CN112924013A

CN112924013A - 一种抗加速度的光纤水听器探头装置

Info

Publication number: CN112924013A
Application number: CN202110115392.6A
Authority: CN
Inventors: 田野; 仇成军; 马占宇; 段超; 谭滔; 刘祥和; 赵晓臣; 张建中
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2041-01-28
Also published as: CN112924013B

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种抗加速度的光纤水听器探头装置。本发明在透声金属套筒内部对称固定两个金属弹性膜片，依赖这两个结构将外界声压信号传递给光纤光栅，给光纤光栅栅区两端轴向应力，改变光纤光栅的反射光中心波长，即可探测水声信号。本发明有效结合了减振元件和对称应变片两种结构的优势，探头两端的外端盖和内端盖双重固定，增加了线缆拖拽时的安全可靠性，具有体积小，结构简单，便于阵列化应用的优点。本发明以无源光纤光栅或有源光纤光栅作为传感探头的水听器，结构相对简单，更便于阵列集成，相比于光干涉型水听器具有更为优越的性能。

Description

一种抗加速度的光纤水听器探头装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种抗加速度的光纤水听器探头装置。

背景技术

光纤水听器因具有灵敏度高、响应频带宽、抗电磁干扰及易于大规模组阵等优点，被广泛应用于水声探测技术领域，尤其适合远距离大范围的水下监测，以岸基阵和拖曳细线列阵形式应用居多。在实际工况下，经常因为拖缆抖动、湍流变化等引起轴向振动干扰，尤其是轴向加速度对光纤水听器探头的影响最大，因此确保光纤水听器能够抵抗轴向加速度，是保证其具有较高声压探测能力的必要前提条件。

目前采用的光纤水听器探头抗加速度设计，包括对称式应变结构、加速度补偿式结构、外加减振元件、以及复杂封装式结构等。其中现有的对称式应变结构主要有光纤侧向对称承压梁和光纤轴向对称弹性片两种，加速度补偿式则依赖于惯性补偿板或光学对称补偿式。对称应变结构和惯性补偿板主要凭借机械应变来抵抗较的低加速度，对于过高加速度则难以抵抗甚至发生探头结构损伤，光学对称补偿更多应用于非光栅式水听器探头结构。外加减振元件和复杂封装结构则因其体积过大、结构复杂而呈现一定的不足。综上所述，针对现有技术的局限性，本发明结合减振元件和对称应变片的两种结构，设计出一种新型抗加速度的光纤水听器探头结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗加速度的光纤水听器探头装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括第一端筒、透声套筒、第二端筒和光纤光栅；所述的透声套筒的左右两端均设有透声筒盖，在透声筒盖中央开设有圆孔；所述的第一端筒和第二端筒的左右两端均设有端盖，在端盖中央开设有圆孔；所述的第一端筒设置在透声套筒的左侧，第一端筒右端的端盖与透声套筒左端的透声筒盖之间通过弹簧连接；所述的第二端筒设置在透声套筒的右侧，第二端筒左端的端盖与透声套筒右端的透声筒盖之间通过弹簧连接；所述的透声套筒内部设有两片弹性膜片，在弹性膜片的中央开设有圆孔；所述的光纤光栅的尾纤穿过并固定于第一端筒左右两端端盖中央的圆孔、透声套筒左右两端透声筒盖中央的圆孔、第二端筒左右两端端盖中央的圆孔，光纤光栅的栅区位于两片弹性膜片之间的密闭区间内。

本发明还可以包括：

所述的透声套筒内部两片弹性膜片之间的光纤光栅为绷紧状态，其余固定位置之间的光纤光栅处于松弛状态。

所述的第一端筒右端的端盖与透声套筒左端的透声筒盖之间、第二端筒左端的端盖与透声套筒右端的透声筒盖之间通过C型弹簧连接，C型弹簧围绕光纤光栅均匀分布。

所述的透声套筒内部的两片弹性膜片对称固定于透声套筒内部。

探头装置整体结构呈现为光纤光栅两侧结构对称。

所述的光纤光栅为有源相移光纤光栅；所述的弹性膜片为金属铜材质；所述的第一端筒、透声套筒、第二端筒、透声筒盖、端盖均为金属铝材质，且中央开设的圆孔边缘处金属材料较厚，增大与光纤光栅尾纤接触面积，便于固定光纤光栅尾纤；所述的第一端筒与其左右两端的端盖、透声套筒与其左右两端的透声筒盖、第二端筒与其左右两端的端盖均通过螺纹连接；所述的C型弹簧为不锈钢金属材质。

