CN109932048B - 一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头，采用三层薄壁筒套叠中空自由溢水式结构，自内向外分别为内光纤环支撑薄壁筒、外光纤环支撑薄壁筒以及保护外壳。内光纤环支撑薄壁筒以及保护外壳上打有通声孔，保证透声性能。外光纤环支撑薄壁筒上打有通气孔，使内外光纤环之间形成空气腔；基于空气腔设计了静水压自平衡系统；内外光纤环感受水声而产生的形变方向相反，且位于水听器干涉仪不同臂，形成推挽式差动结构。本发明具有声压相位灵敏度高、灵敏度不随水声变化等特点。

Description

一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于双层膜差动结构的光纤水听器探头结构。

背景技术

声波是在海洋中唯一能够远距离传播的能量形式，水声技术是当前研究和探索海洋的主要手段，水听器则是海洋中检测声波信号的基本器件。基于光纤传感原理的光纤水听器作为一种新型的水声探测器件，从其诞生之日起就展现出传统压电水听器无法比拟的优越性，如灵敏度高、带宽较宽、频响特性好、耐静水压、“湿端”全光、稳定性高、光缆更轻更小、耐高温、抗腐蚀性、传输距离远、可大规模复用等，已逐步取代传统的压电水听器成为水下声信号探测的主要手段。

在技术上，光纤水听器可分为强度型、偏振态型、相位干涉型和光纤光栅型，光纤激光器型等。其中强度和偏振型不适合组成传感器阵列，干涉型传感探头的设计方案成为主要研究方向。主要有芯轴型、平面型、椭球型、全向型和微弯型等，由于结构复杂、灵敏度低或者抗加速度响应性能低等原因，芯轴型以外的探头类型研究不多。光纤水听器探头作为系统的最前端，其灵敏度、频率响应、稳定性、抗加速度性能等决定了系统能否在复杂的水下环境中探测到有效的水声信号。水听器探头的设计及制造水平，对光纤水听器技术最终能否实用化至关重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于差动结构的光纤水听器探头，并采用静水压自平衡技术，在增加探头对声音的灵敏度的同时保证，保持水听器探头在不同水深下灵敏度相同。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头，包括外光纤环、外透声层、外壳透声孔、保护外壳、光纤过孔、通气孔、内光纤环、内透声层、内层透声孔、内光纤环支撑薄壁筒、空气腔、外光纤环支撑薄壁筒、气嘴、充气装置、刚性基座、尾纤、光纤绕环胶、光纤、内层薄膜、外层薄膜；

所述光纤水听器探头采用三层薄壁筒套叠中空自由溢水式结构，自内向外分别是内光纤环支撑薄壁筒、外光纤环支撑薄壁筒和保护外壳，三者套叠与刚性基座连接，连接具有良好的气密性和水密性；

所述外光纤环和内光纤环分别套在外光纤环支撑薄壁筒和内光纤环支撑薄壁筒上，两薄壁筒相套，外光纤环和内光纤环之间形成空气腔；外光纤环支撑薄壁筒筒壁上具有多个通气孔，保证空气腔中空气流通；

所述外光纤环支撑薄壁筒、内光纤环支撑薄壁筒和刚性基座上开有光纤过孔，外光纤环的尾纤、内光纤环的尾纤穿过光纤过孔后，分别接入水听器干涉仪的不同臂；

所述保护外壳壁上有若干外壳透声孔，内光纤环支撑薄壁筒筒壁上有若干内层透声孔；外光纤环和保护外壳之间空隙填充外透声层，内光纤环和内光纤环支撑薄壁筒之间空隙填充内透声层，外透声层和内透声层将水听器探头密封，起透声和保护作用；

所述气嘴一端与充气装置连接，另一端与空气腔连通，构成静水压自平衡系统。

进一步地，所述水听器探头置于水中时，即会形成水—外光纤环—空气腔—内光纤环—水结构，外光纤环外侧为水，内侧为空气；内光纤环与之相反，外侧为空气，内侧为水。在水声的作用下，外光纤环被压缩变短，内光纤环则被拉长，且两光纤环连接水听器干涉仪的不同臂，构成推挽式差动结构，增加了水听器探头的相位灵敏度。

进一步地，所述外光纤环和内光纤环结构材料相同，尺寸不同，均包括光纤绕环胶、光纤、内层薄膜、外层薄膜，光纤通过光纤绕环胶固化在内层薄膜上，再套上外层薄膜。

进一步地，所述内层薄膜和外层薄膜材料为乳胶或者橡胶等弹性模量较小的材料，厚度<0.05mm，起敏感声音及保护作用。

进一步地，所述静水压自平衡系统中充气装置外壳采用弹性材料，当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，外部水压大于内部气压时，充气装置受压通过气嘴将空气向内挤压至空气腔，反之空气则被向外挤压，直至内外压力相等达到平衡状态，光纤环不因静水压力的变化而产生形变。

