CN108444599A - 一种光纤法-珀腔传声器探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种稳定性好的光纤法‑珀腔传声器探头，包括外壳，为一中空结构，中部设有螺纹，下部设有固定螺丝孔；振膜，安装于外前端，其朝向外壳内部一侧具有反光作用；光纤插芯，为一中空柱状结构，由单一材料构成，或不同材料串联复合构成；插芯套，为一中空圆柱结构，中部外侧面设有螺纹，安装于外壳内部，其朝向振膜的一侧用于安装光纤插芯；外套，为一两端开口的帽状结构，安装于外壳下端，将插芯套包于其内部；光纤，由外套经由插芯套，固定于光纤插芯内；固定螺丝，安装于外壳下部固定螺丝孔内，用于辅助固定插芯套；前罩，从振膜一侧安装于外壳外部。本发明光纤法‑珀腔传声器探头结构简单、易于制作、稳定性好，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于声传感技术领域，特别涉及一种稳定性好的光纤法-珀腔传声器探头。
背景技术
随着光纤技术，特别是光纤通讯技术的发展，光纤传感技术随之也快速发展起来，从光纤传感器概念提出之出到现在的几十年里，光纤传感技术已在机械、电子仪表、航空航体、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面得到了广泛的应用。
与传统的各类电传感器相比，光纤传感器具有一些独特的优点灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、损耗低、传输距离远等优点。作为光纤传感器件的一个分支，自20世纪60年代起，光纤传声器开始被关注，并得到广泛的研究。光纤传声器是拾取声波信号的一种新型传声器，它利用各种光结构，实现声波对光的参数的调制，通过对光信号的解调，获得声波信号。根据调制的光参数不同，目前光纤传声器主要分为：强度调制型、波长调制型、相位调制型、以及偏振调制型。
在各种原理的光纤传声器器中，基于相位调制的光纤法-珀腔传声器因结构简单、灵敏度高、采用单色光作为工作光时解调方法简单而被广泛研究。但是，现有结构的光纤法-珀腔传声器也存在缺点。光纤法-珀腔传声器是基于高灵敏光学干涉检测方法，这使它具有高灵敏度，然而这也导致它的稳定性差，其原因是光纤法-珀腔传声器探头易受到外界的影响，当外界的影响使光纤法-珀腔的长度发生八分之一光波长的变化时，如对于1552nm的光，其变化达到194nm时，光纤法-珀腔传声器将会从最灵敏变到失效，这极大的限制了它的实际应用。
影响光纤法-珀腔传声器的稳定性的主要因素有环境温度，特别是针对采用单色光源，利用强度解调的光纤法-珀腔传声器，其输出信号对温度十分敏感，究其原因，是因为光纤法-珀腔探头结构中材料的热膨胀系数选择不合适，使光纤法-珀腔的腔长会随温度变化而发生变化，从而导致干涉光谱发生漂移。
影响光纤法-珀腔传声器的稳定性的主要因素还有外力作用。在现有光纤法-珀腔传声器探头结构中，一般都采用振膜作为法-珀腔的一个反光面，它直接固定在外结构上；光纤端面作为另一个反光面，该光纤由另一结构体固定，通常该结构体一部分固定于外结构内部，另一部分会在外结构之外。这种结构形式会导致光纤端面的固定结构容易直接受到外力的作用，从而使光纤端面的位置发生微小的变化，从而使干涉结构的稳定性变差。
现有技术没有从探头本身去解决光纤法-珀腔传声器探头的稳定性问题。如发明专利CN104019884B中记载了一种光纤FP腔声波探头，在该结构中，承载光纤法-珀腔结构的一个反光面的内芯结构，其较细的尾部容易外力的作用，而且内芯通过顶丝固定，长时间的机械稳定性得到不到保证，另外在该专利中，也没有记载解决温度影响的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了克服现有技术存在光纤法-珀腔传声器探头稳定性差的问题，本发明提供一种光纤法-珀腔传声器探头，减小温度和外力作用的影响，使光纤法-珀腔传声器探头本身具有良好的稳定性，以实现实用化。
