CN110849463B - 一种水声传感光缆及其增敏涂敷方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，公开了一种水声传感光缆，包括光纤层、增敏层、抗拉层以及密封层；增敏层采用梯度功能材料，所述梯度功能材料涂敷于所述光纤层上，且所述梯度功能材料的弹性模量与声阻抗系数沿光缆径向由内向外逐渐减小，所述抗拉层涂敷于所述增敏层上，所述密封层套设于所述抗拉层上。本发明采用梯度功能材料涂敷于光纤层上形成增敏层，增敏层在光纤层和抗拉层之间起到中间过渡的作用，使得光纤层到外部的抗拉层的弹性模量与声阻抗系数逐渐变化，达到与内外层之间良好耦合的效果，增加受到水声声压作用时光纤纤芯的形变，同时降低不同介质声阻抗突变导致的声反射与散射，提高水声传感光缆的响应幅度、测量灵敏度。

Description

一种水声传感光缆及其增敏涂敷方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种水声传感光缆及其增敏涂敷方法。

背景技术

采用光纤光学方法进行水声探测具有高灵敏度、抗电磁干扰、传感探头无源安全可靠、易于组网等众多优势，同时还可实现对声波信号的远距离探测，因此水声传感光缆在水下目标探测、海底石油监测、海洋观测网等领域具有非常重要的应用前景。

当前水声传感光缆，在传感原理上大多采用干涉法进行分布式传感，单个传感基元通过封装进而成缆连接，为了实现传感器灵敏度增敏，大多在结构设计上开发，从而导致水声传感光缆整体尺寸较大、结构复杂、成本较高。例如公开号为CN103438979A的发明专利提供了一种光纤水听器固定装置，通过减少轴向振动的方式降低了工作噪声影响，但该光纤水听器固定装置的结构复杂、尺寸较大，只是降低了外界噪声的干扰，不能直接提高光缆本身的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种水声传感光缆及其增敏涂敷方法，解决现有技术中水声传感光缆灵敏度差、尺寸大的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种水声传感光缆，包括光纤层、增敏层、抗拉层以及密封层；所述增敏层采用梯度功能材料，所述梯度功能材料涂敷于所述光纤层上，且所述梯度功能材料的声阻抗系数沿光缆径向由内向外逐渐减小，所述抗拉层涂敷于所述增敏层上，所述密封层套设于所述抗拉层上。

本发明还提供一种水声传感光缆的增敏涂敷方法，包括以下步骤：

将梯度功能材料涂敷于光纤层上作为增敏层，且所述梯度功能材料的声阻抗系数沿光缆径向由内向外逐渐减小；

将抗拉层涂敷于所述增敏层上；

将密封层套设于所述抗拉层上。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：由于光纤层和抗拉层的作用不同，因此材质不同，而水声信号在不同介质中传输时易发生反射、散射等效应，因此本发明采用梯度功能材料涂敷于光纤层上形成增敏层，增敏层位于光纤层和抗拉层之间，梯度功能材料的声阻抗沿光缆径向由光纤层向抗拉层逐渐减小，起到中间过渡的作用，使得光纤层到外部的抗拉层的声阻抗逐渐变化，而不是骤然变化，从而使得光纤层和抗拉层的属性相匹配，达到与内外层之间良好耦合的效果，保证声信号最大效率耦合到传感光路中，这种声阻抗的逐渐变化能够保证水声信号透声效率，降低不同介质声阻抗突变导致的声反射与散射，提高水声传感光缆的响应幅度、测量灵敏度。同时涂敷增敏层不会对水声传感光缆的体积造成过大的改变。

附图说明

图1是本发明提供的水声传感光缆一实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的增敏层一实施方式的截面示意图；

