专利名称:一种活塞式光纤光栅水听器的制作方法
技术领域:
本发明涉及光纤传感器技术领域,尤其涉及一种新型的活塞式光纤光 栅水听器。
背景技术:
光纤传感器与对应的常规传感器相比,在灵敏度、动态范围、可靠性 等方面具有明显的优势,在国防、军事应用领域显得尤为突出,被许多国 家列为重点发展的国防技术。
光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生 的种种调制效应,探测液体中压力、声音等信号的仪器。它与传统的压电 类传感器相比,有以下主要优势频带宽、声压灵敏度高、不受电磁千扰、 重量轻、可设计成任意形状,以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优 点。
鉴于光纤水听器的如上技术优势,可满足各发达国家在石油、军事等 领域的要求,目前已经在此方面积极展开研究。在常见的强度调制型、数 字式、光纤光栅式光纤水听器中,光纤光栅式水听器是目前的主要研究方 向。
郑承栋等人报道了一种光纤光栅水听器,是采用在将光纤光栅封装在 一端幵口的金属筒中的方法。金属筒中有灌封的聚合物材料,并且只承受 金属筒开口方向的压力。当有声压作用时,聚合物收縮,带动光纤光栅产 生应变,从而检测压强。这样制作的光纤压强传感器由于光纤光栅受压, 容易使光纤光栅产生啁啾和弯曲,不但限制了水听器的灵敏度,同时也影 响信号的检测。同时该光纤光栅水听器只靠聚合物本身抵抗静压,能够承 受的静压有限,不适于在较深的环境工作。
因此,如何提高水听器的压力测量灵敏度并且使水听器可工作在不同 的深度,是光纤光栅水听器大规模应用必需解决的重要技术问题。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种活塞式光纤光栅水听器, 以提高光纤光栅水听器的高灵敏度,并使水听器可在不同的静压环境下工 作。
(二) 技术方案
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的-一种活塞式光纤光栅水听器,该光纤光栅水听器包括-作为水听器主体的支撑筒10;
套装在支撑筒10表面的保护套筒20,用于保护支撑筒10及支撑筒
10内部的结构;
对称安装在所述支撑筒10内部的第一活塞和第二活塞40,用于感受 压强并在压强作用下沿活塞的法向方向产生位移;
安装于所述支撑筒10内部并贯穿所述第一活塞和第二活塞的光纤光 栅30,用于测量水声压。
该光纤光栅水听器在支撑筒10侧壁沿轴向在中部进一步包括有梳状 轴对称分布的孔12,用于使得外界声压进入水听器支撑筒的中间腔13, 并作用在第一活塞和第二活塞40上。
上述方案中,所述支撑筒10为一轴向对称结构,支撑筒10两端部中 央分别开有孔11,用于引出光纤光栅30的尾纤并用于填充密封材料。
上述方案中,所述第一活塞和第二活塞40由橡胶、塑料、金属、或 复合材料制成,在其相对的一面的中央进一步安装有硬中心41,用于提高 活塞的等效刚度,增大由水压引起的在光纤光栅30中的应变。
上述方案中,所述光纤光栅30穿过第一活塞、第二活塞40和硬中心 41的中央并与第一活塞、第二活塞40通过粘接的方式固定,光纤光栅30 中具有一定的初始拉应力。
上述方案中,所述硬中心41的刚度远大于活塞40的刚度。 上述方案中,所述支撑筒10中第一活塞和第二活塞之间的部分为中 间腔13,中间腔13中充满液体,用于传递声压。上述方案中,所述支撑筒10的中间腔13通过保护套筒20成为一密 闭腔,该密闭腔中充满的液体为水或油。
上述方案中,所述支撑筒10中第一活塞或第二活塞与支撑筒10两端
之间的部分为侧腔,侧腔为密闭腔,其中为常压下的气体,或抽成真空或 半真空,用于为第一活塞或第二活塞的移动提供空间,增加水听器的灵敏 度。
上述方案中,所述保护套筒20为透声材料制造,具有一定的刚度, 用于抵抗一定的静水压力,使得光纤光栅水听器工作在水底深处。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果
