向通孔(7)的光纤激光器(2)，位于所述纵向通孔(7)内部且将所述光纤激光器(2)的有源部分完全覆盖的套管(3)，位于所述套管(3)两端且位于所述纵向通孔(7)内部的毛细镍管(6)，和与质量块(1)下端连接的底座(4)，所述套管(3)和毛细镍管(6)均套在光纤激光器(2)上，所述底座(4)侧部设有圆形通孔(5)，底座(4)中部设有与所述圆形通孔(5)连通的开口槽(8)，所述光纤激光器(2)一端穿过所述纵向通孔(7)并从质量块(1)上端穿出，另一端穿过所述开口槽(8)并从所述圆形通孔(5)穿出。
2.根据权利要求1所述的潜艇用光纤激光加速度传感器，其特征在于：所述毛细镍管(6)通过金属焊接或环氧树脂胶与光纤激光器(2)的光栅区外侧固定连接。
3.制作权利要求1或2所述的潜艇用光纤激光加速度传感器的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一：在光纤激光器(2)的光栅区外侧一端用金属焊接或环氧树脂胶，将光纤激光器与其中一个毛细镍管(6)固定连接；
步骤二：将套管(3)穿在光纤激光器上，并使套管(3)完全覆盖光纤激光器(2)的光栅区；
步骤三：在光纤激光器(2)光栅区外侧另一端用金属焊接或环氧树脂胶，将光纤激光器与另一个毛细镍管(6)固定连接；
步骤四：将已与毛细镍管(6)固定的光纤激光器(2)依次穿入开口槽(8)和圆形通孔(5)，并使光纤激光器(2)端部从所述圆形通孔(5)内穿出；
步骤六：使毛细镍管(6)端部与质量块(1)底部平齐，并使用微调夹具将光纤激光器(2)保持在预设的张力下；
步骤七：使用金属焊接或环氧树脂胶使两个毛细镍管(6)均与质量块(1)固定连接，并使光纤激光器(2)固定在质量块(1)的端面中心位置，并确保使光纤激光器(2)位于质量块(1)的纵轴线上；
步骤八：将光纤激光器(2)的尾纤套入光纤套管进行保护，然后再将底座(4)与质量块(1)连接在一起。
4.根据权利要求1或2所述的潜艇用光纤激光加速度传感器的工作方法，其特征在于：包括将底座(4)的底端固定于待测目标表面，待测目标表面的加速度振动通过底座(4)作用在与底座(4)连接的质量块(1)上，使得质量块(1)产生形变，质量块(1)产生形变会直接转化为光纤激光器(2)的轴向应变，导致光纤光栅的周期以及折射率发生改变，光纤激光器(2)的出射激光中心波长发生变化，从而实现高灵敏度的加速度信号检测。
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