(二)技术方案
本发明一种光纤法-珀腔传声器探头，包括：
外壳，为一中空结构，其内壁中部设有螺纹，其下部垂直于轴的方向设有固定螺丝孔，孔的个数为2-4个，沿圆周均匀分布；
振膜，为一薄膜，设置于外壳前端，用于敏感声波，其朝向外壳内部一侧的面具有反光作用，作为光纤法-珀腔结构的一个反光面；
光纤插芯，为一中空柱状结构，由单一材料构成，或不同材料串联复合构成；
插芯套，为一中空圆柱结构，中部外侧面设有螺纹，所述的插芯套安装于所述外壳内部，其朝向振膜的一侧用于安装光纤插芯；其侧面从螺纹顶部至插芯套末端设有通气槽，用于振膜两侧静压均衡；其底部为一圆台，在底部圆台下端面设有工装固定孔，利用工装，通过工装固定孔将所述插芯套安装于外壳内部，安装完成后，底部圆台的外侧面与外壳底部内表面相接触，其接触缝利用激光焊接工艺焊接，从而使插芯套与外壳形成可靠的连接，提高结构的稳定性；
外套，为一两端开口的帽状结构，从外壳的下端安装于外壳外部，将插芯套包于其内部，从而避免插芯套直接受到外力的作用，提高光纤法-珀腔传声器探头的稳定性；
光纤，由外套经由所述的插芯套，固定于光纤插芯内，其上端面作为光纤法-珀腔结构的另一反光面。
固定螺丝，其个数与固定螺丝孔的个数一致，安装于固定螺丝孔内，用于辅助固定插芯套；
前罩，从振膜一侧安装在外壳的外部，用于保护振膜，其顶端开有入声孔。
在所述的光纤法-珀腔传声器结构中，振膜反光面与光纤上端面构成光纤法-珀腔，插芯套-光纤插芯形成的组合结构的热膨胀系数大于外壳的热膨胀系数。
(三)有益效果
从上述技术方案及实施例实验结果可知，本发明一种光纤法-珀腔传声器探头具有如下有益效果：
(1)针对现有光纤法-珀腔传声器探头结构中材料热膨胀系数不合适导致热稳定性差的问题，在本发明中，采用插芯套-光纤插芯形成的组合结构的热膨胀系数大于外壳的热膨胀系数的方法，在外界温度发生变化时，承载光纤上端面的结构能够获得比承载振膜反光面的外壳结构，有更大的变化量，进而可以实现，振膜反光面与光纤上端面的距离基本不变，即光纤法-珀腔的腔长基本不变，保证光纤法-珀腔结构的高稳定性，从而使光纤法-珀腔传声器探头具有良好的温度适应性；
(2)针对现有技术方案中光纤端面的固定结构容易直接受到外力的作用，使光纤端面的位置发生微小的变化，导致探头结构稳定性差的问题，本发明通过外套结构将插芯套包于其内部，避免插芯套直接受到外力的作用，同时利用激光焊接工艺将插芯套与外壳焊接在一起，形成可靠的连接，从而使光纤法-珀腔传声器探头具有良好的稳定性；
(3)结构简单，体积小，制作容易，成本低；
附图说明
图1为根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头结构剖面示意图；
图2为根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头外壳结构剖面示意图；
图3为根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头插芯套三维结构示意图；
图4为常规光纤法-珀腔传声器探头在不同温度下的干涉光谱；
图5为根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头在不同温度下的干涉光谱；
图6为根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头的腔长随时间的变化关系。
图7为根据本发明第二实施例一种光纤法-珀腔传声器探头结构剖面示意图；