1、 本发明提供的这种活塞式光纤光栅水听器,通过活塞将水作用于 活塞上的轴向压强转变为光纤光栅的轴向应力,此轴向应力远大于水声压 直接作用于光纤光栅上时所产生的轴向应力,提高了光纤光栅水听器的高 灵敏度。
2、 本发明提供的这种活塞式光纤光栅水听器,通过管式聚合物弹性
体封装的方法,使光纤光栅水听器的体积很大程度上减小。在本技术方案
中,支撑筒的外径可以小于10mm。
3、 本发明提供的这种活塞式光纤光栅水听器,由于采用的保护套筒 可以承受较大的静压,用于平衡静水压力,所以可以使水听器可在较深的 环境工作。
图1为本发明提供的活塞式光纤光栅水听器的结构剖面图。 图2为本发明提供的活塞式光纤光栅水听器的中部侧剖图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实 施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
如图1和图2所示,图1为本发明提供的活塞式光纤光栅水听器的结构剖面图,图2为本发明提供的活塞式光纤光栅水听器的中部侧剖图。
该光纤光栅水听器包括作为水听器主体的支撑筒10;套装在支撑筒 10表面的保护套筒20,用于保护支撑筒10及支撑筒10内部的结构;对 称安装在所述支撑筒10内部的第一活塞和第二活塞40,用于感受压强并 在压强作用下沿活塞的法向方向产生位移;安装于所述支撑筒10内部并 贯穿所述第一活塞和第二活塞的光纤光栅30,用于测量水声压。
该光纤光栅水听器在支撑筒10侧壁沿轴向在中部进一步包括有梳状 轴对称分布的孔12,用于使得外界声压进入水听器支撑筒的中间腔13, 并作用在第一活塞和第二活塞40上。
支撑筒10为一轴向对称结构,支撑筒10两端部中央分别开有孔11, 用于引出光纤光栅30的尾纤并可用于填充密封材料。
第一活塞和第二活塞40由橡胶、塑料、金属、或其它复合材料制成, 在其中央相对的一面的中央进一步安装有硬中心41,用于提高活塞的等效 刚度,增大由水压引起的在光纤光栅30中的应变。硬中心41的刚度应远 大于活塞40的刚度,这样才可以提高活塞的等效刚度。
光纤光栅30穿过第一活塞、第二活塞(40)和硬中心(41)的中央 并与第一活塞、第二活塞40通过粘接的方式固定,光纤光栅30中一般具 有一定的初始拉应力,该初始拉应力可以使光纤光栅30保持张紧状态。
支撑筒10中第一活塞和第二活塞之间的部分为中间腔13,中间腔13 中充满液体,用于传递声压。
支撑筒10的中间腔13通过保护套筒20成为一密闭腔,该密闭腔中
充满的液体为水、油等。
支撑筒10中第一活塞或第二活塞与支撑筒10两端之间的部分为侧 腔,侧腔为密闭腔,其中为常压下的气体,亦可以抽成真空或半真空状态, 用于为第一活塞或第二活塞的移动提供空间,增加水听器的灵敏度。
保护套筒20为透声材料制造,具有一定的刚度,用于抵抗一定的静 水压力,使得光纤光栅水听器工作在水底深处。
本发明提供的这种活塞式光纤光栅水听器的工作原理如下当该光纤 光栅水听器置于水(或其他液体)中时,水中的声场可以透过保护套筒20 耦合到水听器支撑筒10的中间腔13中,并通过中间腔13中的液体作用在活塞40和硬中心41的端面上,从而压动活塞40和硬中心41向支撑筒 10的两端方向产生位移。硬中心41的刚度大于活塞40的刚度,故可以克 服由于光纤光栅30的压力造成的活塞40的变形,从而增加了活塞40的 等效刚度。由于活塞40和光纤光栅30粘接固定,从而带动光纤光栅产生 应变。对于光纤光栅,其反射波长的变化量与所受应变成正比,故通过检 测波长的变化量可以得到外界压强的大小。