图3是本发明提供的增敏层的声阻抗系数以及弹性模量值一实施方式的变化规律图；

图4是本发明提供的水声传感光缆一实施方式的增敏仿真效果图；

图5是本发明提供的水声传感光缆的增敏涂敷方法的流程图。

附图标记：

1、光纤层，2、光栅，3、增敏层，4、抗拉层，5、透声介质，6、护套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了水声传感光缆，其特征在于，以下简称光缆或本光缆，包括光纤层1、增敏层3、抗拉层4以及密封层；所述增敏层3采用梯度功能材料，所述梯度功能材料涂敷于所述光纤层1上，且所述梯度功能材料的声阻抗系数沿光缆径向由内向外逐渐减小，所述抗拉层4涂敷于所述增敏层3上，所述密封层套设于所述抗拉层4上。

水声传感光缆主要通过光纤层1实现水声传感，由于光纤层1的机械强度和抗拉力较弱，因此需要在光纤层1外涂敷抗拉层4以增强光缆的机械强度和抗拉性能。由于抗拉层4需要起到抗拉作用，因此其采用的材料介质必然与光纤层1不一样。而相邻层的两种不同材料介质的声阻抗匹配性越高，声反射越小，水声传感灵敏度更高，所以抗拉层4的涂敷无疑会降低水声传感光缆的灵敏度。因此需要在光纤层1与抗拉层4之间增加增敏层3，增敏层3起到声阻抗过渡匹配的作用，用于水声信号的拾取与放大增敏。对于增敏层3而言，前后接触层材料介质不同，即向内接触光纤层1，向外接触抗拉层4，因此如果选用单一材质的增敏层3，其增敏效果相对一般，特别是随着涂敷厚度的增加单一材质的增敏层3的增敏效果不再明显提高。因此本发明实施例选取梯度功能材料涂敷形成增敏层3，梯度功能材料是多种材料复合且成分和属性呈连续梯度变化的一种新型复合材料，能够克服单一材料的增敏层3的声阻抗属性与光纤层1不匹配，导致增敏效果不理想的问题，可以突破单一材料涂敷增敏时随着涂敷厚度增加时声压增敏效果的局限性。图2示出了增敏层3的层状结构，增敏层3的各分层的声阻抗系数沿箭头方向逐渐减小。具体的，增敏层3的梯度功能材料由内向外声阻抗系数应逐渐过渡，满足由内向外依次匹配光纤层1与抗拉层4，使得光纤层1到外部的抗拉层4的声阻抗逐渐变化，而不是骤然变化，从而使得光纤层1和抗拉层4的声阻抗属性相匹配，达到与内外层之间良好耦合的效果，保证声信号最大效率耦合到传感光路中，能够增加内部光纤层1形变程度从而提高对水声信号的响应幅度，极大地提高了水声传感光缆的灵敏度。同时涂敷增敏层3不会过分增大水声传感光缆的体积，且结构简单，成本低廉。

优选的，所述梯度功能材料的弹性模量值沿光缆径向由内向外逐渐减小。

光缆受拉力作用时易产生轴向形变破坏光纤层1结构，增敏层3与光纤层1相连，弹性模量较小的材料制成的增敏层3能增大水听器响应灵敏度，但弹性模量较小的材料易产生形变，因此直接选用弹性模量较小的聚合物涂敷，容易导致水声传感光缆在拖曳过程中造成不可逆的结构形变，进而破坏水声传感光缆阵列。因此本实施例中将梯度功能材料的弹性模量值设置为沿光缆径向由内向外逐渐减小，梯度功能材料中弹性模量相对较大的部分刚度较大，具备一定的机械强度，从而起到保护最内层的光纤层1的作用，保证光缆在满足保护光纤层1作用的同时兼具较大灵敏度响应。现有技术中有在光纤上涂敷聚氨酯材料实现增敏的方法，聚氨酯材料虽然可以实现一定程度上的增敏，但是光纤层1、聚氨酯材料层和抗拉层4分别具有不同的机械强度，使得各层之间的抗拉能力无法很好的耦合，从而使得光缆整体结构的机械强度较差，特别是光缆在进行拖拽时容易发生光纤折损，无法保证稳定的工作状态。此外，增敏层3涂敷时使用弹性模量梯度逐渐变化的梯度功能材料，起到弹性模量过渡的作用，降低不同介质弹性模量突变导致的声反射与散射，提高水声传感光缆的响应幅度，克服了单一材料的增敏层3存在的涂敷增敏效果具有局限性的问题，即随着涂敷厚度增加声压增敏效果不再大幅度增加的问题。

