RU151870U1

RU151870U1 - FIBER OPTICAL HYDROPHONE

Info

Publication number: RU151870U1
Application number: RU2014132129/28U
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Плотников; Игорь Касьянович Мешковский; Андрей Владимирович Куликов
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2015-04-20

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в гидроакустике для измерения параметров гидроакустического излучения подводных и надводных объектов в натурных водоемах и гидроакустических бассейнах. Сущность полезной модели заключается в том, что чувствительный элемент волоконно-оптического гидрофона выполнен в виде выпуклого тела вращения, полностью заполненного силоксановым эластомером, размещенного соосно вокруг жесткого сердечника, а степень свободы колебаний выпуклого тела вращения вдоль его оси вращения ограничена механизмами для приложения механического усилия. Регулировка прикладываемого к телу вращения механического усилия позволяет изменять чувствительность волоконно-оптического гидрофона. 2 п.ф., 2 илл. The utility model relates to the field of measurement technology and can be used in sonar to measure the parameters of sonar radiation of underwater and surface objects in natural reservoirs and sonar pools. The essence of the utility model is that the sensitive element of the fiber-optic hydrophone is made in the form of a convex body of revolution, completely filled with a siloxane elastomer, placed coaxially around a rigid core, and the degree of freedom of oscillations of the convex body of revolution along its axis of rotation is limited by mechanisms for applying mechanical force. Adjustment of the mechanical force applied to the body of rotation allows you to change the sensitivity of the fiber-optic hydrophone. 2 pf, 2 ill.

Description

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИДРОФОНFIBER OPTICAL HYDROPHONE

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в гидроакустике для измерения параметров гидроакустического излучения подводных и надводных объектов в натурных водоемах и гидроакустических бассейнах.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used in sonar to measure the parameters of sonar radiation of underwater and surface objects in natural reservoirs and sonar pools.

Известен волоконно-оптический гидрофон (ВОГ), содержащий оптически соединенный с источником когерентного оптического излучения и с фотоприемником интерферометр, включающий опорное плечо, образованное опорным оптическим волокном, и чувствительное плечо, образованное чувствительным оптическим волокном, причем чувствительное оптическое волокно намотано на эластичный полый сердечник, внутри которого имеется поддерживающий элемент цилиндрической формы, формирующий герметичную полость под внутренней поверхностью эластичного сердечника, заполненную воздухом или схожим веществом, а опорное оптическое волокно намотано на жесткий сердечник, расположенный коаксиально к эластичному сердечнику и прилегающий к нему [Патент США № 6549488, кл. 367/149 (H04R 23/00), дата публ. 15.04.2003].A fiber optic hydrophone (FOG) is known, comprising an interferometer optically connected to a coherent optical radiation source and to a photodetector, including a support arm formed by a reference optical fiber, and a sensitive arm formed by a sensitive optical fiber, the sensitive optical fiber being wound on an elastic hollow core, inside of which there is a supporting element of cylindrical shape, forming a sealed cavity under the inner surface of the elastic core filled with air or a similar substance, and the reference optical fiber is wound on a rigid core located coaxially with and adjacent to the elastic core [US Patent No. 6549488, cl. 367/149 (H04R 23/00), date publ. 04/15/2003].

Недостатками известного ВОГ является невозможность его работы при больших уровнях гидростатического давления из-за наличия герметичной полости, заполненной воздухом или схожим веществом, сложность конструкции, предусматривающей двукратную намотку оптических волокон в процессе ее изготовления, а также отсутствие возможности регулировки чувствительности.The disadvantages of the well-known FOG are the impossibility of its operation at high levels of hydrostatic pressure due to the presence of a sealed cavity filled with air or a similar substance, the complexity of the design, providing for the double winding of optical fibers during its manufacture, as well as the lack of the ability to adjust sensitivity.

Известен ВОГ для работы при больших уровнях гидростатического давления, принятый за прототип, содержащий оптически соединенный с источником когерентного оптического излучения,и с фотоприемником, интерферометр, включающий опорное плечо, образованное опорным оптическим волокном, и чувствительное плечо, образованное чувствительным оптическим волокном, а также чувствительный элемент, представляющий собой жесткий сердечник с намотанным на него опорным оптическим волокном и размещенным вокруг него слоем эластичного материала, на который намотано чувствительное оптическое волокно, покрытое дополнительным слоем эластичного материала и слоем защитного покрытия [Патент США № 5625724, кл. 385/12, 385/13, 385/100 (G02B 6/00, G01B 9/02, Н04В 13/00), дата публ. 29.04.1997.].FOG is known for operation at high levels of hydrostatic pressure, adopted as a prototype, comprising an optically coupled to a coherent optical radiation source and a photodetector, an interferometer including a support arm formed by a reference optical fiber, and a sensitive arm formed by a sensitive optical fiber, as well as a sensitive an element representing a rigid core with a supporting optical fiber wound around it and a layer of elastic material placed around it, on which wound sensitive optical fiber coated with an additional layer of elastic material and a layer of protective coating [U.S. Patent № 5625724, cl. 385/12, 385/13, 385/100 (G02B 6/00, G01B 9/02, HB04B 13/00), date publ. 04/29/1997.].

