CN112629641B - 一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器及方法，包括一个套筒，套筒的两端连接有端盖，端盖的中部设有供光纤穿过的引出口；套筒的侧面设有用于感受声压的通孔，通孔的两端各设有一个沿套筒截面方向的结构相同的膜片，两个膜片之间构成声压传导通道；膜片包括外环和中间的硬芯；外环与套筒固定连接；外环与硬芯之间间隔连接，使得外环与硬芯之间构成环孔，外环、环孔和硬芯构成飞轮状；硬芯的中部设有供所述光纤通过和固定的硬芯通孔；还包括设有光栅的光纤，光纤从所述引出口和硬芯通孔中穿过，所述光栅悬空于所述声压传导通道中，且位于两个膜片之间的光纤部分设有预紧力。本发明采用飞轮状的双膜片，能适应静水压平衡问题，结构简单。

Description

一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器及方法
技术领域
本发明属于光纤光栅传感监测技术领域，具体涉及一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器及方法。
背景技术
光纤光栅水听器是一种建立在光纤传感技术、光电子技术基础上的水下声信号传感器，具有灵敏度高、响应频带宽、抗电磁干扰、可实现水下“湿端”无源探测等优点，是水声探测技术发展的重要方向，在军事和民用领域有着重要的应用。
目前，膜片式光纤光栅水听器多采用有源激光器作为传感元器件，相比于使用光纤光栅成本过高，不适用于大量使用。现流行的光纤光栅膜片式水听器多采用密封圆形膜片，用于海洋环境测量中存在需要平衡静水压问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器及方法，具有灵敏度高、结构简单、线性度好、精度高、阵列化容易、无需平衡静水压特点。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器，本水听器包括一个套筒，套筒的两端连接有两个端盖，端盖的中部设有供光纤穿过的引出口；套筒的侧面设有用于感受声压的通孔，通孔的两端各设有一个沿套筒截面方向的结构相同的膜片，两个膜片之间构成声压传导通道；
所述的膜片包括外环和中间的硬芯；外环与所述的套筒固定连接；外环与硬芯之间间隔连接，使得外环与硬芯之间构成环孔，外环、环孔和硬芯构成飞轮状；硬芯的中部设有供所述光纤通过和固定的硬芯通孔；
本水听器还包括设有光栅的光纤，光纤从所述引出口和硬芯通孔中穿过，所述光栅悬空于所述声压传导通道中，且位于两个膜片之间的光纤部分设有预紧力。
按上述方案，所述的端盖与套筒之间密封连接。
按上述方案，所述的端盖设有内螺纹，所述的套筒设有外螺纹，内螺纹与外螺纹匹配螺纹连接，且连接处设有密封圈。
按上述方案，所述的通孔设有两组；每组通孔为两个，且位于同一直线上；两组通孔之间构成90度。
按上述方案，所述的套筒两端设有台阶，所述的膜片的外环与台阶固定连接。
按上述方案，所述的光纤与端盖的引出口、与硬芯之间均通过粘贴固定。
按上述方案，所述的端盖为跑道形。
所述的水听器的安装方法，在加工好水听器的零件后，将两个膜片与套筒定位固定，然后将光纤与一个膜片固定后施加预应力再与另一膜片粘贴，粘贴在硬芯通孔处，最后将两端盖与套筒连接。
所述的水听器的传感方法，两个膜片由于声压产生相反的径向位移，使得在预应力作用下的光纤拉伸或者缩短，中心波长发生变化。
按上述传感方法，所述的膜片的变形在弹性形变之内。
本发明的有益效果为：本发明采用飞轮状的双膜片结构，上面设有环孔，能够适应海洋环境测量中的静水压平衡问题，并且结构简单，具有灵敏度高、结构简单、线性度好、精度高、阵列化容易。
附图说明
图1是本发明一实施例沿外壳中心轴线的剖视图。
图2是本发明一实施例的套筒中心轴线的剖视图。
图3是本发明一实施例的端盖中心轴线的剖视图。
图4是本发明一实施例的膜片的结构图。
图中：1-光纤，1-1-光栅，2-端盖，3-密封圈，4-膜片，4-1-硬芯，4-2-环孔，4-3-硬芯通孔，4-4-外环，5-套筒，6-声波传导通道，7-台阶，8-外螺纹，9-通孔，10-引出口，11-内螺纹。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器，如图1 至图4所示，包括从两边往中间依次连接的端盖2、感受声压用的膜片4、密封圈3、套筒5；两个端盖2上设置有光纤尾纤引出孔10，引出测声光纤1，两个膜片4固定于套筒5两端面，声压通过套筒5的通孔9和声压传导通道6作用在膜片4上，光纤1粘贴在两膜片4的硬芯4-1的硬芯通孔4-3，在膜片4感受到声压时，膜片4发生形变，带动光纤1拉伸。密封圈3放置于套筒阶梯处后，端盖2与套筒5通过外螺纹8和内螺纹11连接在一起，密封圈3起密封和定位效果。
