CN112816054B - 一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器 - Google Patents

Abstract

一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，包括：异形弹簧、透声框架、一对固定盖板和光纤激光光纤光栅。本发明通过优化设计光纤激光传声器核心敏感元件异形弹簧，实现了结构简单、封装工艺简单、生产周期短、耐超高声压级、温漂小、工作带宽内响应平坦、性能稳定、一致性良好等优良性能，可实现宽频带范围内空气声信号的准确测量、灵敏度起伏小、实现超高声压级空气声信号的准确测量。

Description

一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器

技术领域

本发明涉及一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，属于光纤激光传声器水声探测技术领域。特别是一种耐超高声压级信号、低频响应平坦的光纤激光传声器。

背景技术

空气声学探测是室内声学研究、街道噪声污染研究、空气声定位及空气声学物理研究等各领域研究的技术基础，而传声器的声学性能是衡量空气声学探测能力的重要指标，是当前世界上各国的重点研究方向。目前，传声器可分为压电传声器及光纤传声器两大类，由于灵敏度高、测试动态范围广、探头处无源、抗电磁干扰、抗辐射、抗腐蚀纤巧易携带、可埋入只能结构等优势，可以实现强磁环境、水下环境等极限环境特种作业的活动，以及应用于有防窃听需求的场合，光纤传声器已成为传声器研究的主流方向，在机场、医疗及军事上均有较好的应用前景。

光纤传声器根据不同的传感机理，主要分为三大类：法珀腔、光纤白光干涉型和光纤光栅型，但前两种容易受到光强度稳定性的影响，对光纤弯曲状态、传声器封装结构要求苛刻，工程应用不易实施，而光纤光栅型在传感信息时以波长进行编码，不会受到光强损耗、光纤连接不精密导致的耦合损失及传声器结构老化的影响，信号不易受到干扰。同时，通过波分复用技术可以轻易在一根光纤中实现多个传声器基元的串联，实现对不同物理量的多点分布测量，从而节约后端解调设备的空间，减少了传声器***的重量和尺寸，并且降低了成本。

目前，国内外光纤激光传声器的结构主要有：单光纤发射接收结构、双光纤结构、束型光纤结构(单根光纤发射、多根光纤接收形式)、振动薄膜式、无薄膜式、散射透镜式结构等几种形式，不同的结构形式导致探头的固有频率不同，实验效果各有差异，但针对传声器探头无法承受超高压力声信号、宽频带范围内的灵敏度平坦性均较差、封装工艺复杂无法小型化且成本较高，针对此现象，面向耐超高声压级、低频响应平坦的任务需求，实现低成本、结构简单、封装工艺简单、性能稳定、一致性良好的指标要求，亟需设计一种新的耐超高声压级信号低成本低频响应平坦的光纤激光传声器。

专利CN 108174334 A《一种无振膜光纤激光传声器》提出了一种不受振膜约束的光纤激光传声器，但是该专利依然利用法布里-珀罗标准具两反射面之间的光传输介质折射率随声场变化实现声信号的感知，其中需要两只镀膜反射镜，反射镜直接暴露于空气中，对镀膜反射镜的反射率、掺杂材质也有一定的限制要求，参杂光纤长度上限达到10厘米，尺寸较大。综上该专利虽然提出无振膜的方式，但实际封装结构依然含有外置暴露式反射薄膜，无法承受超高声压信号。所使用的结构生产、装配都过于复杂，薄膜安装精度高，批量生产一致性难以保障。专利中未见该方案传声器的声学性能数据及仿真结果。

专利CN 109238437 A《一种基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头》提出了一种氮化硅MEMS刻蚀膜片式光纤法珀传声器，该结构加工精度极高，但采用MEMS刻蚀工艺，难度极大，造价相当高昂，实施过程中需保证氮化硅MEMS膜和单模光纤端面保持平行，即需要高精度三维微位移调节平台及封装夹具，对封装过程精度要求严格，且目前未见成品或相关实验数据，严重影响光纤激光传声器的工程应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，解决了现有光纤激光传声器低频探测性能的不足的问题。该传声器结构简单、封装工艺简单、生产周期短、成本低、低频响应平坦、性能稳定、一致性良好，能够实现宽频带范围内空气声信号的准确测量、灵敏度起伏小、满足超高声压等特种作业环境的光纤激光传声器。