Недостатками прототипа является недостаточная чувствительность и отсутствие возможности регулировки чувствительности.The disadvantages of the prototype is the lack of sensitivity and the inability to adjust the sensitivity.

Кроме того, конструкция предусматривает двукратную намотку оптических волокон в процессе ее изготовления, что усложняет процесс ее изготовления.In addition, the design provides for double winding of optical fibers in the process of its manufacture, which complicates the process of its manufacture.

Полезная модель решает задачу повышения чувствительности ВОГ и обеспечение возможности ее регулировки.The utility model solves the problem of increasing the sensitivity of VOG and providing the possibility of its adjustment.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном ВОГ, содержащем оптически соединенный с источником когерентного оптического излучения и с фотоприемником интерферометр, включающий опорное плечо, образованное опорным оптическим волокном, и чувствительное плечо, образованное чувствительным оптическим волокном, а также чувствительный элемент, представляющий собой жесткий сердечник с размещенным вокруг него слоем эластичного материала, на который намотано чувствительное оптическое волокно, покрытое дополнительным слоем эластичного материала и слоем защитного покрытия, слой эластичного материала, размещенный вокруг жесткого сердечника, представляет собой выпуклое тело вращения, полностью заполненное эластичным материалом и соосно размещенное с жестким сердечником, степень свободы колебаний которого вдоль его оси вращения ограничена механизмами для приложения механического усилия, вплотную прилегающими к поверхностям выпуклого тела вращения, перпендикулярным его оси вращения, а эластичный материал представляет собой силоксановый эластомер.This technical result is achieved due to the fact that in the well-known FOG containing an interferometer optically connected to a coherent optical radiation source and a photodetector, including a support arm formed by a reference optical fiber, and a sensitive arm formed by a sensitive optical fiber, as well as a sensitive element representing a rigid core with a layer of elastic material placed around it, on which a sensitive optical fiber is wound m with a layer of elastic material and a layer of protective coating, the layer of elastic material placed around a rigid core is a convex body of revolution completely filled with elastic material and coaxially placed with a rigid core, the degree of freedom of oscillations of which along its axis of rotation is limited by mechanisms for applying mechanical force, adjacent to the surfaces of the convex body of revolution, perpendicular to its axis of rotation, and the elastic material is a siloxane elastome R.

При этом жесткий сердечник представляет собой цилиндрический стержень с резьбой, а каждый механизм для приложения механического усилия, ограничивающий степень свободы колебаний выпуклого тела вращения силоксанового эластомера вдоль его оси вращения, вплотную прилегает к поверхности выпуклого тела вращения, перпендикулярной его оси вращения, и представляет собой последовательно расположенные на оси жесткого сердечника и с возможностью перемещения вдоль нее жесткую пластину, перпендикулярную оси жесткого сердечника и выпуклого тела, пружину для регулировки прикладываемого усилия, вспомогательной пластины, ограничивающей пружину, и гайки.In this case, the rigid core is a cylindrical rod with a thread, and each mechanism for applying mechanical force, limiting the degree of freedom of oscillations of the convex body of rotation of the siloxane elastomer along its axis of rotation, is adjacent to the surface of the convex body of revolution perpendicular to its axis of rotation, and is sequentially located on the axis of the rigid core and with the possibility of moving along it a rigid plate perpendicular to the axis of the rigid core and convex body , a spring for adjusting the applied force, an auxiliary plate defining the spring, and a nut.

Для повышения технологичности изготовления, за счет исключения двукратной намотки оптических волокон, опорное оптическое волокно может быть вынесено за пределы чувствительного элемента и защищено от измеряемого гидроакустического воздействия и влияния окружающей среды.To increase the manufacturability of manufacturing, by eliminating the double winding of optical fibers, the reference optical fiber can be moved outside the sensing element and protected from the measured sonar and environmental influences.

Сущность полезной модели поясняется следующим.The essence of the utility model is explained as follows.

