一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器制造技术

本发明专利技术公开了一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，主要包括光纤加速度传感单元，该水听器由4个光纤加速度传感单元串联组成，2×2耦合器和法拉第旋转镜固定在干涉仪盒中，加速度传感单元和干涉仪盒固定在聚氨酯泡沫板上，固定螺钉分布在聚氨酯泡沫板的四角，水听器的输入和输出光纤由光缆引出，最外层由聚氨酯胶层灌注密封；其中光纤加速度传感单元主要包括光纤盘、增敏结构和外壳，两个光纤盘用聚氨酯胶粘接在增敏结构的上下表面，增敏结构与上下两个外壳之间用环氧胶粘接。本发明专利技术的有益效果为：对于共形阵水听器宽工作频带、高灵敏度的要求，进行了加速度传感单元及水听器的光路和结构的优化设计，解决了相应的工艺实现及装配技术问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水声光纤传感
，更确切地说，是一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器。
技术介绍
共形阵和舷侧阵声纳在工程应用中遇到的问题有两个方面:一方面，传统的声压水听器作为阵元，需在艇壳与水听器模块间加装刚性的硬障板，由于通常厚度较大，障板重量很重，致使整阵重量超过十多吨；另一方面，共形、舷侧阵声纳为了提高基阵增益，通常基阵由数百甚至数千基元的水听器构成。光纤矢量水听器的出现为解决上述两个问题提出一种很好的解决方案。目前，矢量水听器的应用主要集中在甚低频以下频段，对于如何在中低频段较宽的频带范围内，实现平坦的灵敏度响应，国内外鲜有报道。光纤作为一种新的传感介质，应用于水声传感器中具有灵敏度高、抗电磁干扰、湿端无需供电、易于大规模复用等诸多优点，且光纤矢量水听器安装时只需采用轻质的软障板，大大减轻共形阵和舷侧阵声纳基阵的重量，已经成为新一代水声探测技术和装备的重要发展方向。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器。本专利技术要解决的技术问题。1、加速度传感单元作为矢量水听器的核心传感元件，其结构设计既要提高拾取振动方向的加速度灵敏度，又要降低对于声压场和其它方向振动加速度的灵敏度。特别是应用于共形阵和舷侧阵声纳的平面型光纤矢量水听器，需要在很宽的频率范围内实现平坦的灵敏度响应，必须对加速度传感单元进行合理的优化设计。2、其次，传统的水声光纤传感器通常将参考光纤与传感光纤分开，不能同时接收外界环境变化的调制。本技术方案采用推挽式结构，对其他方向的振动加速度有抵消作用，两臂光纤都封装在传感器内部，不直接接收外界环境变化的调制，有效降低了自噪声。3、另外，矢量水听器必须考虑零浮力、中心对称性等问题，既要保证整体结构的稳定性，又要尽量缩小尺寸，为矢量水听器的成阵应用提供有利的条件。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的。这种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，主要包括光纤加速度传感单元，该水听器由4个光纤加速度传感单元串联组成，2X 2耦合器和法拉第旋转镜固定在干涉仪盒中，加速度传感单元和干涉仪盒固定在聚氨酯泡沫板上，固定螺钉分布在聚氨酯泡沫板的四角，水听器的输入和输出光纤由光缆引出，最外层由聚氨酯胶层灌注密封；其中光纤加速度传感单元主要包括光纤盘、增敏结构和外壳，两个光纤盘用聚氨酯胶粘接在增敏结构的上下表面，增敏结构与上下两个外壳之间用环氧胶粘接；在加速度的作用下，增敏结构由于惯性作用发生弯曲形变，带动增敏结构表面光纤盘的光纤长度发生变化，从而使光纤中传输的干涉光信号产生相位差，通过对干涉光信号相位差的检测，光纤加速度传感单元实现对加速度信号的提取。激光器发出一束经由信号发生器光频调制的光信号，经过隔离器和衰减器，由2X2耦合器分成两束相同的光，分别输入加速度传感单元的上下两个光纤盘；两束光依次经过四个加速度传感单元，再经两个法拉第旋转镜反射，再次输入2X 2耦合器合束并发生干涉，干涉后的光信号通过光探测器接收并转换为电信号，最后由解调仪检测出相位差变化。本专利技术的有益效果为:(1)工作频带宽；平面型光纤矢量水听器的工作频带范围覆盖近4个倍频程。(2)灵敏度高；平面型光纤矢量水听器的在2kHz时的等效声压相移灵敏度不小于-145dB ref.1rad/uPa，每倍频程灵敏度增加6dB，且有良好的八字形指向性。(3)重量轻，单个模块质量小于1kg ;且由于矢量水听器安装时采用轻质软障板，总体质量与传统的声压水听器有很大优势；(4)与声压水听器配合使用可实现声压和振速信号的联合信息处理。