本发明的技术方案是：一种异形弹簧式光纤激光传声器，包括：一对固定盖板、异形弹簧、固定连接螺栓、保护框架、铠装光缆和相移光栅；

所述一对固定盖板的外形结构为一个中空的二段阶梯圆柱台薄壁结构，异形弹簧与保护框架均从凸台背侧入口端***固定盖板，在梯面凸台一侧的一层小端面均布设置有两个螺栓沉头孔，用于固定盖板与异形弹簧间的安装固定，与小端面平行的二层***端面均布设置有四个螺栓孔位，用于固定盖板与保护框架的安装固定，通过十二个固定连接螺栓完成一对固定盖板、异形弹簧与保护框架三者间的装配；

所述异形弹簧沿长度方向可分为三部分，沿轴向三部分结构依次为扇形凸台、长方体、扇形凸台，异形弹簧关于轴向中心点处横截面A对称；

所述异形弹簧的中间段结构为一长方体，横截面为正方形，边长与长度比为1:5，扇形凸台轴向长度与长方体长度比为1:10，扇形截面直径与正方形边长长度比为1:1，扇形截面厚度与直径长度比为7:10，设扇形凸台平面侧为正面；异形弹簧位于保护框架的轴线上开设有一条凹槽作为光纤置放槽，光纤置放槽开口方向与扇形凸台正面同向，沿异形弹簧轴向横贯扇形凸台、长方体、扇形凸台三个区域，光纤槽深度与中间段长方体边长长度为1:2，宽度为2mm，关于异形弹簧中心面B对称；

所述异形弹簧中间段长方体区域均布设置有4个贯通的方形孔，方形孔开口方向与光纤槽同向，设沿异形弹簧轴向方向为方形孔的宽度方向，方形孔的长宽比为4:3，方形孔间间距为8～10mm；

所述异形弹簧两侧的扇形凸台每个设置有两个螺栓固定孔位，两端扇形凸台沿轴向***固定盖板，并通过固定连接螺栓与固定盖板和保护框架固定连接；

所述相移光栅沿保护框架轴线放置在光纤槽内；相移光栅的两端从所述固定盖板中心孔中穿出；

所述异形弹簧为面对称结构，对称面横截面A位于保护框架轴线中点所在的径向截面，对称面中心面B穿过扇形圆台截面圆心且与光纤槽底面垂直；

所述异形弹簧最大等效外径小于保护框架内径，二者之间不接触；

所述保护框架为厚壁圆筒结构，内外径之比为1:2，保护框架的筒壁轴向均布有n个圆形孔，圆形孔直径为6mm，孔间距为8mm，所述圆形孔作为透声窗；

所述保护框架两侧分别均布设置有四个螺栓固定孔；

所述保护框架内部沿轴向***一异形弹簧，二者均关于中心面呈轴对称。

进一步地，所述固定盖板、异形弹簧和保护框架的材料为殷钢；。

进一步地，所述异形弹簧正面部分的轴向长度依次为A：B：A：C：D：D：D：D＝4：50：4：4：3：3：3：3；

其中，两侧扇形凸台的轴向长度均为A，中间段长方体区域的轴向长度为B，位于中间段长方体区域的方形孔的长宽分别为C、D。

进一步地，所述扇形凸台的厚度E和直径F之间满足如下比例关系：

进一步地，所述相移光栅为光纤激光相移光纤光栅。

进一步地，所述相移光栅的两端施加有预紧力F；

其中，E_f为相移光栅的弹性模量，A_f为相移光栅光栅的横截面积，Δλ_F为相移光栅的波长变化量，λ_F为相移光栅的中心波长，k为常数且不小于1。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明公开了一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器封装结构，包括内部设置有增敏孔、相移光栅布放槽的因瓦合金异形弹簧式结构，内部填充聚氨酯灌封胶，在保证光纤激光传声器细直径的前提下，与振动膜片式、镀膜反射层式的光纤传声器的结构相比，一体灌封式的金属结构具有更高的等效弹性模量，提高传声器结构的一阶共振频率，从而实现了光纤激光传声器在宽频带范围内具有平坦的输出响应；

