一種分隔式光柵傳感器的製作方法

2023-09-10 19:39:25 3

專利名稱：一種分隔式光柵傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖傳感領域的一種應用於探測海洋噪聲的幹涉型、分隔式光柵 傳感器。
背景技術：
光纖傳感技術是伴隨光導纖維和光纖通信技術的發展而形成的一門嶄新技術。光 纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統的壓電傳感器高許多倍，而且它可以在高電壓、大噪聲、高 溫、強腐蝕性等很多特殊環境下正常工作，還能夠與光纖遙感、遙測技術配合，形成光纖遙 感系統和光纖遙測系統，所以光纖傳感技術能廣泛應用於航天航海、核工業、橋梁隧道、建 築、石油開採、電力傳輸、醫療、科研等眾多領域。幹涉型光纖水聽器可以非常靈敏地偵察艦船行蹤、監視水下移動體。其工作原理 為，通過水下的聲波對光纖的應力作用改變光纖纖芯的折射率或長度，從而引起在光纖中 傳播光束的光程改變，導致相位發生變化。採用幹涉測量技術可檢測出相位變化，並得到有 關水聲的信息。和壓電陶瓷或壓電晶體型的傳統水聽器相比，光纖水聽器具有很大的優越 性。它利用光的相位幹涉作為探測手段，探測靈敏度極高，響應頻帶也較寬；它以光纖作為 信息傳感與傳輸媒介；而以光為載體的信息，既不會被電磁幹擾，也無發生洩漏的危險。光纖水聽器的研究雖然取得了長足的進步，但距實現工程化、裝備化還有一定的 差距。由於水下聲場的複雜性，單元水聽器很難獲得目標的全部詳細信息，因此光纖水聽器 主要是以陣列的形式應用，是否能以低成本實現分布式陣列，是光纖水聽器最終能否得以 應用的關鍵所在。各國對光纖水聽器技術的研究重點集中到如何充分利用光纖傳輸損耗 低、傳輸帶寬大的特點，並結合集成光電子器件的最新進展，實現對光源、光纖以及光電探 測器的多路復用。用較少的組件形成分布式光纖水聽器陣列，這樣既可降低系統的成本，又 可降低維護上的複雜程度。而且通過對陣列信號的處理，可以極大地提高整個多路復用系 統的探測性能，獲取更多有關水下目標的信息。為了滿足對光纖水聽器陣列復用技術的研 發要求，急需研製能滿足陣列設計要求的幹涉型光纖水聽器。分隔式光柵傳感器採用DFB光纖雷射器作敏感元件。DFB光纖雷射器一般由幾釐 米長的一段經光刻寫相移光柵的摻鉺光纖構成。在波長為1480nm或980nm泵浦光的作用 下，DFB光纖雷射器會產生雷射。當聲壓作用在由DFB光纖雷射器構成的相移光柵上時，聲 壓的變化會使光纖的折射率、光纖芯長度以及光柵周期等發生變化，從而導致DFB光纖激 光器輸出的雷射波長發生變化。通過對雷射波長變化的檢測，便可測得外界聲波的信息。多個DFB光纖雷射器可以沿一根光纖串聯構成體積很小、重量很輕、能置於拖曳 船上的拖曳聲納陣列。由聲納陣列返回的光信號變化，經光電處理單元處理後，便可獲得由 各單元輸出的聲信號。用DFB光纖雷射器構成的光纖水聽器，具有結構簡單、體積小、易于波分復用、與 光纖完全兼容等特點。通過機械結構增敏封裝，可以大大提高其聲壓靈敏度。目前，國內外 研究者都將該技術作為拖曳聲納陣用光纖水聽器研究的一種重要手段。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種分隔式光柵傳感器，能夠滿足光纖水 聽器陣列復用技術研發要求，利用光纖水聽器技術替代壓電陶瓷傳感器，在我國領海海域 更加靈敏地探測海洋噪聲或移動體的行蹤。