Под воздействием механического усилия, прикладываемого к выпуклому телу вращения, полностью заполненному силоксановым эластомером, с двух сторон в плоскостях, перпендикулярных его оси вращения, с помощью вышеуказанных механизмов для приложения механического усилия, выпуклое тело вращения, полностью заполненное силоксановым эластомером, деформируется, что приводит к ограничению степени свободы его колебаний вдоль оси вращения - в направлении, не совпадающем с направлением воздействия гидроакустического излучения. Это приводит к значительному уменьшению деформации выпуклого тела вращения и намотанного на него чувствительного оптического волокна в направлениях, не совпадающих с направлением воздействия гидроакустического излучения, а также к перераспределению энергии механических колебаний тела вращения под действием гидроакустического излучения, что приводит к увеличению деформаций выпуклого тела вращения и намотанного на него чувствительного оптического волокна в направлении воздействия гидроакустического излучения. Это приводит к повышению чувствительности ВОГ рассматриваемой конструкции к воздействию гидроакустического излучения.Under the influence of a mechanical force applied to a convex body of revolution completely filled with a siloxane elastomer, on two sides in planes perpendicular to its axis of rotation, using the above mechanisms for applying mechanical force, a convex body of revolution completely filled with a siloxane elastomer is deformed, which leads to limiting the degree of freedom of its oscillations along the axis of rotation - in a direction that does not coincide with the direction of impact of hydroacoustic radiation. This leads to a significant decrease in the deformation of the convex body of revolution and the sensitive optical fiber wound around it in directions that do not coincide with the direction of impact of hydroacoustic radiation, as well as to the redistribution of energy of mechanical vibrations of the body of rotation under the action of hydroacoustic radiation, which leads to an increase in deformations of the convex body of revolution and sensitive optical fiber wound around it in the direction of impact of hydroacoustic radiation. This leads to an increase in the sensitivity of the VOG of the considered design to the effects of hydroacoustic radiation.

Регулировка прикладываемого механического усилия к выпуклому телу вращения с намотанным на него чувствительным оптическим волокном с помощью механизмов для приложения механического усилия позволяет увеличивать или уменьшать степень деформации выпуклого тела вращения, что позволяет тем самым регулировать чувствительность ВОГ. Выпуклая форма тела вращения обеспечивает детерминированное направление деформации всех точек боковых поверхностей тела вращения в направлении, перпендикулярном оси вращения, при приложении к нему механического усилия и одинаковое поведение всех витков оптического волокна при воздействии гидроакустического излучения.The adjustment of the applied mechanical force to the convex body of revolution with a sensitive optical fiber wound around it by means of mechanisms for applying mechanical force makes it possible to increase or decrease the degree of deformation of the convex body of rotation, thereby allowing the sensitivity of the FOG to be adjusted. The convex shape of the body of revolution provides a deterministic direction of deformation of all points of the lateral surfaces of the body of revolution in the direction perpendicular to the axis of rotation, when mechanical force is applied to it and the same behavior of all the turns of the optical fiber when subjected to hydroacoustic radiation.

Использование силоксанового эластомера в качестве материала для выпуклого тела вращения позволяет увеличить деформацию намотанного на него чувствительного оптического волокна под действием гидроакустического излучения за счет меньшего, чем у чувствительного оптического волокна, модуля Юнга.The use of a siloxane elastomer as a material for a convex body of revolution makes it possible to increase the deformation of a sensitive optical fiber wound around it under the influence of hydroacoustic radiation due to a smaller Young's modulus than that of a sensitive optical fiber.

Вынесение опорного оптического волокна за пределы чувствительного элемента ВОГ приводит к повышению технологичности изготовления, поскольку в процессе производства ВОГ не требуется осуществления двукратной намотки оптического волокна на чувствительный элемент, а также использования дополнительной защиты опорного оптического волокна в конструкции чувствительного элемента от воздействия измеряемого гидроакустического излучения и влияния окружающей среды.The removal of the reference optical fiber beyond the boundaries of the FOG sensing element leads to an increase in manufacturability, since during the FOG production it is not necessary to double-wind the optical fiber on the sensitive element, as well as to use additional protection of the reference optical fiber in the design of the sensitive element from the effects of the measured hydroacoustic radiation and the influence the environment.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема ВОГ, на фиг. 2 - пример конструкции чувствительного элемента ВОГ.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a schematic optical diagram of VOG; in FIG. 2 - an example of the design of the sensitive element of VOG.