图8为根据本发明第二实施例一种光纤法-珀腔传声器探头光纤插芯结构示意图；
【本发明主要元件符号说明】
1-外壳 402-通气槽
101-外壳内螺纹 403-工装固定孔
102-固定螺丝孔 404-底部圆台
2-振膜 5-外套
201-振膜反光面 6-光纤
3-光纤插芯 601-光纤上端面
301-陶瓷或金属 7-前罩
302-硬质聚合物 701-入声孔
4-插芯套 8-固定螺丝
401-插套外螺纹
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，为所述技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可以提供包含特定值的参数示范，但应了解，参数无需确切等于相应值，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”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[第一实施例]
在本发明的第一个示范性实施例中，提供了一种光纤法-珀腔传声器探头。第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头结构剖面示意图，如图1所示，本实施例一种光纤法-珀腔传声器探头包括：外壳1、振膜2、光纤插芯3、插芯套4、外套5、光纤6、前罩7和固定螺丝8。
以下针对第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头的各部分进行详细说明。
第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头包括：
外壳1，如图2所示为根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头外壳结构剖面示意图，为一中空结构，其内壁中部设有外壳内螺纹101，所述的外壳1下部垂直于轴的方向设有固定螺丝孔102，孔的个数为2-4个，沿圆周均匀分布；
振膜2，为一薄膜，设置于外壳1前端，用于敏感声波，其朝向外壳内部一侧的面具有反光作用，作为光纤法-珀腔结构的一个反光面201；
光纤插芯3，为一中空柱状结构，由单一材料构成，或不同材料串联复合构成；
插芯套4，为一中空圆柱结构，如图3所示为根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头插芯套三维结构示意图，其中部外侧面设有插芯套外螺纹401，其侧面从螺纹顶部至插芯套末端设有通气槽402，用于振膜两侧静压均衡；其底部为一圆台404，在底部圆台下端面设有工装固定孔403，利用工装，通过工装固定孔403将所述插芯套4安装于外壳1内部；所述的插芯套4安装于所述外壳1内部，其朝向振膜2的一侧用于安装光纤插芯3，所述的插芯套4的安装完成后，底部圆台404的外侧面与外壳1底部内表面相接触，其接触缝利用激光焊接工艺焊接，从而使插芯套4与外壳1形成可靠的连接，提高结构的稳定性。
外套5，为一两端开口的帽状结构，从外壳1的下端安装于外壳1外部，将插芯套4包于其内部，从而避免插芯套4直接受到外力的作用；
光纤6，由外套5经由所述的插芯套4，固定于光纤插芯3内，光纤上端面601作为光纤法-珀腔结构的另一反光面；
前罩7，从振膜一侧安装在外壳1的外部，用于保护振膜2，其顶端开有入声孔701；
固定螺丝8，其个数与固定螺丝孔102的个数一致，安装于固定螺丝孔102内，用于辅助固定插芯套4。
所述的振膜的反光面201为振膜本身朝向外壳内部的面；或所述的振膜的反光面201为镀于振膜朝向外壳内部一侧的金属反射层或介质反射层。
所述的光纤插芯3由单一材料构成，为陶瓷插芯或金属插芯；或所述光纤插芯3由不同材料串联复合构成，为陶瓷或金属301与硬质聚合物302串联复合构成；