2、本发明所述的异形弹簧结构通过优化光纤激光传声器敏感结构，将敏感单元相移光栅封装于所述异形弹簧的光纤槽内，与膜片式光纤传声器相比，在保证敏感结构共振频率足够高的前提下，避免将敏感单元直接暴露于传声器外部，通过灌封的聚氨酯胶增大传声器收声单元面积，使得超高声压级声波激励光纤激光传声器后，拥有足够的输出响应，从而提高了光纤激光传声器的动态范围；

3、本发明所述的异形弹簧式光纤激光传声器，内部处于全填充状态，通过封装模具将传声器内部灌满聚氨酯胶体，与振动膜片式、镀膜反射层式的方式相比，可以避免传声器长时间应用于复杂环境时水气、微尘、碎屑等杂物渗透附着于膜片、反射层或光纤端头中，从而导致光纤激光传声器敏感单元出现附加质量或发生折射率异常，可提升光纤激光传声器的可靠性，避免由于防风罩长时间损耗导致异物进入传声器内部的风险，便于实现复杂环境下的空气声测量；

4、本发明所述的异形弹簧式光纤激光传声器，较振动膜片式光纤传声器与氮化硅MEMS膜片式光纤激光传声器，结构简单，封装工艺简单，需要人为操作较少，生产周期短，成本低，一致性、稳定性优异，无需高精密封装平台，可快速实现工程化应用。

5、本发明所述的异形弹簧式光纤激光传声器，其结构包括一对固定盖板、异形弹簧和保护框架均采用因瓦合金，该种材料的热膨胀系数远低于常规金属材料，与相移光栅材料的热膨胀系数接近，便于降低光纤激光传声器的温漂系数，在传声器应用于恶劣温度环境时，可以保证本发明所述的光纤激光传声器测试状态不发生改变，确保传声器的可靠性。

附图说明

图1是本发明异形弹簧2结构的轴向尺寸说明图；

图2是本发明异形弹簧2结构两侧凸台截面尺寸说明图；

图3是本发明异形弹簧式光纤激光传声器结构的三维图；

图4是本发明异形弹簧2与相移光栅6的组合方式示意图；

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的题目做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括如图1所示：一对固定盖板1、异形弹簧2、固定连接螺栓3、保护框架4、铠装光缆5和相移光栅6。

所述一对固定盖板1外形结构为一个中空的二段阶梯圆柱台薄壁结构，异形弹簧2与保护框架4均从凸台背侧入口端***固定盖板，在梯面凸台一侧的一层小端面均布设置有两个螺栓沉头孔，用于固定盖板1与异形弹簧2间的安装固定，与小端面平行的二层***端面均布设置有四个螺栓孔位，用于固定盖板1与保护框架4的安装固定，通过十二个固定连接螺栓3完成一对固定盖板1、异形弹簧2与保护框架4三者间的装配。

所述异形弹簧2沿长度方向可分为三部分，沿轴向三部分结构依次为扇形凸台、长方体、扇形凸台，异形弹簧2关于轴向中心点处横截面A对称。

所述异形弹簧2中间段结构为一长方体，横截面为一正方形，边长与长度比为1:5，扇形凸台轴向长度与长方体长度比为1:10，扇形截面直径与正方形边长长度比为1:1，扇形截面厚度与直径长度比为7:10，设扇形凸台平面侧为正面。位于保护框架4轴线上的异形弹簧2开设有一条凹槽作为光纤置放槽11，光纤置放槽11开口方向与扇形凸台正面同向，沿异形弹簧2轴向横贯扇形凸台、长方体、扇形凸台三个区域，光纤槽深度与中间段长方体边长长度为1:2，宽度为2mm，关于异形弹簧2中心面B对称。

