專利名稱：小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，具體地說，是一種基于薄膜結(jié)構(gòu)的非本征琺布里-珀羅光纖超聲傳感器，是一種能自動(dòng)消除靜壓強(qiáng)影響、能自動(dòng)穩(wěn)定工作點(diǎn)的、可用于水下超聲波探測(cè)的光纖超聲傳感器。
背景技術(shù)：
光纖傳感器具有靈敏度高、電絕緣性能優(yōu)良、抗電磁干擾、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，光纖聲波及超聲波傳感器其主要應(yīng)用是光纖水聽器，就其實(shí)現(xiàn)技術(shù)而言，最成功的光纖超聲傳感器是基于干涉技術(shù)的?；诟缮婕夹g(shù)的光纖水聽器其靈敏度比傳統(tǒng)的壓電式傳感器高三個(gè)數(shù)量級(jí)，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。其基本原理是將傳感光纖作為傳感器探頭置于待測(cè)體中，當(dāng)受到聲波擾動(dòng)時(shí)，傳感光纖受聲壓作用導(dǎo)致光纖長度、直徑或折射率發(fā)生變化而產(chǎn)生光波相位變化，測(cè)量傳感光纖中光波相位的變化即可知相應(yīng)的聲壓。因此這種傳感器屬于相位調(diào)制型，其中一束光受到聲壓的作用后相位發(fā)生變化，使兩光束的相位差改變，從而導(dǎo)致兩束光相干后的輸出光強(qiáng)受到聲波調(diào)制。在干涉型傳感器中，非本征琺布里-珀羅干涉型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈巧、 體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。它相對(duì)于MichelsoruMach-Zehnder、Sagnac等其它形式的干涉儀傳感器還有如下優(yōu)點(diǎn)①光纖用料少，去光和回光在同一根光纖中傳輸。②由于光程差很短，一般在ΙΟΛι左右，所以不需要光源有很窄的線寬，降低對(duì)光源的要求，同時(shí)也減小了干涉相位噪聲和偏振衰落的發(fā)生。③不需要對(duì)光纖本身進(jìn)行增敏或去敏的處理?；诒∧そY(jié)構(gòu)的非本征琺布里-珀羅干涉儀型傳感器是靠彈性薄膜來感受聲信號(hào)的，該類型的傳感器用于水下測(cè)量時(shí)，有一個(gè)突出的問題就是不能耐受很高的靜壓強(qiáng)。當(dāng)傳感器工作于較深的水中時(shí)，強(qiáng)大的靜壓強(qiáng)會(huì)使薄膜的形變超出其彈性范圍，甚至損壞；另外一個(gè)需要解決的問題是傳感器工作點(diǎn)的偏移問題，當(dāng)采用強(qiáng)度解調(diào)方式時(shí)，傳感器測(cè)量系統(tǒng)具有信號(hào)處理簡(jiǎn)單、速度快的優(yōu)點(diǎn)，然而當(dāng)傳感器周圍的靜態(tài)壓力變化或溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致非本征琺布里-珀羅干涉腔內(nèi)外的壓強(qiáng)差變化，從而引起傳感器偏離正交工作狀態(tài)，造成輸出信號(hào)不穩(wěn)定，甚至消隱。因此需要采取一定的方法來克服外界靜壓力的不良影響和穩(wěn)定傳感器的工作點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種可以自動(dòng)平衡靜態(tài)壓強(qiáng)的小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器。本發(fā)明小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器，具體的技術(shù)方案是包括粗石英管、細(xì)石英管、鍍膜光纖、鋁薄膜、安全氣囊和邊孔光纖；所述鍍膜光纖頂端粘合于細(xì)石英管內(nèi)，細(xì)石英管頂端粘合于粗石英管內(nèi)，粗石英管端面粘合鋁薄膜，鍍膜光纖頂端與鋁薄膜之間存在間隙，氣囊安裝于細(xì)石英管尾端與粗石英管尾端的外周面，邊孔光纖固定于粗石英管與細(xì)石英管之間。
本發(fā)明的有益效果提高了基于薄膜的非本征琺布里-珀羅傳感器的耐受靜壓的能力，同時(shí)也自動(dòng)消除了由溫度等環(huán)境因素變化引入的傳感器工作點(diǎn)的漂移。本發(fā)明之光纖傳感器可以在高靜壓下工作，即可以進(jìn)行深水超聲探測(cè)，為薄膜式非本征琺布里-珀羅光纖超聲傳感器的應(yīng)用開創(chuàng)了新的領(lǐng)域。本發(fā)明之光纖傳感器具有自動(dòng)穩(wěn)定工作點(diǎn)的功能，為采用密集波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)陣列測(cè)量打下了基礎(chǔ)。


圖1為小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器的縱向剖面圖； 圖2為小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器的橫向剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作具體說明