為解決上述技術問題，本實用新型的技術解決方案是一種分隔式光柵傳感器，其特徵在於所述傳感器主要由一件在外部繞制有定長 光纖的彈性體2、兩件基體3、一件右端蓋1、一件左端蓋4以及一件蓋板5組成；所述分隔 式光柵傳感器的內腔空隙及彈性體2的表面光纖用膠粘劑進行灌封保護；所述彈性體2為一個由非金屬材料製成的薄壁空心圓柱體；在外圓柱面25的左、 右兩端分別設有第一環行體M和第二環形體27 ；在第一環行體M上設有缺口 23 ；在第二 環行體27上設有缺口沈；在第二環行體27的內側，還設有另一缺口觀；所述彈性體2的第一內孔22內膠結有一對基體3 ；所述基體3是一個薄壁空心圓 柱體，在其外圓柱面34的左、右端部，分別設有第三環行體32和第四環形體35 ；—對基體3 以其兩端環行體的外圓面膠結於彈性體2的第一內孔22內，基體3的外端面31分別與彈 性體2上的兩個端面21平齊；所述右端蓋1膠結在彈性體1的右端，右端蓋1的主體部分由同軸的大圓柱體15 和小圓柱體12從右到左依次疊加而成；小圓柱體12的外徑與基體3的第二內孔33直徑相 配，右端蓋1以其小圓柱體12與基體3的第二內孔33膠結；所述右端蓋1的中心設有從右 到左依次擴大的階梯通孔即第一小孔13和第一大孔11 ；沿小圓柱體12軸向設有一條沉槽 14，沉槽14將小圓柱體12 —分為二 ；所述沉槽14將大圓柱體15的與第二環行體27上缺 口 26對齊的該處外圓面貫穿；所述沉槽14之深度與第一大孔11相一致；所述左端蓋4膠結在彈性體1的左端，左端蓋4的主體部分由同軸的大圓柱體45 和小圓柱體43從左到右依次疊加而成；小圓柱體43的外徑與基體3的第二內孔33直徑相 配，左端蓋4以其小圓柱體43與基體3的第二內孔33膠結；所述左端蓋4的中心設有從右 到左依次擴大的階梯通孔即第二小孔42和第二大孔41 ；所述沿小圓柱體43軸向設有一條 沉槽44，沉槽44將小圓柱體43 —分為二 ；所述沉槽44將大圓柱體45的第一與環行體M 上缺口 23對齊的該處外圓面貫穿；所述沉槽44之深度與第二小孔42相一致；所述蓋板5是一個帶第三小孔52的圓盤，蓋板5膠結於左端蓋4的大孔41之內； 蓋板5的外直徑51與左端蓋4上的第二大孔41的內徑相配，厚度與第二大孔41的深度一 致；由位於彈性體2上第二環行體27內側的缺口觀處引入光纖，並纏繞於彈性體2 的外圓面25上；繞制光纖的首尾兩端均連接DFB光纖雷射器；然後將光纖雷射器的兩尾端 分別通過彈性體2 —端第一環行體M的缺口 23、左端蓋4的沉槽44和另一端第二環行體 27的缺口 26、右端蓋1的沉槽14，被引入相鄰基體3的第二內孔33之內並將雷射器置於第 二內孔33之中；DFB光纖雷射器的兩尾端再分別相向穿越右端蓋1上的第一階梯通孔11、 第二階梯通孔13和左端蓋4上的第二小孔42、蓋板5上的第三小孔52後，成為分隔式光柵 傳感器的兩端尾纜。所述彈性體2外圓柱面25的兩端部，分別設有外徑相同的第一環行體M和第二環形體27，其外端面分別與第一內孔22的端面平齊；所述右端蓋1上大圓柱體15的外圓 尺寸，以及左端蓋4上大圓柱體45的外圓尺寸，與彈性體2上第一環行體M和第二環形體 27的外直徑相同。所述基體3外圓柱面34 —端所設的第三環行體32，其沿基體3軸向的截面為矩 形；另一端所設的第四環行體35，其沿基體3軸向的截面為梯形；所述兩個相向安裝在彈性 體2第一內孔22內的基體3，以其兩端第三環行體32和第四環形體35的外圓面與彈性體 2的第一內孔22膠結。本實用新型可帶來以下有益效果本實用新型結構合理，用上述單元結構製作而成的水聽器單元，其聲壓靈敏度、加 速度相移靈敏度、耐溫、耐壓、耐腐以及形體尺寸等技術指標均能符合設計要求。
圖1為本實用新型的一個較佳實施例的裝配構件示意圖圖2為本實用新型的一個較佳實施例的右端蓋外形結構示意圖圖3為本實用新型的一個較佳實施例的彈性體外形結構示意圖圖4(a)為本實用新型的一個較佳實施例的基體全剖視圖圖4(b)為本實用新型的一個較佳實施例的基體半剖視結構示意圖圖5為本實用新型的一個較佳實施例的左端蓋外形結構示意圖圖6為本實用新型的一個較佳實施例的蓋板外形結構示意圖圖7為本實用新型的一個較佳實施例的裝配體局部剖視結構示意圖圖8為本實用新型的一個較佳實施例的裝配體外形圖具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。