【附图说明】图1加速度传感单元侧视剖面结构示意图；图2平面型光纤矢量水听器光路原理图；图3平面型光纤矢量水听器正视结构示意图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明:本专利技术所述的这种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，主要包括光纤加速度传感单元10，该水听器由4个光纤加速度传感单元10串联组成，2X2耦合器32和法拉第旋转镜31固定在干涉仪盒30中，加速度传感单元10和干涉仪盒30固定在聚氨酯泡沫板41上，固定螺钉43分布在聚氨酯泡沫板41的四角，水听器的输入和输出光纤由光缆44引出，最外层由聚氨酯胶层42灌注密封；其中光纤加速度传感单元10主要包括光纤盘11、增敏结构12和外壳13，两个光纤盘11用聚氨酯胶粘接在增敏结构12的上下表面，增敏结构12与上下两个外壳13之间用环氧胶粘接；在加速度的作用下，增敏结构12由于惯性作用发生弯曲形变，带动增敏结构12表面光纤盘11的光纤长度发生变化，从而使光纤中传输的干涉光信号产生相位差，通过对干涉光信号相位差的检测，光纤加速度传感单元10实现对加速度信号的提取。激光器21发出一束经由信号发生器26光频调制的光信号，经过隔离器22和衰减器23，由2X2耦合器32分成两束相同的光，分别输入加速度传感单元10的上下两个光纤盘11 ;两束光依次经过四个加速度传感单元10，再经两个法拉第旋转镜31反射，再次输入2X2耦合器32合束并发生干涉，干涉后的光信号通过光探测器24接收并转换为电信号，最后由解调仪25检测出相位差变化。 1、加速度传感单元弹性盘式增敏结构方案加速度传感单元10采用弹性盘式增敏结构，尺寸为Φ40ι?πιΧ 17mm，如附图1所示，增敏结构12材料选用不锈钢，外壳13材料选用铝，光纤盘11绕制三层，采用先绕后粘的方式。首先，光纤通过绕线夹具绕制成圆盘形，绕线夹具的夹层厚度可控制光纤绕线层数，用紫外固化胶进行预先固化。为了使传感光纤与增敏结构充分接触和配合，再用粘接夹具将光纤盘11粘接到弹性片上。其次，外壳13与增敏结构12的粘接过程，需通过装配夹具保证中心对称，并在外壳13的出纤孔处做好保护。2、平面型光纤矢量水听器光路技术方案采用四个光纤加速度传感单元10串联的方式。各传感器的尾纤相熔接，并与两个法拉第旋转镜31和2 X 2耦合器32组成光纤Michelson干涉仪。水听器的光路及光电系统组成如附图2所示。理论上光纤矢量水听器的灵敏度将比单个传感单元的灵敏度提高12dB03、平面型光纤矢量水听器封装技术方案平面型光纤矢量水听器模块，整体装配后如附图3所示。采用低密度的硬质聚氨酯泡沫板41进行零浮力配重，同时保证其在同一平面上接收声信号调制。熔接点、法拉第旋转镜31和2X2耦合器32需进行合理的放置，以减小外界振动信号对干涉光路的影响，最后以聚氨酯胶层42灌注密封。平面型光纤矢量水听器的制作工序如下:1、光纤盘11绕线。光纤盘11的绕线需采用特殊的夹具，边绕线边涂紫外固化胶，夹具的其中一面为透光的有机玻璃材料，绕线完成后，用紫外光照射有机玻璃的一面使光纤盘11成型，最后从绕线夹具上取下光纤盘11。2、光纤盘11粘接。粘接夹具分为上下两部分，通过夹具的聚四氟乙烯槽将光纤盘11限位，将两个光纤盘11和增敏结构12弹性圆片同心对准，在弹性片与光纤盘11的粘接面上涂聚氨酯胶，压紧后放入烘箱中加温固化。3、加速度传感单元10粘接。在上下外壳13粘接面均勾涂环氧胶，通过装配夹具使粘有光纤盘11的弹性片与上下外壳保持同心，尾纤从外壳13出纤孔处引出，压紧后常温固化。加速度传感单元10制作完成后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，主要包括光纤加速度传感单元(10)，其特征在于：该水听器由4个光纤加速度传感单元(10)串联组成，2×2耦合器(32)和法拉第旋转镜(31)固定在干涉仪盒(30)中，加速度传感单元(10)和干涉仪盒(30)固定在聚氨酯泡沫板(41)上，固定螺钉(43)分布在聚氨酯泡沫板(41)的四角，水听器的输入和输出光纤由光缆(44)引出，最外层由聚氨酯胶层(42)灌注密封；其中光纤加速度传感单元(10)主要包括光纤盘(11)、增敏结构(12)和外壳(13)，两个光纤盘(11)用聚氨酯胶粘接在增敏结构(12)的上下表面，增敏结构(12)与上下两个外壳(13)之间用环氧胶粘接；在加速度的作用下，增敏结构(12)由于惯性作用发生弯曲形变，带动增敏结构(12)表面光纤盘(11)的光纤长度发生变化，从而使光纤中传输的干涉光信号产生相位差，通过对干涉光信号相位差的检测，光纤加速度传感单元(10)实现对加速度信号的提取。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金梦群，王力求，张自丽，葛辉良，倪程辉，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33