本发明的有益效果在于：

本发明针对现有光纤水听器探头结构的局限性，提供了一种抗加速度的光纤水听器探头装置。本发明在透声金属套筒内部对称固定两个金属弹性膜片，依赖这两个结构将外界声压信号传递给光纤光栅，给光纤光栅栅区两端轴向应力，改变光纤光栅的反射光中心波长，即可探测水声信号。本发明有效结合了减振元件和对称应变片两种结构的优势，探头两端的外端盖和内端盖双重固定，增加了线缆拖拽时的安全可靠性，具有体积小，结构简单，便于阵列化应用的优点。本发明以无源光纤光栅或有源光纤光栅作为传感探头的水听器，结构相对简单，更便于阵列集成，相比于光干涉型水听器具有更为优越的性能。

附图说明

图1为本发明的一种抗加速度的光纤水听器探头装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种抗加速度的光纤水听器探头装置，结合C型弹簧减振元件和对称应变膜片的两种结构，双重缓冲抵抗光纤光栅轴向加速度，提出一种新型光纤光栅水听器探头结构，主要包括外端盖1、端筒2、内端盖3、C型弹簧4、透声筒盖5、金属弹性膜片6、透声金属套筒7、光纤光栅8。金属弹性膜片对称固定于套筒内部，C型弹簧两端焊接在内端盖和透声筒盖之间，光纤光栅尾纤穿过并固定于内外端盖、透声筒盖和金属弹性膜片中央，光纤光栅栅区位于两个金属弹性膜片之间的密闭区间内。水中声波经透声金属套筒作用于金属弹性膜片，以轴向应力的形式传递给光纤光栅，即呈现为反射光波长选择的变化。

光纤光栅8位于透声金属套筒7中央。探头整体结构呈现为光纤光栅8两侧结构对称，金属弹性膜片6置于透声金属套筒7内部光纤光栅8两侧。端筒2和透声金属套筒7两端均有螺纹结构，两端螺纹与内外端盖和透声筒盖的螺纹匹配。C型弹簧均匀围绕轴线分布，两端分别焊接与内端盖和透声筒盖，并起到缓冲轴向振动，抵抗轴向加速度的作用。

外端盖1、内端盖3、透声筒盖5和金属弹性膜片6的中心均开有通孔，用于光纤通过并利用胶水固定。透声筒盖5隔绝水，在声波作用下，金属弹性膜片6拉伸光纤光栅8，改变光栅中心波长，实现声波信号测量。两侧对称分布的金属弹性膜片6在同方向上形变量相同，可以起到抵抗轴向加速度的作用。

本发明创新性提出一种双重缓冲抵抗加速度的光纤光栅水听器探头结构，有效结合了减振元件和对称应变片两种结构的优势。本发明中探头两端的外端盖和内端盖双重固定，增加了线缆拖拽时的安全可靠性，具有体积小，结构简单，便于阵列化应用的优点。

实施例1：

本发明的目的在于利用光纤水听器优势，针对现有光纤水听器探头结构的局限性，提出一种新型的抗加速度光纤水听器探头结构装置，有效结合现有技术的优势，解决传统光纤水听器探头优势单一的问题，为光纤水听器的声压探测技术提供有力保障。

本发明以无源光纤光栅或有源光纤光栅作为传感探头的水听器，结构相对简单，更便于阵列集成，相比于光干涉型水听器具有更为优越的性能。裸光纤光栅对于声压信号并不敏感，在水听器探头结构中，主要通过金属结构和弹性膜片等声压敏感元件，转化为应力作用于光纤光栅的栅区两端，进而利用光纤光栅的轴向应力敏感性，通过光纤光栅的波长选择特性有效检测外界声压信号。

本发明主要依靠透声金属套筒7传递声信号，在其内部对称固定两个金属弹性膜片6，主要依赖这两个结构将外界声压信号传递给光纤光栅8，给光纤光栅栅区两端轴向应力，改变光纤光栅的反射光中心波长，即可探测水声信号。

C型弹簧4两端焊接至内端盖3和透声筒盖5，以此连接线缆拖拽端和水听器探头传感部分，C型弹簧均匀围绕轴线分布，减振抗加速度的同时，有效平衡缓冲各个方向线缆拖拽力分量。

在本发明水听器探头装置中，光纤光栅的尾纤两端一共固定8个位置，分别为2个对称金属弹性膜片6的中央圆孔、2个透声筒盖5的中央圆孔、2个内端盖3的中央圆孔以及2个外端盖1的中央圆孔。与金属弹性膜片6连接固定时，对光纤光栅施加一定预应力，使其绷紧；其余固定位置之间的尾纤处于松弛状态，以此作为C型弹簧形变时的相对位置变化余量。