按照圖1所示，將五種零件一件彈性體2、兩件基體3、一件右端蓋1、一件左端蓋 4以及一件蓋板5依次膠結、固定，可組裝成一個分隔式光柵傳感器的單元結構。結合參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8 本實施例中，彈性體2是一個由非金屬材料製成的薄壁空心圓柱體；彈性體2外圓 柱面25的兩端部分別設有外徑相同的第一環行體M和第二環行體27。基體3是一個薄 壁空心圓柱體；基體3外圓柱面34的左、右端部，分別設有截面為矩形的第三環行體32和 截面為梯形的第四環行體35。右端蓋1的基本形體由大、小圓柱體15和12疊加而成；右 端蓋1的中心設有第一階梯通孔11和第二階梯通孔13 ；小圓柱體12的端部順其軸向設有 一條偏向一側的圓頭沉槽14 ；沉槽14將小圓柱體12 —分為二 ；沉槽14之深度與第一大孔 11 一致；沉槽14之右側將大圓柱體15的外圓面貫穿。左端蓋4的基本形體由大、小圓柱 體45和43疊加而成；左端蓋4的中心設有第二大孔41和第二小孔42 ；小圓柱體43的端 部順其軸向設有一條偏向一側的圓頭沉槽44 ；沉槽44將小圓柱體43 —分為二 ；沉槽44恰 與第二大孔41之底部貫通；沉槽44之右側將大圓柱體45的外圓面貫穿。蓋板5是一個帶 第三小孔52的圓盤；蓋板5的外直徑51與左端蓋4上的第二大孔41的內徑相配，厚度與 第二大孔41的深度一致。彈性體2外圓柱面25的兩端部分別設有外徑相同的第一環行體M和第二環形體 27，其外端面分別與內孔22的端面平齊；第一環行體M和第二環形體27上，分別設有缺口23和沈；第二環行體27的內側，還設有另一缺口觀；外圓柱面25上繞制定長光纖的端首 由位於第二環行體27內側的缺口觀處引出。基體3外圓柱面34上設有的第三環行體32和第四環形體35，其外直徑與彈性體 2上的第一內孔22相配。一對基體3以其兩端環行體的外圓面相向膠結於彈性體2的第一內孔22時，基體 3的外端面31分別與彈性體2上的兩個端面21平齊；兩個相向安裝的基體3，在彈性體2 的第一內孔22中以第四環行體35外側的兩個梯形面膠結結合時，兩個梯形面間的膠體受 到梯形面的擠壓，使第四環行體35的外圓面與彈性體2的第一內孔22可靠膠結；基體3第 四環行體35的外圓面與彈性體2的第一內孔22可靠膠結後，將彈性體2從內孔分隔為二。基體3的第二內孔33，其直徑與左端蓋4及右端蓋1上小圓柱體43和12的外徑 相配。右端蓋1上大圓柱體15的外圓尺寸，以及左端蓋4上大圓柱體45的外圓尺寸，與 彈性體2上第一環行體M和第二環形體27的外直徑相同；右端蓋1及左端蓋4分別以其 小圓柱體12和43分別與基體3的第二內孔33膠結時，沉槽14和44分別與彈性體2上環 行體的缺口 26和23對齊。纏繞於彈性體2的光纖首尾兩端均連接一個DFB光纖雷射器；光纖雷射器的兩尾 端先後通過彈性體2 —端第一環行體M上的缺口 23、左端蓋4的沉槽44和另一端第二環 行體27的缺口 26、右端蓋1上的沉槽14，分別被引入相鄰基體3的第二內孔33之內並將 雷射器置於第二內孔33之中；DFB光纖雷射器的兩尾端再分別相向穿越右端蓋1上的第一 階梯通孔11、第二階梯通孔13和左端蓋4上的第二小孔42、蓋板5上的第三小孔52後，成 為分隔式光柵傳感器的兩端尾纜。以下對各個部件進行分述(1)右端蓋1，見圖2。右端蓋1的基本形體由大、小圓柱體15和12疊加而成；其中心設有第一階梯通孔 11和第二階梯通孔13 ；從小圓柱體12的端部順其軸向設有一條偏向一側的圓頭沉槽14， 該沉槽將小圓柱體12—分為二，沉槽之深度與第一大孔11 一致，沉槽之右側將大圓柱體15 的外圓面貫穿。右端蓋1上大圓柱體15的外圓尺寸與彈性體2上第一環行體M和第二環行體27 的外直徑相同。(2)彈性體2，見圖3。彈性體2是一個由非金屬材料製成的薄壁空心圓柱體。在外圓柱面25兩端部，分 別設有外徑相同的第一環行體M和第二環行體27。