CN218916707U - 一种光纤次声传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤次声传感器，属于次声波探测技术领域，包括发光器件、环形连接器、传感单元和探测单元，发光器件的光源输出端与环形连接器的第一端口连接；探测单元的信号输入端与环形连接器的第三端口连接；传感单元的外壳体为空腔结构；换能薄膜设置在外壳体一端；传感光纤一端与换能薄膜连接，另一端穿过外壳体另一端与环形连接器的第二端口连接，传感光纤的空心玻璃套管8中设置有两段单模光纤，两段单模光纤具有间隙。通过弹性换能薄膜将声压变化转化为传感光纤的形变；通过将两段单模光纤插入空心玻璃套管，使两段单模光纤之间的距离构成法布里珀罗腔，形成声压‑形变‑应变‑位移‑相位的转换方式，有效提高传感器的灵敏度。

Description

一种光纤次声传感器

技术领域

本实用新型属于次声波探测技术领域，具体涉及一种光纤次声传感器。

背景技术

在各种地质灾害，石油管道盗挖泄露等领域，高精度光纤次声波传感技术十分重要。

现在市面中的大部分低频声波传感器都是基于电容式、电动式等原理研发的，但是这些电子式低频传感器并不能完全满足在恶劣环境中的应用需求，如在地震，海啸，管道泄漏等高压、强磁场、强腐蚀等环境中。

光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感器是以电信号为转换及传输的载体，在传输信号时运用的时导线，因而会受到环境的很大限制，而光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号，所以具有许多独特的优点，例如：不受电磁干扰，绝缘性能高，耐腐蚀等。

而现有光纤次声传感器干涉模式多样，虽能解决传统电子式传感器的部分缺陷，但依旧存在，灵敏度低，温度串扰大，低频响应度高等缺点。

实用新型内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种光纤次声传感器。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案，包括：

发光器件；

环形连接器，包括第一端口、第二端口和第三端口；所述发光器件的光源输出端与所述环形连接器的第一端口连接；

探测单元，其信号输入端与所述环形连接器的第三端口连接；

传感单元，包括：

外壳体，为空腔结构；

换能薄膜，设置在所述外壳体一端；

传感光纤，一端与所述换能薄膜连接，另一端穿过所述外壳体另一端与所述环形连接器的第二端口连接，所述传感光纤的空心玻璃套管8中设置有两段单模光纤，两段所述单模光纤具有间隙。

优选的，所述传感光纤一端通过聚酯胶与所述换能薄膜连接。

优选的，所述外壳体另一端设置有固定螺帽，所述传感光纤穿过所述固定螺帽，所述固定螺帽上开设多个平衡孔，所述平衡孔的尺寸为1-2mm。

优选的，所述空心玻璃套管外端和单模光纤通过电极放电熔融焊焊接。

优选的，所述换能薄膜选用耐压耐腐蚀的聚苯硫醚PPS或ppt塑胶原料。

优选的，所述换能薄膜半径为1-2cm，厚度为5-20μm。

优选的，所述空心玻璃套管壁厚为20-50μm。

优选的，两段所述单模光纤的间隙为50-300μm，所述传感光纤长度为7-12cm。

优选的，所述发光器件为窄带光源。

优选的，所述外壳体采用铝材料，其结构为哑铃结构。

本实用新型提供的光纤次声传感器具有以下有益效果：

通过弹性换能薄膜将声压变化转化为传感光纤的形变，可有效提高传感光纤的应变响应度，从而达到增敏的作用；两段单模光纤端面之间的间隙构成法布里珀罗腔，通过空心玻璃套管拾取扰动信号发生应变，导致空心套管内部两段单模光纤端面的间隙发生变化，进而引起相位发生变化，能够形成基于声压-形变-应变-位移-相位的转换方式，从发光器件传输至传感单元的光在法布里珀罗腔(FP)进行干涉，将干涉信号传输至探测单元，实现了对泄漏位置的检测，有效提高传感器的灵敏度，降低传感器的自噪声。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的传感单元的封装结构示意图；

图2是本实用新型的传感单元中传感光纤的结构示意图；

图3是本实用新型的信号流程框图。

附图标记说明：

1-固定螺帽，2-平衡孔，3-传感光纤，4-外壳体，5-换能薄膜，6-聚酯胶，7-单模光纤，8-空心玻璃套管，9-发光器件，10-环形连接器，11-传感光纤，12-探测单元。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

实施例

本实用新型提供了一种光纤次声传感器，具体如图1-3所示，包括发光器件9、环形连接器10、传感单元11和探测单元12。环形连接器10包括第一端口、第二端口和第三端口；发光器件9的光源输出端与环形连接器10的第一端口连接；探测单元12的信号输入端与环形连接器10的第三端口连接。

