一种非对称结构增强的光纤传感器制造技术

本发明专利技术公开的一种非对称结构增强的光纤传感器，属于光纤传感和水下流场检测领域

【技术实现步骤摘要】
一种非对称结构增强的光纤传感器


[0001]本专利技术涉及一种非对称结构增强的光纤传感器，特别涉及一种光纤传感器对水流涡流探测能力增强的方法及结构制造方法，属于光纤传感和水下流场检测领域
。

技术介绍

[0002]目前水下探测主要依靠声呐和光学技术，受自身空间
、
功率的限制以及目前军事装备的反侦察技术的影响，声呐和传统光学传感技术在水下探测方面越来越受限，因此找到一种新的探测方式是非常有必要的
。
任何物体在水下移动后都会产生尾流，有些大型潜艇的尾流甚至会在水下存在数小时，很多水生生物利用这点来进行捕食和躲避天敌
。
因此开发一种水流涡流传感器可以对水下探测领域进行补充
。
[0003]传统的传感器大多采用电学方式进行信号拾取和传感，水下环境复杂且各种干扰较多，传统的电学传感在水下探测领域面临着防水封装
、
抗电磁干扰
、
结构复杂等问题的挑战，因此电学传感器不是最适合水下环境的传感器
。
近年来由于光纤传感技术的迅猛发展
,
光纤传感器的性能随之不断提高，可以完成现有测量技术难以实现的测量任务，在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力
。
光纤传感器作为一种新型的传感器，与电学传感器相比，具有体积小
、
探测灵敏度和精度高
、
抗干扰能力强
、
便于复用等优点，更适合在水下这种极为复杂的环境中工作，具有较高的稳定性
。
因此各国研究者针对海洋
、
油井等极其复杂环境的传感需求，开展了基于光纤传感的温度
、
压力
、
湿度等物理参数的探测
。
[0004]光纤光栅是发展极为迅速的一种光纤器件，其是利用紫外曝光的方法，使纤芯产生永久性折射率变化产生的，光纤光栅可以对经过的光波波长进行选择，随着光纤光栅制作工艺的不断发展和进步，光纤光栅很快成为波长调制型光纤传感技术的核心器件，在光纤传感技术中多应用于温度
、
压力传感器，并可构成分布测量系统
。
对于均匀正弦分布的光纤光栅，其光栅方程为：
[0005]λ
B
＝
2n
eff
Λ
[0006]其中，
λ
B
是光栅的中心波长；
n
eff
是有效折射率；
Λ
是光栅周期
。
在利用光纤光栅进行传感时，外界的环境会改变光纤光栅有效折射率和光栅周期，从而导致输出波长的变化，通过测量光纤光栅反射或透射光谱，从光谱信号中提取特征信息，是利用光纤光栅进行传感的基本原理
。
如光纤光栅超声传感器就是利用超声波作用于光纤光栅时，改变光纤光栅的应变分布，引起中心波长
λ
B
偏移的原理进行传感的
。
除了光纤传感器的优点以外，光纤光栅传感器还具有响应带宽较宽
、
传感探头结构简单
、
易复用等优点
。
但是，传统的光纤光栅传感器对水流扰动的耦合效率极低，很难探测到水流的变化，因此我们需要通过对光纤光栅传感器探头进行一定的设计，将水流与光纤的耦合作用极大地增强
。
[0007]现有的专利中对光纤传感器测水流的增强机制是利用翼型探针
、
悬臂梁封装成一个增敏结构，虽然可以增强光纤传感器与水流的相互作用，但是封装结构较复杂，且不利于复用
。
[0008]因此目前的水流传感器还存在以下却缺点：
[0009](1)
传统水流传感器采用电学式传感，不适用于水下复杂环境；
[0010](2)
光纤传感器因其自身优势适用于水下等复杂环境的探测，但是对于水流的耦合作用较弱，因此需要设计结构来增强光纤传感器与水流的作用；
[0011](3)
目前已有的光纤水流传感器的结构复杂，不利于光纤水流传感器朝着小型化的方向发展，且不易于复用
。

技术实现思路

[0012]为了解决光纤传感器在进行水流探测时，由于自身与水流耦合作用低，导致探测能力受限的问题，本专利技术的目的是提供一种非对称结构增强的光纤传感器，该传感器受水生动物的启发，其光纤探头为仿海豹胡须形状的非对称结构，用来增强光纤与水流的相互作用，实现对涡流的检测
。
[0013]本专利技术的目的通过下述方案实现：
[0014]本专利技术公开的一种非对称结构增强的光纤传感器，包括仿海豹胡须探头
、
圆柱型梁
、
圆柱型底座以及
DFB
光纤激光器
。
[0015]海豹在水中能够精确定位到猎物和躲避天敌追踪，其定位功能并非得益于其听觉和视觉，而是通过其胡须来进行精确定位，海豹胡须具有独特的几何形状，能够在对水流信号做出响应的同时大幅度地抑制涡激振动，避免“卡门涡街”的形成，极大地降低背景噪声
。
因此受水生动物的启发，将海豹胡须应用与光纤传感器上，增强水流与光纤传感器的耦合作用
。
[0016]所述仿海豹胡须探头与所述圆柱型梁连接，所述圆柱型梁与所述圆柱型底座制成一个整体；所述仿海豹胡须探头具有海豹胡须外形，所述
DFB
光纤激光器的光纤固定在所述圆柱型梁的侧面，用于将圆柱型梁的应变转换成光信号
。
[0017]所述
DFB
光纤激光器是光纤光栅激光器的一种，其核心是有源光纤器件，能够在提供能量更强的激射光的同时提高传感器的信噪比，力作用在
DFB
激光器的光纤上，改变光纤中的应变分布，从而调节
DFB
激光器的相移峰，使得激射波长发生改变，通过解调波长的变化从而得到来流信息
。
[0018]所述仿海豹胡须探头整体呈截面为椭圆形的非对称结构，椭圆截面尺寸沿轴向呈正弦规律周期性变化，该结构相较于圆柱或者椭圆柱，对涡激振动有着较高的抑制，因此采用该形状的探头，不仅能够提高光纤与水流的相互作用，而且能够降低自身振动导致的背景噪声，且不会在尾迹处产生新的“卡门涡街”，为后续的阵列化提供方便
。
[0019]所述仿海豹胡须探头的尺寸引用
[Wolf Hanke,Matthias Witte,Lars Miersch,Martin Brede,Johannes Oeffner,Mark Michael,Frederike Hanke,Alfred Leder,Guido Dehnhardt
；
Harbor seal vibrissa morphology suppresses vortex
‑
induced vibrations.J Exp Biol 1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种非对称结构增强的光纤传感器，其特征在于：包括仿海豹胡须探头
、
圆柱型梁
、
圆柱型底座以及
DFB
光纤激光器；仿海豹胡须探头与圆柱型梁连接，圆柱型梁与圆柱型底座制成一个整体；所述
DFB
光纤激光器的光纤固定在所述圆柱型梁的侧面，用于将圆柱型梁的应变转换成光信号
。2.
如权利要求1所述一种非对称结构增强的光纤传感器，其特征在于：所述圆柱型梁侧面沿轴向方向设置四个凹槽，四个槽分别位于圆柱型梁的四周，间距为
90
°
，方便
DFB
光纤激光器的光纤固定
。3.
如权利要求1所述一种非对称结构增强的光纤传感器，其特征在于：所述圆柱型底座上设置四个开孔，方便光纤的引出
。4.
如权利要求1所述一种非对称结构增强的光纤传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金英，李世豪，史亦凡，王嘉程，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：