CN201926496U - 一种分隔式光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤传感领域的一种应用于探测海洋噪声的干涉型、分隔式光栅传感器。所要解决的技术问题是提供一种分隔式光栅传感器，能够满足光纤水听器阵列复用技术研发要求，利用光纤水听器技术替代压电陶瓷传感器，在我国领海海域更加灵敏地探测海洋噪声或移动体的行踪。其特征在于：所述传感器主要由一件在外部绕制有定长光纤的弹性体(2)、两件基体(3)、一件右端盖(1)、一件左端盖(4)以及一件盖板(5)组成；所述分隔式光栅传感器的内腔空隙及弹性体(2)的表面光纤用胶粘剂进行灌封保护。本实用新型结构合理，用上述单元结构制作而成的水听器单元，其声压灵敏度、加速度相移灵敏度、耐温、耐压、耐腐以及形体尺寸等技术指标均能符合设计要求。

Description

一种分隔式光栅传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域的一种应用于探测海洋噪声的干涉型、分隔式光栅传感器。

技术背景

光纤传感技术是伴随光导纤维和光纤通信技术的发展而形成的一门崭新技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统的压电传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还能够与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统，所以光纤传感技术能广泛应用于航天航海、核工业、桥梁隧道、建筑、石油开采、电力传输、医疗、科研等众多领域。

干涉型光纤水听器可以非常灵敏地侦察舰船行踪、监视水下移动体。其工作原理为，通过水下的声波对光纤的应力作用改变光纤纤芯的折射率或长度，从而引起在光纤中传播光束的光程改变，导致相位发生变化。采用干涉测量技术可检测出相位变化，并得到有关水声的信息。和压电陶瓷或压电晶体型的传统水听器相比，光纤水听器具有很大的优越性。它利用光的相位干涉作为探测手段，探测灵敏度极高，响应频带也较宽；它以光纤作为信息传感与传输媒介；而以光为载体的信息，既不会被电磁干扰，也无发生泄漏的危险。

光纤水听器的研究虽然取得了长足的进步，但距实现工程化、装备化还 有一定的差距。由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的全部详细信息，因此光纤水听器主要是以阵列的形式应用，是否能以低成本实现分布式阵列，是光纤水听器最终能否得以应用的关键所在。各国对光纤水听器技术的研究重点集中到如何充分利用光纤传输损耗低、传输带宽大的特点，并结合集成光电子器件的最新进展，实现对光源、光纤以及光电探测器的多路复用。用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列，这样既可降低系统的成本，又可降低维护上的复杂程度。而且通过对阵列信号的处理，可以极大地提高整个多路复用系统的探测性能，获取更多有关水下目标的信息。为了满足对光纤水听器阵列复用技术的研发要求，急需研制能满足阵列设计要求的干涉型光纤水听器。

分隔式光栅传感器采用DFB光纤激光器作敏感元件。DFB光纤激光器一般由几厘米长的一段经光刻写相移光栅的掺铒光纤构成。在波长为1480nm或980nm泵浦光的作用下，DFB光纤激光器会产生激光。当声压作用在由DFB光纤激光器构成的相移光栅上时，声压的变化会使光纤的折射率、光纤芯长度以及光栅周期等发生变化，从而导致DFB光纤激光器输出的激光波长发生变化。通过对激光波长变化的检测，便可测得外界声波的信息。

多个DFB光纤激光器可以沿一根光纤串联构成体积很小、重量很轻、能置于拖曳船上的拖曳声纳阵列。由声纳阵列返回的光信号变化，经光电处理单元处理后，便可获得由各单元输出的声信号。

用DFB光纤激光器构成的光纤水听器，具有结构简单、体积小、易于波分复用、与光纤完全兼容等特点。通过机械结构增敏封装，可以大大提高其声压灵敏度。目前，国内外研究者都将该技术作为拖曳声纳阵用光纤水听器 研究的一种重要手段。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种分隔式光栅传感器，能够满足光纤水听器阵列复用技术研发要求，利用光纤水听器技术替代压电陶瓷传感器，在我国领海海域更加灵敏地探测海洋噪声或移动体的行踪。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：

一种分隔式光栅传感器，其特征在于：所述传感器主要由一件在外部绕制有定长光纤的弹性体2、两件基体3、一件右端盖1、一件左端盖4以及一件盖板5组成；所述分隔式光栅传感器的内腔空隙及弹性体2的表面光纤用胶粘剂进行灌封保护；