发光器件9为窄带光源，传感单元11包括外壳体4、换能薄膜5和传感光纤3，外壳体4为空腔结构，其采用硬铝材料，结构为哑铃结构，能够增加耐压值；换能薄膜5设置在外壳体4一端；传感光纤3一端与换能薄膜5连接，另一端穿过外壳体4另一端与环形连接器10的第二端口连接，传感光纤3的空心玻璃套管8中设置有两段单模光纤7，两段单模光纤7具有间隙，两段单模光纤7的间隙为50-300μm，能够减小传输光损耗，传感光纤3长度为7-12cm，该长度下能够增加灵敏度。当管道发生泄漏时，会产生声压，声压作用在换能薄膜5上使换能薄膜5发生形变，同时，空心玻璃套管8拾取扰动信号并发生应变，从而导致空心套管8内部两段单模光纤7端面的间隙发生变化，两段单模光纤7端面之间的间隙构成法布里珀罗腔(FP)，同时，从发光器件9传输至传感单元11的光信号在法布里珀罗腔(FP)进行干涉，并将干涉信号传输至探测单元12，从而实现了对泄漏位置的检测。这种结构设计可以利用弹性换能薄膜5将声压变化转化为传感光纤的形变，可有效提高传感光纤的应变响应度，从而达到增敏的作用。同时，传感单元11形成一个声学滤波器，采用两边大中间小的方式提高传感膜片换能效率，同时减小结构的谐振腔体积，提高滤波器的截止频率，增宽传感器的相应频带。

在本实施例中，空心玻璃套管8壁厚为20-50μm，其不仅具有更小的横截面积，而且增加空心玻璃套管8的长度，不会增加FP腔长，这样既实现了传感器的有效增敏又不会引入额外噪声。另外，通过优化空心玻璃套管8材料的热膨胀系数，可使空心玻璃套管8的温敏系数和内部结构一致，实现传感器的温度自补偿功能，降低热噪声，提高次声传感器的信噪比。

换能薄膜5选用耐压耐腐蚀的聚苯硫醚(PPS)或ppt塑胶原料等聚合物材料，聚合物具有很低的杨氏模量，可有效增加传感器的低频响应度；换能薄膜5的半径为1-2cm，厚度为5-20μm，由于该装置对薄膜本身的平整度要求较高，如果换能薄膜5面积太大，在制作和安装时很难保证平整度，因此，薄膜的面积不能太大，如果太薄则容易破，而本换能薄膜5的尺寸既能保证使用要求，又能保证灵敏度。传感光纤3一端通过聚酯胶6与换能薄膜5连接。

在本实施例中，外壳体4另一端设置有固定螺帽1，传感光纤3另一端穿过固定螺帽1，固定螺帽1上开设多个平衡孔2，平衡孔2的数量为两个，尺寸为1-2mm，平衡孔2用于平衡传感器的内外压强，从而保证传感器工作性能不受外界压力变化影响。

该传感器可应用于地震，海啸，管道泄漏等高压、强磁场、强腐蚀等环境中，下面以应用在管道泄露领域对工作原理进行阐述。

工作原理：将该光纤传感器在管道中，当管道发生泄漏时，会产生声压，声压作用在换能薄膜5上使换能薄膜5发生形变，空心玻璃套管8拾取扰动信号并发生应变，从而导致空心套管8内部两段单模光纤7端面的间隙发生变化，进而引起相位发生变化，两段单模光纤7端面之间的间隙构成法布里珀罗腔(FP)，同时，从发光器件9传输至传感单元11的光在法布里珀罗腔(FP)进行干涉，并将干涉信号传输至探测单元12，从而实现了对泄漏位置的检测。

由以上描述可知，通过弹性换能薄膜5将声压变化转化为传感光纤的形变，可有效提高传感光纤的应变响应度，从而达到增敏的作用；两段单模光纤7端面之间的间隙构成法布里珀罗腔，通过空心玻璃套管8拾取扰动信号发生应变，导致空心套管8内部两段单模光纤7端面的间隙发生变化，进而引起相位发生变化，能够形成基于声压-形变-应变-位移-相位的转换方式，从发光器件9传输至传感单元11的光在法布里珀罗腔(FP)进行干涉，将干涉信号传输至探测单元12，实现了对泄漏位置的检测，有效提高传感器的灵敏度，降低传感器的自噪声。

以上所述实施例仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤次声传感器，其特征在于，包括：

发光器件(9)；

环形连接器(10)，包括第一端口、第二端口和第三端口；所述发光器件(9)的光源输出端与所述环形连接器(10)的第一端口连接；

探测单元(12)，其信号输入端与所述环形连接器(10)的第三端口连接；

传感单元(11)，包括：

外壳体(4)，为空腔结构；

换能薄膜(5)，设置在所述外壳体(4)一端；

传感光纤(3)，一端与所述换能薄膜(5)连接，另一端穿过所述外壳体(4)另一端与所述环形连接器(10)的第二端口连接，所述传感光纤(3)的空心玻璃套管(8)中设置有两段单模光纤(7)，两段所述单模光纤(7)具有间隙。

2.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，所述传感光纤(3)一端通过聚酯胶(6)与所述换能薄膜(5)连接。

3.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，所述外壳体(4)另一端设置有固定螺帽(1)，所述传感光纤(3)另一端穿过所述固定螺帽(1)，所述固定螺帽(1)上开设多个平衡孔(2)，所述平衡孔(2)的尺寸为1-2mm。

4.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，所述空心玻璃套管(8)外端和单模光纤(7)通过电极放电熔融焊焊接。

5.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，所述换能薄膜(5)选用聚苯硫醚PPS或ppt塑胶原料。

6.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，所述换能薄膜(5)半径为1-2cm，厚度为5-20μm。

7.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，所述空心玻璃套管(8)壁厚为20-50μm。

8.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，两段所述单模光纤(7)的间隙为50-300μm，所述传感光纤(3)长度为7-12cm。

9.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，所述发光器件(9)为窄带光源。

10.根据权利要求1所述的光纤次声传感器，其特征在于，所述外壳体(4)采用铝材料，其结构为哑铃结构。

Images