所述异形弹簧2中间段长方体区域均布设置有4个贯通的方形孔，方形孔开口方向与光纤槽同向，设沿异形弹簧2轴向方向为方形孔的宽度方向，方形孔的长宽比为4:3，方形孔间间距为8～10mm。

所述异形弹簧2两侧的扇形凸台每个设置有两个螺栓固定孔位，两端扇形凸台沿轴向***固定盖板1，并通过固定连接螺栓3与固定盖板1和保护框架4固定连接。

所述相移光栅6沿保护框架4轴线放置在光纤槽内。相移光栅6的两端从所述固定盖板1中心孔中穿出。

所述异形弹簧2为面对称结构，对称面A位于保护框架4轴线中点所在的径向截面，对称面B穿过扇形圆台截面圆心且与光纤槽底面垂直。

所述异形弹簧2最大等效外径小于保护框架4内径，二者之间不接触。

所述保护框架4为厚壁圆筒结构，内外径之比为1:2，保护框架4的筒壁轴向均布有n个圆形孔，圆形孔直径为6mm，孔间距为8mm，所述圆形孔作为透声窗。

所述保护框架4两侧分别均布设置有四个螺栓固定孔。

所述保护框架4内部沿轴向***一异形弹簧2，二者均关于中心面呈轴对称。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述固定盖板1、异形弹簧2和保护框架4的材料为殷钢。材料的选取原则为满足传声器声学性能的前提下，刚度大、质量小者为优，传声器在设计过程中需要控制结构的一阶共振频率f1远大于工作频带，即f₁≥20kHz，同时需控制传声器结构热膨胀系数接近光纤材质通常金属材料的热膨胀系数远高于光纤材料，综合考虑固定盖板1、异形弹簧2和保护框架4的加工工艺难度，最终选为殷钢材料。

可选的，在本发明一种可能实现的方式中，所述异形弹簧2正面部分5处结构细节，轴向长度依次为A：B：A：C：D：D：D：D＝4：50：4：4：3：3：3：3。

其中，两侧扇形凸台的轴向长度均为A，中间段长方体区域的轴向长度为B，位于中间段长方体区域的方形孔的长宽分别为C、D。

可选的，所述扇形凸台的厚度E和直径F之间满足如下比例关系：

E：F＝7：10。

可选的，所述相移光栅6为光纤激光相移光纤光栅。

进一步，所述相移光栅6的两端施加有预紧力F。

其中，E_f为相移光栅6的弹性模量，A_f为相移光栅6光栅的横截面积，Δλ_F为相移光栅6的波长变化量，λ_F为相移光栅6的中心波长，k为常数且不小于1。

具体的，在本申请提供的实施例中，一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，如图3所示，包括：一对固定盖板1、异形弹簧2、固定连接螺栓3、保护框架4、铠装光缆5和相移光栅6。如图4所示，异形弹簧2设置有一轴线方向的光纤槽7、光纤粘接点8、光纤粘接点9，相移光栅6放置于异形弹簧2的光纤槽7中，在相移光栅6两端施加一定拉力F，调整相移光栅6栅区位置于异形弹簧2的扇形凸台10、扇形凸台11的中间，利用2011II型环氧树脂粘接剂将相移光栅6粘在光纤粘接点7、8处；如图3所示，异形弹簧2穿入保护框架4后，将相移光栅6两端尾纤穿过一对固定盖板1贯通孔，使用固定连接螺3栓分别将一对固定盖板1与异形弹簧2和保护框架4固定连接，完成光纤激光传声器结构的装配。相移光栅6为光纤激光光纤光栅。