所述弹性体2为一个由非金属材料制成的薄壁空心圆柱体；在外圆柱面25的左、右两端分别设有第一环行体24和第二环形体27；在第一环行体24上设有缺口23；在第二环行体27上设有缺口26；在第二环行体27的内侧，还设有另一缺口28；

所述弹性体2的第一内孔22内胶结有一对基体3；所述基体3是一个薄壁空心圆柱体，在其外圆柱面34的左、右端部，分别设有第三环行体32和第四环形体35；一对基体3以其两端环行体的外圆面胶结于弹性体2的第一内孔22内，基体3的外端面31分别与弹性体2上的两个端面21平齐；

所述右端盖1胶结在弹性体1的右端，右端盖1的主体部分由同轴的大圆柱体15和小圆柱体12从右到左依次叠加而成；小圆柱体12的外径与基体3的第二内孔33直径相配，右端盖1以其小圆柱体12与基体3的第二内孔33胶结；所述右端盖1的中心设有从右到左依次扩大的阶梯通孔即第一小孔 13和第一大孔11；沿小圆柱体12轴向设有一条沉槽14，沉槽14将小圆柱体12一分为二；所述沉槽14将大圆柱体15的与第二环行体27上缺口26对齐的该处外圆面贯穿；所述沉槽14之深度与第一大孔11相一致；

所述左端盖4胶结在弹性体1的左端，左端盖4的主体部分由同轴的大圆柱体45和小圆柱体43从左到右依次叠加而成；小圆柱体43的外径与基体3的第二内孔33直径相配，左端盖4以其小圆柱体43与基体3的第二内孔33胶结；所述左端盖4的中心设有从右到左依次扩大的阶梯通孔即第二小孔42和第二大孔41；所述沿小圆柱体43轴向设有一条沉槽44，沉槽44将小圆柱体43一分为二；所述沉槽44将大圆柱体45的第一与环行体24上缺口23对齐的该处外圆面贯穿；所述沉槽44之深度与第二小孔42相一致；

所述盖板5是一个带第三小孔52的圆盘，盖板5胶结于左端盖4的大孔41之内；盖板5的外直径51与左端盖4上的第二大孔41的内径相配，厚度与第二大孔41的深度一致；

由位于弹性体2上第二环行体27内侧的缺口28处引入光纤，并缠绕于弹性体2的外圆面25上；绕制光纤的首尾两端均连接DFB光纤激光器；然后将光纤激光器的两尾端分别通过弹性体2一端第一环行体24的缺口23、左端盖4的沉槽44和另一端第二环行体27的缺口26、右端盖1的沉槽14，被引入相邻基体3的第二内孔33之内并将激光器置于第二内孔33之中；DFB光纤激光器的两尾端再分别相向穿越右端盖1上的第一阶梯通孔11、第二阶梯通孔13和左端盖4上的第二小孔42、盖板5上的第三小孔52后，成为分隔式光栅传感器的两端尾缆。

所述弹性体2外圆柱面25的两端部，分别设有外径相同的第一环行体24 和第二环形体27，其外端面分别与第一内孔22的端面平齐；所述右端盖1上大圆柱体15的外圆尺寸，以及左端盖4上大圆柱体45的外圆尺寸，与弹性体2上第一环行体24和第二环形体27的外直径相同。

所述基体3外圆柱面34一端所设的第三环行体32，其沿基体3轴向的截面为矩形；另一端所设的第四环行体35，其沿基体3轴向的截面为梯形；所述两个相向安装在弹性体2第一内孔22内的基体3，以其两端第三环行体32和第四环形体35的外圆面与弹性体2的第一内孔22胶结。