以下对本发明提供的水声传感光缆的灵敏度进行具体仿真分析，以证明其灵敏度的提升效果。

光纤层1通过增敏层3中间过渡的梯度功能材料完成涂敷增敏，梯度功能材料的声阻抗系数的逐渐变化趋势以及弹性模量变化趋势可以有不同的形式，图3中示出了三种不同的变化趋势，Ⅰ型为梯度曲率变化类型、Ⅱ型为梯度线性非连续变化类型、Ⅲ型为梯度曲率单调变化类型。本实施例采用梯度曲率变化类型。增敏层3采用功能梯度变化的复合材料进行梯度涂敷，涂敷过程中涂敷厚度与声压灵敏度直接相关，具体关系表达式为

式中：M为声压灵敏度，

为声压作用下光纤相位变化量，P为水声声压，λ为光波中心波长，L为光纤传感器的长度，n为光纤传感器的折射率，p₁₁p₁₂为光纤的弹光系数，ν'为涂敷层的泊松比，ν为被涂敷层的泊松比；E'为涂敷层的杨氏模量，E为被涂敷层的杨氏模量，其中，E'＝E-ΔE；R为涂敷后半径；r为涂敷前半径，此时R-r为涂敷厚度。

根据上式可计算出预估灵敏度与涂敷材料及其厚度的关系。图4所示为仿真结果，在图4中梯度功能材料杨氏模量选取变化范围ΔE为0～1000MPa、涂敷厚度R-r变化范围为0～2000μm，由图4可知随着涂敷厚度增加，声压灵敏度可大幅度提高，同时弹性模量梯度变化时，会使声压灵敏度继续增加10dB以上，体现了本发明的增敏有效性。

由于相邻层的两种介质特性声阻抗匹配性越高，声反射越小。已知声波穿过不同介质在界面上声强反射系数R_I可以表示为：

R_I＝-((z₂-z₁)/(z₂+z₁))²

式中：z₁、z₂分别为两种介质的特性声阻抗系数。

而特征声阻抗系数作为传播介质时的表达式为：

z＝ρc

式中：z为声阻抗系数，ρ为介质密度，c为声波在介质中速度。

对于增敏层3而言，多次梯度涂敷情况下为最大限度减小与增敏层3外部环境的声阻抗，因此在涂层选取上需先进行不同材料声阻抗计算。为便于计算，将不同材料介质分为N层进行离散分析，利用声波阻抗定义可得声阻抗变化率与声压之间关系为：

其中，

式中：p(x,t)为声压，a(x)为介质声阻抗的相对变化率，C(x)为声阻抗变化率，x为介质层。

此时利用不同介质层传递矩阵组成传递函数，介质共有N层，每层介质传递矩阵G(x,x_N)表示为：

式中：

k为波束，k＝ω/c，x_i为第i层介质，i＝1,2,…,N则对于增敏层3声阻抗梯度变化涂层而言，该层总传递函数G_m为：

考虑光纤层1和抗拉层4、密封层的两边边界条件，可得声波反射系数为：

式中：Z₁、Z₃分别为光纤层1和抗拉层4、密封层的两边的介质层声阻抗，即分别为液晶环氧树脂与轻蜡油的声阻抗，此时介质吸声系数即为1-R²。因此设计增敏层3梯度涂层时，其声阻抗需由内到外梯度变化，进而得到良好的吸声系数，达到最大限度透声效率。