进一步地，所述水听器干涉仪包括Mach-Zehnder型干涉仪和Michelson型干涉仪。

本发明的有益效果为：本发明光纤水听器探头基于双层差动结构，引入空气腔，采用各种增敏措施大大提高了水听器的声压相位灵敏度，并通过压力平衡装置克服了水听器灵敏度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。

附图说明

图1是一种基于双层膜差动结构的干涉型光纤水听器探头结构示意框图；

图2是光纤环结构局部放大示意图；

图中，外光纤环1、外透声层2、外壳透声孔3、保护外壳4、光纤过孔5、通气孔6、内光纤环7、内透声层8、内层透声孔9、内光纤环支撑薄壁筒10、空气腔11、外光纤环支撑薄壁筒12、气嘴13、充气装置14、刚性基座15、尾纤16、光纤绕环胶17、光纤18、内层薄膜19-1、外层薄膜19-2。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面结合附图1-2说明一种具体的实施方式。

本发明提供的一种基于双层膜差动结构的干涉型光纤水听器探头，如图1-2所示，包括外光纤环1、外透声层2、外壳透声孔3、保护外壳4、光纤过孔5、通气孔6、内光纤环7、内透声层8、内层透声孔9、内光纤环支撑薄壁筒10、空气腔11、外光纤环支撑薄壁筒12、气嘴13、充气装置14、刚性基座15、尾纤16、光纤绕环胶17、光纤18、内层薄膜19-1、外层薄膜19-2；

所述光纤水听器探头采用三层薄壁筒套叠中空自由溢水式结构，自内向外分别是内光纤环支撑薄壁筒10、外光纤环支撑薄壁筒12和保护外壳4，三者套叠与刚性基座15连接，连接具有良好的气密性和水密性；

所述外光纤环1和内光纤环7分别套在外光纤环支撑薄壁筒12和内光纤环支撑薄壁筒10上，两薄壁筒相套，外光纤环1和内光纤环7之间形成空气腔11；外光纤环支撑薄壁筒12筒壁上具有多个通气孔6，保证空气腔11中空气流通；

所述外光纤环支撑薄壁筒12、内光纤环支撑薄壁筒10和刚性基座15上开有光纤过孔5，外光纤环1的尾纤16、内光纤环7的尾纤16穿过光纤过孔5后，分别接入水听器干涉仪的不同臂；

所述保护外壳4壁上有若干外壳透声孔3，内光纤环支撑薄壁筒10筒壁上有若干内层透声孔9；外光纤环1和保护外壳4之间空隙填充外透声层2，内光纤环7和内光纤环支撑薄壁筒10之间空隙填充内透声层8，外透声层2和内透声层8将水听器探头密封，起透声和保护作用；透声层材料声阻抗与声波传输介质水的声阻抗相匹配，对声能损耗小，例如透声橡胶、聚氨酯材料、聚脲复合材料等。

所述气嘴13一端与充气装置14连接，另一端与空气腔11连通，构成静水压自平衡系统。

进一步地，所述水听器探头置于水中时，即会形成水—外光纤环1—空气腔11—内光纤环7—水结构，外光纤环1外侧为水，内侧为空气；内光纤环7与之相反，外侧为空气，内侧为水。在水声的作用下，外光纤环1被压缩变短，内光纤环7则被拉长，且两光纤环连接水听器干涉仪的不同臂，构成推挽式差动结构，增加了水听器探头的相位灵敏度。

进一步地，所述外光纤环1和内光纤环7结构材料相同，尺寸不同，均包括光纤绕环胶17、光纤18、内层薄膜19-1、外层薄膜19-2，光纤18通过光纤绕环胶17固化在内层薄膜19-1上，再套上外层薄膜19-2。光纤绕环胶17、光纤18、内层薄膜19-1、外层薄膜19-2四者形成厚度约0.4mm“三明治”结构，使用80135(包层80μm，涂覆层135μm)超细径光纤在厚度不到0.05mm的软橡胶薄套上绕制成环，并用超低弹性模量(1～4MPa)的紫外线绕环胶固化，实现了“在空气上绕光纤”的效果，同时在最外层套上相同的橡胶薄套，使水声经过通声孔直接作用在光纤环上，省去了灌胶过程，大大提高了探头的声压相位灵敏度。