另外,可以通过调节支撑筒10的外径,活塞40和硬中心41的半径 等参数等来调节光纤光栅水听器的灵敏度。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而 已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修 改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、 一种活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,该光纤光栅水听器包括作为水听器主体的支撑筒(10);套装在支撑筒(10)表面的保护套筒(20),用于保护支撑筒(10)及支撑筒(10)内部的结构;对称安装在所述支撑筒(10)内部的第一活塞和第二活塞(40),用于感受压强并在压强作用下沿活塞的法向方向产生位移;安装于所述支撑筒(10)内部并贯穿所述第一活塞和第二活塞的光纤光栅(30),用于测量水声压。
2、 根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,该 光纤光栅水听器在支撑筒(10)侧壁沿轴向在中部进一步包括有梳状轴对 称分布的孔(12),用于使得外界声压进入水听器支撑筒的中间腔(13), 并作用在第一活塞和第二活塞(40)上。
3、 根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,所 述支撑筒(10)为一轴向对称结构,支撑筒(10)两端部中央分别开有孔(11),用于引出光纤光栅(30)的尾纤并用于填充密封材料。
4、 根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,所 述第一活塞和第二活塞(40)由橡胶、塑料、金属、或复合材料制成,在 其相对的一面的中央进一步安装有硬中心(41),用于提高活塞的等效刚 度,增大由水压引起的在光纤光栅(30)中的应变。
5、 根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,所 述光纤光栅(30)穿过第一活塞、第二活塞(40)和硬中心(41)的中央 并与第一活塞、第二活塞(40)通过粘接的方式固定,光纤光栅(30)中 具有一定的初始拉应力。
6、 根据权利要求1、 4和5中任一项所述的活塞式光纤光栅水听器, 其特征在于,所述硬中心(41)的刚度远大于活塞(40)的刚度。
7、 根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,所 述支撑筒(10)中第一活塞和第二活塞之间的部分为中间腔(13),中间腔(13)中充满液体,用于传递声压。
8、 根据权利要求6所述的活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,所 述支撑筒(10)的中间腔(13)通过保护套筒(20)成为一密闭腔,该密 闭腔中充满的液体为水或油。
9、 根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,所 述支撑筒(10)中第一活塞或第二活塞与支撑筒(10)两端之间的部分为 侧腔,侧腔为密闭腔,其中为常压下的气体,或抽成真空或半真空,用于 为第一活塞或第二活塞的移动提供空间,增加水听器的灵敏度。
10、 根据权利要求1所述的活塞式光纤光栅水听器,其特征在于,所 述保护套筒(20)为透声材料制造,具有一定的刚度,用于抵抗一定的静 水压力,使得光纤光栅水听器工作在水底深处。
全文摘要
本发明涉及光纤传感器技术领域,公开了一种活塞式光纤光栅水听器,该光纤光栅水听器包括作为水听器主体的支撑筒;套装在支撑筒表面的保护套筒,用于保护支撑筒及支撑筒内部的结构;对称安装在所述支撑筒内部的第一活塞和第二活塞,用于感受压强并在压强作用下沿活塞的法向方向产生位移;安装于所述支撑筒内部并贯穿所述第一活塞和第二活塞的光纤光栅,用于测量水声压。利用本发明,提高了光纤光栅水听器的高灵敏度,并使水听器可以在不同的静压环境下工作。
文档编号G01L1/24GK101285700SQ20071006532
公开日2008年10月15日 申请日期2007年4月11日 优先权日2007年4月11日
发明者刘丽辉, 刘育梁, 张文涛, 芳 李 申请人:中国科学院半导体研究所