本实用新型可带来以下有益效果：

本实用新型结构合理，用上述单元结构制作而成的水听器单元，其声压灵敏度、加速度相移灵敏度、耐温、耐压、耐腐以及形体尺寸等技术指标均能符合设计要求。

附图说明

图1为本实用新型的一个较佳实施例的装配构件示意图

图2为本实用新型的一个较佳实施例的右端盖外形结构示意图

图3为本实用新型的一个较佳实施例的弹性体外形结构示意图

图4(a)为本实用新型的一个较佳实施例的基体全剖视图

图4(b)为本实用新型的一个较佳实施例的基体半剖视结构示意图

图5为本实用新型的一个较佳实施例的左端盖外形结构示意图

图6为本实用新型的一个较佳实施例的盖板外形结构示意图

图7为本实用新型的一个较佳实施例的装配体局部剖视结构示意图

图8为本实用新型的一个较佳实施例的装配体外形图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

按照图1所示，将五种零件：一件弹性体2、两件基体3、一件右端盖1、一件左端盖4以及一件盖板5依次胶结、固定，可组装成一个分隔式光栅传感器的单元结构。

结合参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8：

本实施例中，弹性体2是一个由非金属材料制成的薄壁空心圆柱体；弹性体2外圆柱面25的两端部分别设有外径相同的第一环行体24和第二环行体27。基体3是一个薄壁空心圆柱体；基体3外圆柱面34的左、右端部，分别设有截面为矩形的第三环行体32和截面为梯形的第四环行体35。右端盖1的基本形体由大、小圆柱体15和12叠加而成；右端盖1的中心设有第一阶梯通孔11和第二阶梯通孔13；小圆柱体12的端部顺其轴向设有一条偏向一侧的圆头沉槽14；沉槽14将小圆柱体12一分为二；沉槽14之深度与第一大孔11一致；沉槽14之右侧将大圆柱体15的外圆面贯穿。左端盖4的基本形体由大、小圆柱体45和43叠加而成；左端盖4的中心设有第二大孔41和第二小孔42；小圆柱体43的端部顺其轴向设有一条偏向一侧的圆头沉槽44；沉槽44将小圆柱体43一分为二；沉槽44恰与第二大孔41之底部贯通；沉槽44之右侧将大圆柱体45的外圆面贯穿。盖板5是一个带第三小孔52的圆盘；盖板5的外直径51与左端盖4上的第二大孔41的内径相配，厚度与第二大孔41的深度一致。

弹性体2外圆柱面25的两端部分别设有外径相同的第一环行体24和第二环形体27，其外端面分别与内孔22的端面平齐；第一环行体24和第二环形体27上，分别设有缺口23和26；第二环行体27的内侧，还设有另一缺 口28；外圆柱面25上绕制定长光纤的端首由位于第二环行体27内侧的缺口28处引出。

基体3外圆柱面34上设有的第三环行体32和第四环形体35，其外直径与弹性体2上的第一内孔22相配。

一对基体3以其两端环行体的外圆面相向胶结于弹性体2的第一内孔22时，基体3的外端面31分别与弹性体2上的两个端面21平齐；两个相向安装的基体3，在弹性体2的第一内孔22中以第四环行体35外侧的两个梯形面胶结结合时，两个梯形面间的胶体受到梯形面的挤压，使第四环行体35的外圆面与弹性体2的第一内孔22可靠胶结；基体3第四环行体35的外圆面与弹性体2的第一内孔22可靠胶结后，将弹性体2从内孔分隔为二。

基体3的第二内孔33，其直径与左端盖4及右端盖1上小圆柱体43和12的外径相配。

右端盖1上大圆柱体15的外圆尺寸，以及左端盖4上大圆柱体45的外圆尺寸，与弹性体2上第一环行体24和第二环形体27的外直径相同；右端盖1及左端盖4分别以其小圆柱体12和43分别与基体3的第二内孔33胶结时，沉槽14和44分别与弹性体2上环行体的缺口26和23对齐。

缠绕于弹性体2的光纤首尾两端均连接一个DFB光纤激光器；光纤激光器的两尾端先后通过弹性体2一端第一环行体24上的缺口23、左端盖4的沉槽44和另一端第二环行体27的缺口26、右端盖1上的沉槽14，分别被引入相邻基体3的第二内孔33之内并将激光器置于第二内孔33之中；DFB光纤激光器的两尾端再分别相向穿越右端盖1上的第一阶梯通孔11、第二阶梯通孔13和左端盖4上的第二小孔42、盖板5上的第三小孔52后，成为分隔 式光栅传感器的两端尾缆。

以下对各个部件进行分述：

(1)右端盖1，见图2。

右端盖1的基本形体由大、小圆柱体15和12叠加而成；其中心设有第一阶梯通孔11和第二阶梯通孔13；从小圆柱体12的端部顺其轴向设有一条偏向一侧的圆头沉槽14，该沉槽将小圆柱体12一分为二，沉槽之深度与第一大孔11一致，沉槽之右侧将大圆柱体15的外圆面贯穿。

右端盖1上大圆柱体15的外圆尺寸与弹性体2上第一环行体24和第二环行体27的外直径相同。

(2)弹性体2，见图3。

弹性体2是一个由非金属材料制成的薄壁空心圆柱体。在外圆柱面25两端部，分别设有外径相同的第一环行体24和第二环行体27。第一环行体24和第二环行体27的外端面分别与内孔22的端面平齐；在第一环行体24和第二环行体27上，分别设有缺口23和26；在第二环行体27的内侧，还设有另一缺口28。