进一步地，所述内层薄膜19-1和外层薄膜19-2材料为乳胶或者橡胶等弹性模量较小的材料，厚度<0.05mm，起敏感声音及保护作用。

进一步地，所述静水压自平衡系统中充气装置14外壳采用弹性材料，当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，外部水压大于内部气压时，充气装置14受压通过气嘴13将空气向内挤压至空气腔11，反之空气则被向外挤压，直至内外压力相等达到平衡状态，光纤环不因静水压力的变化而产生形变。通过平衡气腔压力的方式使水听器探头在不同水深对同一强度的声波信号输出保持一致，保证光纤水听器在不同水深下灵敏度相同，提高了信号的测量精度和可靠性；

进一步地，所述水听器干涉仪包括Mach-Zehnder型干涉仪和Michelson型干涉仪。

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权力要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动，例如在本发明的内外光纤环套叠差动结构的基础上，还可进一步成对扩展，改为4层、6层……2n层差动结构，直到尺寸达限。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头，其特征在于，包括外光纤环(1)、外透声层(2)、外壳透声孔(3)、保护外壳(4)、光纤过孔(5)、通气孔(6)、内光纤环(7)、内透声层(8)、内层透声孔(9)、内光纤环支撑薄壁筒(10)、空气腔(11)、外光纤环支撑薄壁筒(12)、气嘴(13)、充气装置(14)、刚性基座(15)、尾纤(16)、光纤绕环胶(17)、光纤(18)、内层薄膜(19-1)、外层薄膜(19-2)；

所述光纤水听器探头采用三层薄壁筒套叠中空自由溢水式结构，自内向外分别是内光纤环支撑薄壁筒(10)、外光纤环支撑薄壁筒(12)和保护外壳(4)，三者套叠与刚性基座(15)连接，连接具有良好的气密性和水密性；

所述外光纤环(1)和内光纤环(7)分别套在外光纤环支撑薄壁筒(12)和内光纤环支撑薄壁筒(10)上，两薄壁筒相套，外光纤环(1)和内光纤环(7)之间形成空气腔(11)；外光纤环支撑薄壁筒(12)筒壁上具有多个通气孔(6)，保证空气腔(11)中空气流通；

所述外光纤环支撑薄壁筒(12)、内光纤环支撑薄壁筒(10)和刚性基座(15)上开有光纤过孔(5)，外光纤环(1)的尾纤(16)、内光纤环(7)的尾纤(16)穿过光纤过孔(5)后，分别接入水听器干涉仪的不同臂；

所述保护外壳(4)壁上有若干外壳透声孔(3)，内光纤环支撑薄壁筒(10)筒壁上有若干内层透声孔(9)；外光纤环(1)和保护外壳(4)之间空隙填充外透声层(2)，内光纤环(7)和内光纤环支撑薄壁筒(10)之间空隙填充内透声层(8)，外透声层(2)和内透声层(8)将水听器探头密封，起透声和保护作用；

所述气嘴(13)一端与充气装置(14)连接，另一端与空气腔(11)连通，构成静水压自平衡系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头，其特征在于，所述水听器探头置于水中时，即会形成水—外光纤环(1)—空气腔(11)—内光纤环(7)—水结构，外光纤环(1)外侧为水，内侧为空气；内光纤环(7)与之相反，外侧为空气，内侧为水；在水声的作用下，外光纤环(1)被压缩变短，内光纤环(7)则被拉长，且两光纤环连接水听器干涉仪的不同臂，构成推挽式差动结构，增加了水听器探头的相位灵敏度。

3.根据权利要求1所述的一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头，其特征在于，所述外光纤环(1)和内光纤环(7)结构材料相同，尺寸不同，均包括光纤绕环胶(17)、光纤(18)、内层薄膜(19-1)、外层薄膜(19-2)，光纤(18)通过光纤绕环胶(17)固化在内层薄膜(19-1)上，再套上外层薄膜(19-2)。

4.根据权利要求3所述的一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头，其特征在于，所述内层薄膜(19-1)和外层薄膜(19-2)材料为乳胶或者橡胶等弹性模量较小的材料，厚度<0.05mm，起敏感声音及保护作用。

5.根据权利要求1所述的一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头，其特征在于，所述静水压自平衡系统中充气装置(14)外壳采用弹性材料，当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，外部水压大于内部气压时，充气装置(14)受压通过气嘴(13)将空气向内挤压至空气腔(11)，反之空气则被向外挤压，直至内外压力相等达到平衡状态，光纤环不因静水压力的变化而产生形变。

6.根据权利要求1所述的一种基于差动结构的干涉型光纤水听器探头，其特征在于，所述水听器干涉仪包括Mach-Zehnder型干涉仪和Michelson型干涉仪。

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