ВОГ содержит опорное оптическое волокно 1 и чувствительное оптическое волокно 2, образующие интерферометр. Чувствительное оптическое волокно 2 является частью чувствительного элемента 3, в то время как опорное оптическое волокно 1 вынесено за пределы чувствительного элемента и защищено от измеряемого гидроакустического воздействия и влияния окружающей среды. Интерферометр оптически согласован с источником когерентного оптического излучения 4 и фотоприемником 5. Источник когерентного оптического излучения 4 и фотоприемник 5 защищены от воздействий окружающей среды и измеряемого гидроакустического излучения стенкой носителя 6. В качестве стенки носителя 6 может выступать герметичный корпус судна или оборудования, в котором непосредственно размещаются источник когерентного оптического излучения 4, фотоприемник 5 и опорное оптическое волокно 1, причем опорное оптическое волокно 1 намотано на отдельный жесткий сердечник. Объединение чувствительного оптического волокна 1 и опорного оптического волокна 2 в интерферометр может осуществляться согласно существующим интерферометрическим схемам, например [Yin S., Ruffin Р. В., Yu F. T. S. Fiber Optic Sensors, 2nd ed. - Pennsylvania State University// CRC Press Taylor & Francis Group, 2008. - 477 p.].FOG contains a reference optical fiber 1 and a sensitive optical fiber 2, forming an interferometer. The sensitive optical fiber 2 is part of the sensitive element 3, while the reference optical fiber 1 is placed outside the sensitive element and protected from the measured sonar and environmental influences. The interferometer is optically matched with the source of coherent optical radiation 4 and the photodetector 5. The source of coherent optical radiation 4 and the photodetector 5 are protected from environmental influences and measured hydroacoustic radiation by the wall of the carrier 6. The sealed hull of the vessel or equipment, which directly the source of coherent optical radiation 4, the photodetector 5 and the reference optical fiber 1 are placed, and the reference optical fiber 1 is wound around separate hard core. The combination of sensitive optical fiber 1 and reference optical fiber 2 into an interferometer can be carried out according to existing interferometric schemes, for example [Yin S., Ruffin R.V., Yu F. T. S. Fiber Optic Sensors, 2nd ed. - Pennsylvania State University // CRC Press Taylor & Francis Group, 2008. - 477 p.].

Чувствительный элемент ВОГ (фиг. 2) содержит жесткий сердечник 7, представляющий собой цилиндрический стержень с резьбой, вокруг которого размещен слой эластичного материала, выполненный в виде выпуклого тела вращения 8, соосно размещенного с жестким сердечником 7 и полностью заполненного эластичным материалом, на который намотано чувствительное оптическое волокно 2, дополнительное покрытое слоем эластичного материала 9 и тонким защитным покрытием 10. Слой эластичного материала, представляющий собой силоксановый эластомер, выполненный в виде выпуклого тела вращения 8, с двух сторон ограничен механизмами для приложения механического усилия.The FOG sensing element (Fig. 2) contains a rigid core 7, which is a cylindrical rod with a thread around which a layer of elastic material is placed, made in the form of a convex body of revolution 8, coaxially placed with a rigid core 7 and completely filled with elastic material, on which is wound sensitive optical fiber 2, additionally coated with a layer of elastic material 9 and a thin protective coating 10. A layer of elastic material, which is a siloxane elastomer, made in in the form of a convex body of revolution 8, on both sides is limited by mechanisms for applying mechanical force.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается ВОГ, в котором в качестве опорного оптического волокна и чувствительного оптического волокна, образующих интерферометр Маха-Цендера, используется двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой длиной 40 метров. В качестве источника оптического излучения предлагается использовать полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (VICSEL). В качестве фотоприемника может быть использован фотодиодный модуль PDI-40-RM.A VOG is proposed as a specific embodiment, in which a birefringent optical fiber with an elliptical tensile sheath 40 meters long is used as a reference optical fiber and a sensitive optical fiber forming a Mach-Zehnder interferometer. It is proposed to use a vertical-cavity semiconductor laser (VICSEL) as an optical radiation source. A PDI-40-RM photodiode module can be used as a photodetector.