(3)基体3，见图4。

基体3是一个薄壁空心圆柱体。在外圆柱面34的左、右端部，分别设有截面为矩形的第三环行体32和截面为梯形的第四环行体35。第三环行体32与第四环形体35的外直径与弹性体2上的第一内孔22相配。

当一对基体3以其两端环行体的外圆面相向胶结于弹性体2的第一内孔22时，基体3的外端面31分别与弹性体2上的两个端面21平齐。当两个相向安装的基体3，在弹性体2的第一内孔22中，以两个梯形面胶结时，胶体 在两个梯形面的挤压下，可确保第四环行体35的外圆面，能与弹性体2的第一内孔22可靠胶结。

基体3的第二内孔33，其直径与左端盖4及右端盖1上小圆柱体43和12的外径相配。

(4)左端盖4，见图5。

左端盖4的基本形体由大、小圆柱体45和43叠加而成；其中心设有第二大孔41和第二小孔42；从小圆柱体43的端部顺其轴向设有一条偏向一侧的圆头沉槽44，该沉槽将小圆柱体43一分为二，沉槽之深度恰与第二大孔41之底部贯通，沉槽之右侧将大圆柱体45的外圆面贯穿。

左端盖4上大圆柱体45的外圆尺寸与弹性体2上第一环行体24和第二环行体27的外直径相同。

(5)盖板5，见图6。

盖板5是一个带第三小孔52的圆盘。其外直径51与左端盖4上的第二大孔41的内径相配，盖板5的厚度与第二大孔41的深度一致。

本实施例可通过选择各种适宜的材料及相关的机械加工手段，根据各加工件的工程图纸加工成相应零件后封装而成。分隔式光栅传感器的封装过程简述如下：

首先，在弹性体2的外圆柱面25上绕制定长光纤；绕制时，光纤端首须由位于弹性体2上第二环行体27内侧的缺口28处引出。绕制后将两个DFB光纤激光器分别与光纤的首尾端连接。

然后，将两件基体3以其两端环行体的外圆面相向胶结于弹性体2的第一内孔22。此时，须确保第三环行体32、第四环行体35的外圆面与弹性体2 的第一内孔22胶结可靠；基体3的外端面31分别与弹性体2上的两个端面21平齐。两个基体3上梯形截面的第四环行体35相结合并与弹性体2的第一内孔22可靠胶结后，便将弹性体2从内孔分隔为二。

第三，设法将DFB光纤激光器的两个端首，分别通过弹性体2一端的一环行体24的缺口23、左端盖4的沉槽44和另一端第二环行体27的缺口26、右端盖1的沉槽14，被引入相邻基体3的第二内孔33之内并将激光器置于第二内孔33之中，并分别从另一基体3的端口穿出。

第四，把基体3右端口穿出的光纤，从右端盖1小圆柱体12的端口穿过右端盖1后，将右端盖1以其小圆柱体12胶结于基体3的右端口。胶结时，须确保右端盖1上的沉槽14与弹性体2上第二环行体27的缺口26对齐，从而使由基体3右端口引入的光纤弯折部分，落在右端盖1上的沉槽14之内。

第五，把基体3左端口穿出的光纤，从左端盖4小圆柱体43的端口穿过左端盖4后，将左端盖4以其小圆柱体43胶结于基体3的左端口。胶结时，须确保左端盖4上的沉槽44与弹性体2上第一环行体24的缺口23对齐，从而使由基体3左端口引入的光纤弯折部分，落在左端盖4上的沉槽44之内。

第六，设法将某种胶粘剂从左端盖4的第二大孔41灌入基体3的第二内孔33之内，使第二内孔33之内受到保护的DFB光纤激光器完全密封。

第七，把从左端盖4孔中引出的光纤端头穿过盖板5上的第三小孔52后，将盖板5胶结于左端盖4的第二大孔41之中。

最后，对缠绕于弹性体2表面的光纤进行灌封保护。

Claims (3)

1.一种分隔式光栅传感器，其特征在于：所述传感器主要由一件在外部绕制有定长光纤的弹性体(2)、两件基体(3)、一件右端盖(1)、一件左端盖(4)以及一件盖板(5)组成；所述分隔式光栅传感器的内腔空隙及弹性体(2)的表面光纤用胶粘剂进行灌封保护；