在底部模具半圆柱凹槽内涂抹一层GF-5甲乙1:1配比聚氨酯灌封胶，后将所述装配好的异形弹簧式光纤激光传声器结构放置于底部模具半圆柱凹槽内，向所述异形弹簧式光纤激光传声器结构及顶部模具半圆柱凹槽内灌注聚氨酯胶，后将顶部模具与底部模具装配组合，完成异形弹簧式光纤激光传声器聚氨酯胶体灌封；在所述顶部模具的两个贯通孔处补齐聚氨酯至在模具上表面形成一个胶体凸起，固化后拆除所述顶部模具和底部模具，得到异形弹簧式光纤激光传声器。

实施例

本发明异形弹簧2中心设置有一轴向长方形凹槽，两端分别各设置有一个扇形凸台，依次为左扇形凸台10和右扇形凸台11，扇形凸台轴线与保护框架4的轴线重合。异形弹簧2结构沿轴向***保护框架4中。一对固定盖板1分别设置在保护框架4的两端，依次将所述异形弹簧2外侧扇形凸台***固定盖板1的中心通孔内，由固定连接螺栓3对固定盖板1、异形弹簧2及保护框架4进行限位固定；其中，保护框架4、异形弹簧2与固定盖板内部充满GF-5甲乙1：1配比聚氨酯灌封胶。相移光栅6位于保护框架4中轴线位置，相移光栅6的两端分别从所述一对固定盖板穿出。相移光栅6和固定盖板1之间填充有聚氨酯灌封胶，相移光栅6和固定盖板1之间不直接接触。

所述异形弹簧2中段结构为长方体；所述异形弹簧2中段长方体的横截面为：正方形；异形弹簧横截面的最大等效直径均小于保护框架4内径；其中异形弹簧2结构与因瓦合金保护框架4不接触，二者通过两侧固定盖板1及固定连接螺栓3进行连接。

因瓦合金材质的异形弹簧2最外侧两端设置有一对扇形圆台凸起；其中，异形弹簧2最外侧两端外表面为：具有部分圆形凸起的台阶结构；

异形弹簧2沿轴线方向设置有一条光纤槽，贯通整个异形弹簧2结构；其中，所述光纤槽为截面为长方形的凹槽。

如图1所示，异形弹簧2结构为左右对称式，两侧扇形凸台的轴向长度均为A，中间段长方体区域的轴向长度为B，位于中间段长方体区域的方形孔的长宽分别为C、D，其中长度A、B、C、D按4:50:3:3设置；如图2所示，异形弹簧2中段区域边长长度E、F按1:1设置。

综上，本发明公开的异形弹簧式光纤激光传声器结构简单，封装工艺简单，且固定盖板1、异形弹簧2、保护框架4均可采用机械加工方式生产，制作成本低、生产周期短、一致性高，可实现短期内大批量的封装。

工作过程中，光纤激光传声器受声波激励后，保护框架4产生径向收缩，异形弹簧2会受到向外侧的挤压力，带动异形弹簧2产生伸缩效应，从而导致异形弹簧2光纤槽内部的光纤激光光纤光栅产生伸长和收缩变化，使得光栅的输出波长发生相应变化，通过后端解调即可反演得到声波信号。

异形弹簧式光纤激光传声器采用异形弹簧式声学敏感元件，材质可选用弹性模量较高的金属材质，其弹性模量可达70GPa～200GPa，内部填充满聚氨酯灌封胶从而提升光纤激光传声器的共振频率，异形弹簧式光纤激光传声器可以实现对宽频段内信号的准确测量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，其特征在于，包括：一对固定盖板(1)、异形弹簧(2)、固定连接螺栓(3)、保护框架(4)、铠装光缆(5)和相移光栅(6)；