对于抗拉层4和外层充轻蜡油的密封层聚酯型软管保证密封性的同时兼顾水声耦合效率。

根据以上方法。为进行水声传感光缆制备，内层为裸光纤光栅，经过涂敷多层声阻抗系数梯度变化的聚氨酯涂层，凯夫拉绳编织形成抗拉层4，利用聚酯型软管实现封装形成护套6，在护套6与抗拉层4件填充轻蜡油作为透声介质5，构成直径低至9mm以内超细线水声传感光缆。

具体的，本实施例中抗拉层4采用轴向应力承受力较大的抗拉材料制备，其承载了光缆外部拉力，并增加整体结构强度，同时其作为光纤层1与密封层之间的缓冲层，抗拉层4的涂敷厚度与光缆整体所需机械强度与抗拉力大小有关，因此抗拉层4的涂敷厚度根据机械强度和抗拉力的需求进行设定即可。密封层起到密封保护作用，保证透声性的同时完成水声传感光缆的涂敷封装，使水声传感光缆与外部环境隔离。成缆结构简单，光缆整体直径较小便于无人平台搭载。

本发明在光纤层1上使用梯度功能材料涂敷形成光缆的增敏层3，并辅以抗拉层4和密封层形成一种兼具高透声性、高机械强度和高声压灵敏度的水声传感光缆。克服了传统单一材料涂敷存在增敏效果不理想等问题，极大简化了封装结构，保证光缆灵敏度提高的同时兼顾不同介质水声耦合效率。

优选的，所述梯度功能材料与所述光纤层1接触的接触面的声阻抗系数与所述光纤层1的声阻抗系数的差值在第一设定阈值范围内，所述梯度功能材料与所述光纤层1接触的接触面的弹性模量值与所述光纤层1的弹性模量值的差值在第二设定阈值范围内。

增敏层3涂敷时，在与光纤层1的接触面上，其声阻抗系数和弹性模量保持和光纤层1基本一致，缓慢过渡，从而实现内外各层更好耦合。最佳的是，梯度功能材料与光纤层1接触的接触面的声阻抗系数与光纤层1的声阻抗系数相等，梯度功能材料与光纤层1接触的接触面的弹性模量值与光纤层1的弹性模量值相等，从而保证内外各层最大程度上的耦合。

优选的，所述光纤层1为裸光纤或裸光纤光栅。

本实施例中光纤层1层为裸光纤光栅，裸光纤光栅中包含光栅2。

优选的，所述密封层包括护套6和透声介质5，所述护套6套设于所述抗拉层4上，所述透声介质5填充于所述护套6与所述抗拉层4之间。

密封层通过护套6内部填充透声介质5与内部增敏层3和抗拉层4相连，护套6内部填充透声介质5实现光缆透声性，保证透声性的同时对水声传感光缆实现封装保护。

实施例2

如图5所示，本发明的实施例2提供了水声传感光缆的增敏涂敷方法，包括以下步骤：

S1、将梯度功能材料涂敷于光纤层1上作为增敏层3，且所述梯度功能材料的声阻抗系数沿光缆径向由内向外逐渐减小；

S2、将抗拉层4涂敷于所述增敏层3上；

S3、将密封层套设于所述抗拉层4上。

本发明实施例提供的水声传感光缆的增敏涂敷方法，用于实现水声传感光缆的增敏层3涂敷，因此上述水声传感光缆所具备的技术效果，水声传感光缆的增敏涂敷方法同样具备，在此不再赘述。

优选的，所述梯度功能材料的弹性模量值沿光缆径向由内向外逐渐减小。

优选的，所述梯度功能材料与所述光纤层1接触的接触面的声阻抗系数与所述光纤层1的声阻抗系数的差值在第一设定阈值范围内，所述梯度功能材料与所述光纤层1接触的接触面的弹性模量值与所述光纤层1的弹性模量值的差值在第二设定阈值范围内。