所述弹性体(2)为一个由非金属材料制成的薄壁空心圆柱体；在外圆柱面(25)的左端设有第一环行体(24)，第一环行体(24)上设有缺口(23)；在外圆柱面(25)的右端设有第二环行体(27)，第二环行体(27)上设有缺口(26)，在第二环行体(27)的内侧，还设有另一缺口(28)；

所述弹性体(2)的第一内孔(22)内胶结有一对基体(3)，所述基体(3)是一个薄壁空心圆柱体，在其外圆柱面(34)的左、右端部，分别设有第三环行体(32)和第四环体(35)；一对基体(3)以其两端环行体的外圆面胶结于弹性体(2)的第一内孔(22)内，基体(3)的外端面(31)分别与弹性体(2)上的两个端面(21)平齐；

所述右端盖(1)胶结于弹性体(1)的右端，右端盖(1)的主体部分由同轴的大圆柱体(15)和小圆柱体(12)从右到左依次叠加而成；小圆柱体(12)的外径与基体(3)的第二内孔(33)的直径相配，右端盖(1)以其小圆柱体(12)与基体(3)的第二内孔(33)胶结；所述右端盖(1)的中心设有从右到左依次扩大的阶梯通孔即第一小孔(13)和第一大孔(11)；沿小圆柱体(12)的轴向设有一条沉槽(14)，沉槽(14)将小圆柱体(12)一分为二；所述沉槽(14)将大圆柱体(15)的与第二环行体(27)上缺口(26)对齐的该处外圆面贯穿；所述沉槽(14)之深度与第一大孔(11)相一致； 

所述左端盖(4)胶结于弹性体(1)的左端，左端盖(4)的主体部分由同轴的大圆柱体(45)和小圆柱体(43)从左到右依次叠加而成；小圆柱体(43)的外径与基体(3)的第二内孔(33)的直径相配，左端盖(4)以其小圆柱体(43)与基体(3)的第二内孔(33)胶结；所述左端盖(4)的中心设有从右到左依次扩大的阶梯通孔即第二小孔(42)和第二大孔(41)；所述沿小圆柱体(43)的轴向设有一条沉槽(44)，沉槽(44)将小圆柱体(43)一分为二；所述沉槽(44)将大圆柱体(45)的与第一环行体(24)上缺口(23)对齐的该处外圆面贯穿；所述沉槽(44)之深度与第二小孔(42)相一致；

所述盖板(5)是一个带第三小孔(52)的圆盘，盖板(5)胶结于左端盖(4)的第二大孔(41)内；盖板(5)的外直径(51)与左端盖(4)上的第二大孔(41)的内径相配，厚度与第二大孔(41)的深度一致；

由位于弹性体(2)上第二环行体(27)内侧的缺口(28)处引入光纤，并缠绕于弹性体(2)上；所述绕制光纤首尾两端均连接DFB光纤激光器；所述DFB光纤激光器的两尾端，分别通过弹性体(2)一端第一环行体(24)的缺口(23)、左端盖(4)的沉槽(44)和另一端第二环行体(27)的缺口(26)、右端盖(1)的沉槽(14)，被引入相邻基体(3)的第二内孔(33)之内并将DFB光纤激光器置于第二内孔(33)之中；所述DFB光纤激光器的两尾端，再分别相向穿越右端盖(1)上第一阶梯通孔(11)、第二阶梯通孔(13)和左端盖(4)上第二小孔(42)、盖板(5)上第三小孔(52)后，成为分隔式光栅传感器的两端尾缆。

2.按照权利要求1所述的一种分隔式光栅传感器，其特征在于：所述弹 性体(2)外圆柱面(25)的两端部分别设有外径相同的第一环行体(24)和第二环形体(27)，其外端面分别与第一内孔(22)的端面平齐；所述右端盖(1)上大圆柱体(15)的外圆尺寸，以及左端盖(4)上大圆柱体(45)的外圆尺寸，与弹性体(2)上第一环行体(24)和第二环行体(27)的外直径相同。

3.按照权利要求1或2所述的一种分隔式光栅传感器，其特征在于：所述基体(3)外圆柱面(34)一端所设的第三环行体(32)，其沿基体(3)轴向的截面为矩形；另一端所设的第四环行体(35)，其沿基体(3)轴向的截面为梯形；所述两个相向安装在弹性体(2)第一内孔(22)内的基体(3)，以其两端第三环行体(32)和第四环行体(35)的外圆面与弹性体(2)的第一内孔(22)胶结。 

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