如圖1所示，本發(fā)明包括鍍膜光纖1、細(xì)石英管2、邊孔光纖3、粗石英管4、鋁薄膜5和安全氣囊6 ；光纖1的外徑為125 μ m，細(xì)石英管2的內(nèi)徑1 μ m、外徑1.8mm，粗石英管4的內(nèi)徑是2mm，鋁薄膜5的有效直徑也就為2mm ；所述鍍膜光纖頂端粘合于細(xì)石英管內(nèi)，細(xì)石英管頂端粘合于粗石英管內(nèi)，粗石英管端面粘合鋁薄膜，鍍膜光纖頂端與鋁薄膜之間存在間隙， 氣囊安裝于細(xì)石英管尾端與粗石英管尾端的外周面，邊孔光纖固定于粗石英管與細(xì)石英管之間。粗、細(xì)石英管之間、鍍膜光纖1與細(xì)石英管2之間、粗石英管4頂端與鋁薄膜5之間可以用膠(如353膠)粘接在一起，鍍膜光纖1頂端和鋁薄膜5之間存在間隙，其間隙距離在幾十到幾百微米之間，中間空間構(gòu)成干涉腔(空氣腔)8，這樣光纖端面和鋁薄膜就構(gòu)成了琺布里-珀羅干涉儀的兩個(gè)反射面，兩束反射光在鍍膜光纖1中形成干涉。當(dāng)傳感頭位于聲場(chǎng)中時(shí)，鋁薄膜5因受聲壓擾動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)，相當(dāng)于琺布里-珀羅干涉腔的腔長受到外界信號(hào)的調(diào)制，解調(diào)出腔長的變化規(guī)律，就可得到被測(cè)信號(hào)。其中振動(dòng)薄膜的材質(zhì)、半徑和厚度等參量可根據(jù)被測(cè)量的特性以及測(cè)試環(huán)境的特點(diǎn)加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原理可參照材料的彈性力學(xué)及圓形彈性薄板理論。為了提高傳感器的靈敏度，選取的鋁薄膜5的厚度要很小，本傳感器鋁薄膜5的厚度僅為10 μ m，所述的琺布里-珀羅干涉腔是一空氣腔，只靠一層鋁薄膜承受外部壓強(qiáng)，導(dǎo)致其耐受高靜壓的能力不足。如果將傳感器用于水下聲探測(cè)，水中靜態(tài)壓強(qiáng)相對(duì)于所測(cè)的聲壓是非常大的，會(huì)使鋁薄膜5損壞。為此，本發(fā)明設(shè)置安全氣囊結(jié)構(gòu)6。當(dāng)傳感器處于液體中時(shí)，周圍壓強(qiáng)均勻分布，外界壓強(qiáng)會(huì)通過軟質(zhì)材料的氣囊6傳遞到干涉腔8內(nèi)，使鋁薄膜5兩面受到的壓強(qiáng)趨于一致。干涉腔8外部壓強(qiáng)變化，其內(nèi)部也跟著變化，內(nèi)外壓強(qiáng)差總是趨于零，因此傳感器可以工作在很高的靜態(tài)壓強(qiáng)下。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，安全氣囊結(jié)構(gòu)6使傳感器的工作最高靜壓從0. 3MPa提高到IOMPa以上。當(dāng)傳感器位于液體中的位置不斷變化時(shí)，外界壓強(qiáng)也在不斷變化；當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，傳感器內(nèi)部氣體的熱脹冷縮，引起內(nèi)部壓強(qiáng)變化。以上這兩種情況均表現(xiàn)為傳感器內(nèi)外壓強(qiáng)差的改變，此變化量影響了傳感器的腔長，表現(xiàn)為傳感器工作點(diǎn)的漂移，傳感頭的安全氣囊結(jié)構(gòu)的作用就是消除干涉腔8內(nèi)外的壓強(qiáng)差，因此它在解決了傳感器的耐受靜壓?jiǎn)栴}的同時(shí)，也自動(dòng)消除了由環(huán)境干擾引入的傳感器工作點(diǎn)的漂移?？梢娊鉀Q傳感器耐受靜壓的安全氣囊同時(shí)又穩(wěn)定了傳感器的工作點(diǎn)。 為了讓安全氣囊6不影響傳感器的低頻特性，在干涉腔8與氣囊腔7之間用一根特種邊孔光纖3聯(lián)系起來，氣囊內(nèi)空氣與干涉腔8內(nèi)的空氣流通是通過光纖中的小孔來進(jìn)行，小孔的直徑僅32 μ m,所以緩慢的壓強(qiáng)變化，如水深、溫度等的變化都是緩變量，可以通過此孔平衡腔內(nèi)外的壓強(qiáng)，但對(duì)于交變的超聲信號(hào)則無影響。
權(quán)利要求
1.一種小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器，其特征在于包括粗石英管、細(xì)石英管、鍍膜光纖、鋁薄膜、安全氣囊和邊孔光纖；所述鍍膜光纖頂端粘合于細(xì)石英管內(nèi)，細(xì)石英管頂端粘合于粗石英管內(nèi)，粗石英管端面粘合鋁薄膜，鍍膜光纖頂端與鋁薄膜之間存在間隙，安全氣囊安裝于細(xì)石英管尾端與粗石英管尾端的外周面，邊孔光纖固定于粗石英管與細(xì)石英管之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器，其特征在于所述安全氣囊為軟質(zhì)材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器，其特征在于鍍膜光纖為端面上鍍有反射膜的單模光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小型自適應(yīng)光纖超聲傳感器。本發(fā)明包括粗石英管、細(xì)石英管、鍍膜光纖、鋁薄膜、安全氣囊和邊孔光纖；所述鍍膜光纖頂端粘合于細(xì)石英管內(nèi)，細(xì)石英管頂端粘合于粗石英管內(nèi)，粗石英管端面粘合鋁薄膜，鍍膜光纖頂端與鋁薄膜之間存在間隙，氣囊安裝于細(xì)石英管尾端與粗石英管尾端的外周面，邊孔光纖固定于粗石英管與細(xì)石英管之間。本發(fā)明提高了基于薄膜的非本征琺布里-珀羅傳感器的耐受靜壓的能力，同時(shí)也自動(dòng)消除了由溫度等環(huán)境因素變化引入的傳感器工作點(diǎn)的漂移。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102353441SQ20111015795
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者劉卜源, 葉鵬, 張大鵬, 張憲, 李良洪, 沈虹, 趙建輝, 趙慧敏, 郭振武 申請(qǐng)人:中國人民解放軍軍事交通學(xué)院