对称的金属弹性膜片6和两端C型弹簧4实现了光纤轴向双重减振的功能，可以有效抵抗实际应用过程中的轴向加速度。

如图1所示，透声金属套筒7包含两部分，即两端的螺纹结构，中间的透声筒结构。两端的端筒2和中间透声套筒部分为金属铝材质，直径为14毫米，厚度2毫米，C型弹簧4由9个C型弹簧均匀围绕而成，为不锈钢金属材质。

外端盖1、内端盖3、和透声筒盖5为金属铝材质，内侧有螺纹，并与透声金属套筒7和端筒2两端的螺纹匹配，中央开有圆形通孔，孔直径1毫米，且通孔边缘处金属材料比较厚，增大与光纤光栅尾纤接触面积，便于用胶水固定光纤光栅尾纤。

两个金属弹性膜片6为金属铜材质，中央开有圆形通孔，孔直径1毫米，外边缘折起，便于用胶水固定至透声金属套筒7内部。

光纤光栅8为有源相移光纤光栅，栅区长2厘米，用以构成DFB光纤激光水听器，若使用普通无源光纤光栅，则构成普通光纤光栅水听器。利用有源光纤光栅作为传感元件，输出信号为窄线宽激光信号，作为有源传感器件，其信噪比高，其探测能力较好。

整体装置的安装顺序：先固定光纤光栅与两个金属弹性膜片6的连接；然后将金属弹性膜片6固定至透声金属套筒7中央，并给光纤光栅施加一定预应力；再盖上透声筒盖5，用胶水固定透声筒盖5中央通孔处的光纤光栅8尾纤；最后固定内外端盖中央通孔处的光纤光栅尾纤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：包括第一端筒、透声套筒、第二端筒和光纤光栅；所述的透声套筒的左右两端均设有透声筒盖，在透声筒盖中央开设有圆孔；所述的第一端筒和第二端筒的左右两端均设有端盖，在端盖中央开设有圆孔；所述的第一端筒设置在透声套筒的左侧，第一端筒右端的端盖与透声套筒左端的透声筒盖之间通过弹簧连接；所述的第二端筒设置在透声套筒的右侧，第二端筒左端的端盖与透声套筒右端的透声筒盖之间通过弹簧连接；所述的透声套筒内部设有两片弹性膜片，在弹性膜片的中央开设有圆孔；所述的光纤光栅的尾纤穿过并固定于第一端筒左右两端端盖中央的圆孔、透声套筒左右两端透声筒盖中央的圆孔、第二端筒左右两端端盖中央的圆孔，光纤光栅的栅区位于两片弹性膜片之间的密闭区间内。

2.根据权利要求1所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：所述的透声套筒内部两片弹性膜片之间的光纤光栅为绷紧状态，其余固定位置之间的光纤光栅处于松弛状态。

3.根据权利要求1或2所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：所述的第一端筒右端的端盖与透声套筒左端的透声筒盖之间、第二端筒左端的端盖与透声套筒右端的透声筒盖之间通过C型弹簧连接，C型弹簧围绕光纤光栅均匀分布。

4.根据权利要求1或2所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：所述的透声套筒内部的两片弹性膜片对称固定于透声套筒内部。

5.根据权利要求3所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：所述的透声套筒内部的两片弹性膜片对称固定于透声套筒内部。

6.根据权利要求1或2所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：探头装置整体结构呈现为光纤光栅两侧结构对称。

7.根据权利要求3所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：探头装置整体结构呈现为光纤光栅两侧结构对称。

8.根据权利要求4所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：探头装置整体结构呈现为光纤光栅两侧结构对称。

9.根据权利要求5所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：探头装置整体结构呈现为光纤光栅两侧结构对称。

10.根据权利要求9所述的一种抗加速度的光纤水听器探头装置，其特征在于：所述的光纤光栅为有源相移光纤光栅；所述的弹性膜片为金属铜材质；所述的第一端筒、透声套筒、第二端筒、透声筒盖、端盖均为金属铝材质，且中央开设的圆孔边缘处金属材料较厚，增大与光纤光栅尾纤接触面积，便于固定光纤光栅尾纤；所述的第一端筒与其左右两端的端盖、透声套筒与其左右两端的透声筒盖、第二端筒与其左右两端的端盖均通过螺纹连接；所述的C型弹簧为不锈钢金属材质。