所述光纤6为单模光纤或保偏光纤。
所述的振膜2为以下膜片中的一种：金属膜片、硅膜片、氮化硅膜片、二氧化硅膜片、玻璃膜片、有机聚合物膜片。
所述外壳1、插芯套4由以下材料其中的一种或几种金属材料制备：不锈钢、钛、铜、铝、铝合金、钛合金、镍铜合金、镍铬合金。
在本实施例中，外壳材料选用钛合金材料，其热膨胀系数约为9×10-6/℃，其下部的固定螺丝孔为4个；振膜选用金属镍膜片，振膜反光面为金属镍膜朝向外壳内部一侧的面；光纤插芯为单一材料氧化锆陶瓷插芯，其热膨胀系数约为9.65×10-6/℃；光纤为单模光纤；插芯套选用镍铜合金材料，其热膨胀系数约为14.4×10-6/℃。根据以上数据，插芯套-光纤插芯形成的组合结构的热膨胀系数大于外壳的热膨胀系数，这样，承载光纤上端面的结构在外界温度发生变化时，能够获得比承载振膜反光面的外壳结构，有更大的变化量，进而可以实现，振膜反光面与光纤上端面的距离基本不变，保证光纤法-珀腔结构的高稳定性，从而使光纤法-珀腔传声器具有良好的温度适应性。
常规的光纤法-珀腔传声器探头的温度适性差，是因为光纤法-珀腔的腔长会随温度变化而发生变化，从而导致干涉光谱发生漂移。如图4所示为实验中记录的常规光纤法-珀腔传声器探头在不同温度下的干涉光谱，从图中可以看出，随着温度的变化，干涉光谱发生了明显的偏移。
本发明一种光纤法-珀腔传声器探头具有良好的温度适应性，这是因为插芯套-光纤插芯形成的组合结构的热膨胀系数大于外壳的热膨胀系数，这样，承载光纤上端面的结构在外界温度发生变化时，能够获得比承载振膜反光面的外壳结构，有更大的变化量，进而可以实现，振膜反光面与光纤上端面的距离基本不变，保证光纤法-珀腔结构的高稳定性。如图5所示为实验中记录的根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头在不同温度下的干涉光谱，从图中可以看出，在温度发生变化时，干涉光谱基本重合，稳定性高。
本发明一种光纤法-珀腔传声器探头还具有良的长期稳定性，这是因为固定光纤端面的插芯套结构安装于外壳内部，插芯套底部圆台与外壳底部通过激光焊接工艺焊接，将插芯套牢固地固定于外壳内，同时利用外套将插芯套包于其中，从而避免插芯套直接受到外力的作用，从而提高了光纤法-珀腔传声器探头的长期稳定性。如图6所示，为实验中记录的根据本发明第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头的腔长随时间的变化关系，从图中可以看出，在30多天的测试时间内，光纤法-珀腔的长度没有发生明显的变化，从图中可以看出，在30多天的测试时间内，光纤法-珀腔的长度没有发生明显的变化，图6中的纵坐标一个刻度表示的长度为100nm，从图6可知，腔长在30多天内的波动值小于15nm，该值引起的工作点偏离正交工作点的偏移量小于10％，这足够保证本发明一种光纤法-珀腔传声器探头可靠的工作。
[第二实施例]
本发明第二实施例一种光纤法-珀腔传声器探头结构剖面示意图如图7所示，与第一实施例一种光纤法-珀腔传声器探头的区别在于：
外壳材料为镍铜合金，其热膨胀系数约为14.4×10-6/℃；插芯套为镍铜合金，其热膨胀系数约为14.4×10-6/℃；光纤插芯3由不同材料串联复合构成，为硬质聚合物环氧树脂301与氧化锆陶瓷302串联复合构成，其中环氧树脂的热膨胀系数约为54.77×10-6/℃，氧化锆陶瓷热膨胀系数约为9.65×10-6/℃，通过控制硬质聚合物环氧树脂和氧化锆陶瓷的比例，得到由氧化锆陶瓷301与硬质聚合物环氧树脂302串联复合形成的光纤插芯3的热膨胀系数为20.2×10-6/℃。根据以上数据，插芯套-光纤插芯形成的组合结构的热膨胀系数大于外壳的热膨胀系数，这样，承载光纤上端面的结构在外界温度发生变化时，能够获得比承载振膜反光面的外壳结构，有更大的变化量，进而可以实现，振膜反光面与光纤上端面的距离基本不变，保证光纤法-珀腔结构的高稳定性，从而使光纤法-珀腔传声器具有良好的温度适应性。