Жесткий сердечник чувствительного элемента ВОГ представляет собой стальной цилиндрический стержень диаметром 6 мм с резьбой. В качестве формы выпуклого тела вращения чувствительного элемента предлагается эллипс с размерами полуосей, равными 2,5 см χ 2,5 см χ 7 см. Диаметр его боковых поверхностей, перпендикулярных его большой оси вращения, равен 40 мм. В качестве материала выпуклого тела вращения предлагается двухкомпонентный силоксановый эластомер, отверждаемый при комнатной температуре, RTV 655 с модулем Юнга 5,6 МПа и коэффициентом Пуассона 0,49932. Чувствительное оптическое волокно, намотанное на выпуклое тело вращения, дополнительно покрыто слоем RTV 655 с толщиной 0,5 мм и тонким защитным покрытием из фторопласта с толщиной 0,4 мм.The rigid core of the VOG sensing element is a steel cylindrical rod with a diameter of 6 mm with a thread. An ellipse with semiaxes of 2.5 cm χ 2.5 cm χ 7 cm is proposed as the shape of the convex body of revolution of the sensing element. The diameter of its lateral surfaces perpendicular to its major axis of rotation is 40 mm. As a material of a convex body of revolution, a two-component siloxane elastomer cured at room temperature, RTV 655 with a Young's modulus of 5.6 MPa and a Poisson's ratio of 0.49932, is proposed. The sensitive optical fiber wound around the convex body of revolution is additionally coated with a RTV 655 layer with a thickness of 0.5 mm and a thin protective coating of PTFE with a thickness of 0.4 mm.

Два механизма для приложения механического усилия, вплотную прилегающие к поверхностям выпуклого тела вращения, перпендикулярным его оси вращения, включают в себя металлическую шайбу толщиной 2 мм, диаметром 40 мм с отверстием по центру диаметром 7 мм, пружину для регулировки прикладываемого усилия с усилием сжатия 15 Ньютонов, вспомогательную металлическую шайбу толщиной 1 мм, диаметром 15 мм с отверстием по центру диаметром 7 мм, и гайки с резьбой, соответствующей резьбе жесткого сердечника.Two mechanisms for applying mechanical force adjacent to the surfaces of the convex body of revolution perpendicular to its axis of rotation include a metal washer 2 mm thick, 40 mm in diameter with a center hole of 7 mm in diameter, a spring for adjusting the applied force with a compression force of 15 Newtons , an auxiliary metal washer with a thickness of 1 mm, a diameter of 15 mm with a hole in the center with a diameter of 7 mm, and a nut with a thread corresponding to the thread of the hard core.

Вынесенное за пределы чувствительного элемента опорное оптическое волокно может быть защищено от воздействия измеряемого гидроакустического излучения и влияния окружающей среды, например, путем намотки на отдельный жесткий металлический сердечник и размещения в герметичном корпусе носителя, в качестве которого может выступать корпус судна или оборудования, в котором непосредственно размещаются источник когерентного оптического излучения, фотоприемник и опорное оптическое волокно.The reference optical fiber extended beyond the sensing element can be protected from the effects of measured hydroacoustic radiation and environmental influences, for example, by winding onto a separate rigid metal core and placing a carrier in an airtight hull, which can be the hull of a vessel or equipment in which a coherent optical radiation source, a photodetector, and a reference optical fiber are arranged.

Таким образом, предложенная конструкция ВОГ обеспечивает повышение чувствительности ВОГ и возможность ее регулировки. Кроме того, повышается технологичность изготовления ВОГ.Thus, the proposed design of the VOG provides an increase in the sensitivity of the VOG and the possibility of its adjustment. In addition, the manufacturability of VOG is increased.

Claims

1. A fiber optic hydrophone comprising an interferometer optically connected to a coherent optical radiation source and to a photodetector, including a support arm formed by a reference optical fiber and a sensing arm formed by a sensitive optical fiber, as well as a sensing element, which is a rigid core placed around a layer of elastic material on which a sensitive optical fiber is wound, coated with an additional layer of elastic material and a layer of protective a coating, characterized in that the layer of elastic material, placed around a rigid core, is a convex body of revolution, completely filled with elastic material and coaxially placed with a rigid core, the degree of freedom of oscillations of which along its axis of rotation on each side along the specified axis is limited by mechanisms for applying mechanical force adjacent to the surfaces of the convex body of revolution perpendicular to its axis of rotation, and the elastic material is a silox new elastomer.

2. The fiber-optic hydrophone according to claim 1, characterized in that the rigid core is a cylindrical rod with a thread, with each mechanism for applying mechanical force, limiting the degree of freedom of oscillations of the convex body of rotation of the siloxane elastomer along its axis, adjacent to the surfaces a convex body of revolution perpendicular to its axis of rotation, is a successively arranged rigid axis on the axis of the rigid core and with the possibility of moving along it a rigid plate ikulyarnuyu axis of the rigid core and the convex body of revolution, to adjust the spring force applied, the auxiliary plate bounding the spring, and nuts.

3. The fiber optic hydrophone according to claim 1 or 2, characterized in that the reference optical fiber is placed outside the sensing element and is protected from the measured sonar and environmental influences.