优选的，所述光纤层1为裸光纤或裸光纤光栅。

优选的，将密封层套设于所述抗拉层4上，具体包括：

将护套6套设于所述抗拉层4上，在所述护套6与所述抗拉层4之间填充透声介质5。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水声传感光缆，其特征在于，包括光纤层、增敏层、抗拉层以及密封层；所述增敏层采用梯度功能材料，所述梯度功能材料涂敷于所述光纤层上，且所述梯度功能材料的声阻抗系数以及弹性模量值沿光缆径向由内向外逐渐减小，所述抗拉层涂敷于所述增敏层上，且所述抗拉层与所述光纤层的材料介质不一样，所述密封层套设于所述抗拉层上；

所述增敏层采用梯度功能材料进行涂敷过程中涂敷厚度与声压灵敏度相关，具体关系表达式为：

式中：M为声压灵敏度，

为声压作用下光纤相位变化量，P为水声声压，λ为光波中心波长，L为光纤的长度，n为光纤的折射率，p₁₁,p₁₂为光纤的弹光系数，ν'为涂敷层的泊松比，ν为被涂敷层的泊松比；E'为涂敷层的杨氏模量，E为被涂敷层的杨氏模量，其中，E'＝E-ΔE；R为涂敷后半径；r为涂敷前半径，此时R-r为涂敷厚度。

2.根据权利要求1所述的水声传感光缆，其特征在于，所述梯度功能材料与所述光纤层接触的接触面的声阻抗系数与所述光纤层的声阻抗系数的差值在第一设定阈值范围内，所述梯度功能材料与所述光纤层接触的接触面的弹性模量值与所述光纤层的弹性模量值的差值在第二设定阈值范围内。

3.根据权利要求1所述的水声传感光缆，其特征在于，所述光纤层为裸光纤或裸光纤光栅。

4.根据权利要求1所述的水声传感光缆，其特征在于，所述密封层包括护套和透声介质，所述护套套设于所述抗拉层上，所述透声介质填充于所述护套与所述抗拉层之间。

5.一种水声传感光缆的增敏涂敷方法，其特征在于，包括以下步骤：

将梯度功能材料涂敷于光纤层上作为增敏层，且所述梯度功能材料的声阻抗系数以及弹性模量值沿光缆径向由内向外逐渐减小；

将抗拉层涂敷于所述增敏层上；

将密封层套设于所述抗拉层上；

其中，所述抗拉层与所述光纤层的材料介质不一样；

所述增敏层采用梯度功能材料进行涂敷过程中涂敷厚度与声压灵敏度相关，具体关系表达式为：

式中：M为声压灵敏度，

为声压作用下光纤相位变化量，P为水声声压，λ为光波中心波长，L为光纤的长度，n为光纤的折射率，p₁₁,p₁₂为光纤的弹光系数，ν'为涂敷层的泊松比，ν为被涂敷层的泊松比；E'为涂敷层的杨氏模量，E为被涂敷层的杨氏模量，其中，E'＝E-ΔE；R为涂敷后半径；r为涂敷前半径，此时R-r为涂敷厚度。

6.根据权利要求5所述的水声传感光缆的增敏涂敷方法，其特征在于，所述梯度功能材料与所述光纤层接触的接触面的声阻抗系数与所述光纤层的声阻抗系数的差值在第一设定阈值范围内，所述梯度功能材料与所述光纤层接触的接触面的弹性模量值与所述光纤层的弹性模量值的差值在第二设定阈值范围内。

7.根据权利要求5所述的水声传感光缆的增敏涂敷方法，其特征在于，所述光纤层为裸光纤或裸光纤光栅。

8.根据权利要求5所述的水声传感光缆的增敏涂敷方法，其特征在于，将密封层套设于所述抗拉层上，具体包括：

将护套套设于所述抗拉层上，在所述护套与所述抗拉层之间填充透声介质。

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