当光纤插芯为陶瓷或金属与硬质聚合物串联复合构成时，光纤插芯的热膨胀系数由两种材料的热膨胀系数和两种材料的比例决定。如图8所示为根据本发明第二实施例一种光纤法-珀腔传声器探头光纤插芯结构示意图，其中硬质聚合物的热膨胀系数为α21、其长度为L21，陶瓷或金属的热膨胀系数为α22、其长度为L22，则复合光纤插芯的热膨胀系数α由下式获得：
通过上式，可以选用合适的材料，并通过控制其比例，实现热膨胀系数的调控，从而保证插芯套-光纤插芯形成的组合结构的热膨胀系数大于外壳的热膨胀系数。
上述具体实施例，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。
综上所述，本发明一种光纤法-珀腔传声器探头，具有结构简单、易于制作、稳定性好的优点，有良好的应用前景。
Claims (8)
1.一种光纤法-珀腔传声器探头，其特征在于包括：
外壳，为一中空结构，其内壁中部设有螺纹；
振膜，为一薄膜，设置于外壳前端，用于敏感声波，其朝向外壳内部一侧的面具有反光作用，作为光纤法-珀腔结构的一个反光面；
光纤插芯，为一中空柱状结构，由单一材料构成，或不同材料串联复合构成；
插芯套，为一中空圆柱结构，中部外侧面设有螺纹，所述的插芯套安装于所述外壳内部，其朝向振膜的一侧用于安装光纤插芯；
外套，为一两端开口的帽状结构，从外壳的下端安装于外壳外部，将插芯套包于其内部；
光纤，由外套经由所述的插芯套，固定于光纤插芯内，其上端面作为光纤法-珀腔结构的另一反光面。
在所述的光纤法-珀腔传声器探头结构中，振膜反光面与光纤上端面构成光纤法-珀腔，插芯套-光纤插芯形成的组合结构的热膨胀系数大于外壳的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的一种光纤法-珀腔传声器探头，其特征在于，所述的振膜的反光面为振膜本身朝向外壳内部的面；
或所述的振膜的反光面为镀于振膜朝向外壳内部一侧的金属反射层或介质反射层。
3.根据权利要求1所述的一种光纤法-珀腔传声器探头，其特征在于，所述的插芯套，其侧面从螺纹顶部至插芯套末端设有通气槽；其底部为一圆台，在底部圆台下端面设有工装固定孔，利用工装，通过工装固定孔将所述插芯套安装于外壳内部，安装完成后，底部圆台的外侧面与外壳底部内表面相接触，其接触缝利用激光焊接工艺焊接，从而使插芯套与外壳形成可靠的连接。
4.根据权利要求1所述的一种光纤法-珀腔传声器探头，其特征在于，所述的光纤插芯由单一材料构成，为陶瓷插芯或金属插芯；
或所述光纤插芯由不同材料串联复合构成，为陶瓷或金属与硬质聚合物串联复合构成。
5.根据权利要求1所述的一种光纤法-珀腔传声器探头，其特征在于，所述光纤为单模光纤或保偏光纤。
6.根据权利要求1所述的一种光纤法-珀腔传声器探头，其特征在于，所述的振膜为以下膜片中的一种：金属膜片、硅膜片、氮化硅膜片、二氧化硅膜片、玻璃膜片、有机聚合物膜片。
7.根据权利要求1所述的一种光纤法-珀腔传声器探头，其特征于所述的外壳下部垂直于轴的方向设有固定螺丝孔，孔的个数为2-4个，沿圆周均匀分布；还包括固定螺丝，其个数与固定螺丝孔的个数一致，安装于固定螺丝孔内，用于固定插芯套；前罩，从振膜一侧安装在外壳的外部，其顶端开有入声孔。
8.根据权利要求1所述的一种光纤法-珀腔传声器探头，其特征在于，所述外壳、插芯套由以下材料其中的一种或几种金属材料制备：不锈钢、钛、铜、铝、铝合金、钛合金、镍铜合金、镍铬合金。
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