所述一对固定盖板(1)的外形结构为一个中空的二段阶梯圆柱台薄壁结构，异形弹簧(2)与保护框架(4)均从凸台背侧入口端***固定盖板，在梯面凸台一侧的一层小端面均布设置有两个螺栓沉头孔，用于固定盖板(1)与异形弹簧(2)间的安装固定，与小端面平行的二层***端面均布设置有四个螺栓孔位，用于固定盖板(1)与保护框架(4)的安装固定，通过十二个固定连接螺栓(3)完成一对固定盖板(1)、异形弹簧(2)与保护框架(4)三者间的装配；

所述异形弹簧(2)沿长度方向可分为三部分，沿轴向三部分结构依次为扇形凸台、长方体、扇形凸台，异形弹簧(2)关于轴向中心点处横截面A对称；

所述异形弹簧(2)的中间段结构为一长方体，横截面为正方形，边长与长度比为1:5，扇形凸台轴向长度与长方体长度比为1:10，扇形截面直径与正方形边长长度比为1:1，扇形截面厚度与直径长度比为7:10，设扇形凸台平面侧为正面；异形弹簧(2)位于保护框架(4)的轴线上开设有一条凹槽作为光纤置放槽(7 )，光纤置放槽(7 )开口方向与扇形凸台正面同向，沿异形弹簧(2)轴向横贯扇形凸台、长方体、扇形凸台三个区域，光纤置放槽(7 )深度与中间段长方体边长长度为1:2，宽度为2mm，关于异形弹簧(2)中心面B对称；

所述异形弹簧(2)中间段长方体区域均布设置有4个贯通的方形孔，方形孔开口方向与光纤置放槽(7 )同向，设沿异形弹簧(2)轴向方向为方形孔的宽度方向，方形孔的长宽比为4:3，方形孔间间距为8～10mm；

所述异形弹簧(2)两侧的扇形凸台每个设置有两个螺栓固定孔位，两端扇形凸台沿轴向***固定盖板(1)，并通过固定连接螺栓(3)与固定盖板(1)和保护框架(4)固定连接；

所述相移光栅(6)沿保护框架(4)轴线放置在光纤置放槽(7 )内；相移光栅(6)的两端从所述固定盖板(1)中心孔中穿出；

所述异形弹簧(2)为面对称结构，对称面横截面A位于保护框架(4)轴线中点所在的径向截面，对称面中心面B穿过扇形圆台截面圆心且与光纤置放槽(7 )底面垂直；

所述异形弹簧(2)最大等效外径小于保护框架(4)内径，二者之间不接触；

所述保护框架(4)为厚壁圆筒结构，内外径之比为1:2，保护框架(4)的筒壁轴向均布有n个圆形孔，圆形孔直径为6mm，孔间距为8mm，所述圆形孔作为透声窗；

所述保护框架(4)两侧分别均布设置有四个螺栓固定孔；

所述保护框架(4)内部沿轴向***一异形弹簧(2)，二者均关于中心面呈轴对称。

2.根据权利要求1所述的一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，其特征在于，所述固定盖板(1)、异形弹簧(2)和保护框架(4)的材料为殷钢。

3.根据权利要求1～2任意之一所述的一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，其特征在于，所述异形弹簧(2)正面部分的轴向长度依次为A：B：A：C：D：D：D：D＝4：50：4：4：3：3：3：3；

其中，两侧扇形凸台的轴向长度均为A，中间段长方体区域的轴向长度为B，位于中间段长方体区域的方形孔的长宽分别为C、D。

4.根据权利要求3所述的一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，其特征在于，所述扇形凸台的厚度E和直径F之间满足如下比例关系：

E：F＝7：10。

5.根据权利要求4所述的一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，其特征在于，所述相移光栅(6)为光纤激光相移光纤光栅。

6.根据权利要求5所述的一种异形弹簧式增敏结构的光纤激光传声器，其特征在于，所述相移光栅(6)的两端施加有预紧力F；

其中，E_f为相移光栅(6)的弹性模量，A_f为相移光栅(6)光栅的横截面积，Δλ_F为相移光栅(6)的波长变化量，λ_F为相移光栅(6)的中心波长，k为常数且不小于1。

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