所述的膜片4包括外环4-4和中间的硬芯4-1；外环4-4与所述的套筒5固定连接；外环4-4与硬芯4-1之间间隔连接，使得外环4-4与硬芯4-1之间构成环孔4-2，外环4-4、环孔4-2和硬芯4-1构成飞轮状；硬芯4-1的中部设有供所述光纤1通过和固定的硬芯通孔4-3，用于粘贴光纤1和提升灵敏度。本发明采用飞轮状膜片，此结构比之圆形膜片具有更高的灵敏度。
端盖2外形为带圆柱的阶梯状，端盖内部存在四个直径不同的阶梯，最大直径阶梯处设置有螺纹10用于连接，第二大直径阶梯与套筒端面和膜片的直径相同用于配合，第三直径用于给膜片提供变形范围，第四直径为光纤尾纤引出孔。
所述密封圈3为圆环装，用于套筒2和端盖2连接处，具有密封作用和防止螺纹失效的作用。
所述的套筒5为带阶梯圆柱形，中间为通孔，套筒圆周处存在四个90度分布的四个通孔9，用于感受声压；两膜片4之间构成声压传导通道6，用于将声压传递至膜片4，套筒两边阶梯处加工螺纹，用于连接，两端面设置一个台阶7用于粘贴膜片4。
端盖2外圆中部位置铣两平面。
光纤1粘贴于两膜片4上，光栅1-1悬空在两膜片4之间。
本发明提供的水听器的安装方法，在加工好上述零件后，将两个膜片4与套筒5定位固定，然后将光纤1与一个膜片4固定后施加预应力再与另一膜片4固定，固定在硬芯通孔处，最后将两端盖与套筒连接。
所述的水听器的传感方法，声波在远场传输过来的时候通过通孔9传输进声波传导通道6，最终作用于膜片4，两个膜片往相反方向产生位移，带动光纤1拉伸或者收缩，中心波长发生变化，通过测试光纤光栅中心波长来达到检测声压目的。
所述的膜片4弹性模量较低，变形在弹性形变之内。
本发明为双膜片结构，双膜片结构在加速度条件下产生相同的变形，实现加速度自补偿，具有较低的加速度灵敏度。端盖2的截面形状为跑道形。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器，其特征在于：本水听器包括一个套筒，套筒的两端连接有两个端盖，端盖的中部设有供光纤穿过的引出口；套筒的侧面设有用于感受声压的通孔，通孔的两端各设有一个沿套筒截面方向的结构相同的膜片，两个膜片之间构成声压传导通道；
所述的膜片包括外环和中间的硬芯；外环与所述的套筒固定连接；外环与硬芯之间间隔连接，使得外环与硬芯之间构成环孔，外环、环孔和硬芯构成飞轮状；硬芯的中部设有供所述光纤通过和固定的硬芯通孔；
本水听器还包括设有光栅的光纤，光纤从所述引出口和硬芯通孔中穿过，所述光栅悬空于所述声压传导通道中，且位于两个膜片之间的光纤部分设有预紧力。
2.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于：所述的端盖与套筒之间密封连接。
3.根据权利要求2所述的水听器，其特征在于：所述的端盖设有内螺纹，所述的套筒设有外螺纹，内螺纹与外螺纹匹配螺纹连接，且连接处设有密封圈。
4.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于：所述的通孔设有两组；每组通孔为两个，且位于同一直线上；两组通孔之间构成90度。
5.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于：所述的套筒两端设有台阶，所述的膜片的外环与台阶固定连接。
6.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于：所述的光纤与端盖的引出口、与硬芯之间均通过粘贴固定。
7.根据权利要求1所述的水听器，其特征在于：所述的端盖为跑道形。
8.权利要求1所述的水听器的安装方法，其特征在于：在加工好水听器的零件后，将两个膜片与套筒定位固定，然后将光纤与一个膜片固定后施加预应力再与另一膜片固定，固定在硬芯通孔处，最后将两端盖与套筒连接。
9.权利要求1所述的水听器的传感方法，其特征在于：两个膜片由于声压产生相反的径向位移，使得在预应力作用下的光纤拉伸或者缩短，中心波长发生变化。
10.权利要求9所述的传感方法，其特征在于：所述的膜片的变形在弹性形变之内。
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