第一環行體M和第二環行體27的外 端面分別與內孔22的端面平齊；在第一環行體M和第二環行體27上，分別設有缺口 23和 26 ；在第二環行體27的內側，還設有另一缺口觀。⑶基體3，見圖4。基體3是一個薄壁空心圓柱體。在外圓柱面34的左、右端部，分別設有截面為矩 形的第三環行體32和截面為梯形的第四環行體35。第三環行體32與第四環形體35的外 直徑與彈性體2上的第一內孔22相配。當一對基體3以其兩端環行體的外圓面相向膠結於彈性體2的第一內孔22時，基體3的外端面31分別與彈性體2上的兩個端面21平齊。當兩個相向安裝的基體3，在彈性 體2的第一內孔22中，以兩個梯形面膠結時，膠體在兩個梯形面的擠壓下，可確保第四環 行體35的外圓面，能與彈性體2的第一內孔22可靠膠結。基體3的第二內孔33，其直徑與左端蓋4及右端蓋1上小圓柱體43和12的外徑 相配。(4)左端蓋4，見圖5。左端蓋4的基本形體由大、小圓柱體45和43疊加而成；其中心設有第二大孔41 和第二小孔42 ；從小圓柱體43的端部順其軸向設有一條偏向一側的圓頭沉槽44，該沉槽將 小圓柱體43 —分為二，沉槽之深度恰與第二大孔41之底部貫通，沉槽之右側將大圓柱體45 的外圓面貫穿。左端蓋4上大圓柱體45的外圓尺寸與彈性體2上第一環行體M和第二環行體27 的外直徑相同。(5)蓋板 5，見圖 6。蓋板5是一個帶第三小孔52的圓盤。其外直徑51與左端蓋4上的第二大孔41 的內徑相配，蓋板5的厚度與第二大孔41的深度一致。本實施例可通過選擇各種適宜的材料及相關的機械加工手段，根據各加工件的工 程圖紙加工成相應零件後封裝而成。分隔式光柵傳感器的封裝過程簡述如下首先，在彈性體2的外圓柱面25上繞制定長光纖；繞制時，光纖端首須由位於彈性 體2上第二環行體27內側的缺口觀處引出。繞制後將兩個DFB光纖雷射器分別與光纖的 首尾端連接。然後，將兩件基體3以其兩端環行體的外圓面相向膠結於彈性體2的第一內孔22。 此時，須確保第三環行體32、第四環行體35的外圓面與彈性體2的第一內孔22膠結可靠； 基體3的外端面31分別與彈性體2上的兩個端面21平齊。兩個基體3上梯形截面的第四 環行體35相結合併與彈性體2的第一內孔22可靠膠結後，便將彈性體2從內孔分隔為二。第三，設法將DFB光纖雷射器的兩個端首，分別通過彈性體2 —端的一環行體M 的缺口 23、左端蓋4的沉槽44和另一端第二環行體27的缺口 26、右端蓋1的沉槽14，被 引入相鄰基體3的第二內孔33之內並將雷射器置於第二內孔33之中，並分別從另一基體 3的埠穿出。第四，把基體3右埠穿出的光纖，從右端蓋1小圓柱體12的埠穿過右端蓋1 後，將右端蓋1以其小圓柱體12膠結於基體3的右埠。膠結時，須確保右端蓋1上的沉 槽14與彈性體2上第二環行體27的缺口沈對齊，從而使由基體3右埠引入的光纖彎折 部分，落在右端蓋1上的沉槽14之內。第五，把基體3左埠穿出的光纖，從左端蓋4小圓柱體43的埠穿過左端蓋4 後，將左端蓋4以其小圓柱體43膠結於基體3的左埠。膠結時，須確保左端蓋4上的沉 槽44與彈性體2上第一環行體M的缺口 23對齊，從而使由基體3左埠引入的光纖彎折 部分，落在左端蓋4上的沉槽44之內。第六，設法將某種膠粘劑從左端蓋4的第二大孔41灌入基體3的第二內孔33之 內，使第二內孔33之內受到保護的DFB光纖雷射器完全密封。第七，把從左端蓋4孔中引出的光纖端頭穿過蓋板5上的第三小孔52後，將蓋板5膠結於左端蓋4的第二大孔41之中。 最後，對纏繞於彈性體2表面的光纖進行灌封保護。
權利要求1.一種分隔式光柵傳感器，其特徵在於所述傳感器主要由一件在外部繞制有定長光 纖的彈性體O)、兩件基體(3)、一件右端蓋(1)、一件左端蓋⑷以及一件蓋板(5)組成； 所述分隔式光柵傳感器的內腔空隙及彈性體O)的表面光纖用膠粘劑進行灌封保護；所述彈性體( 為一個由非金屬材料製成的薄壁空心圓柱體；在外圓柱面0 的左端 設有第一環行體(M)，第一環行體04)上設有缺口 ；在外圓柱面0 的右端設有第 二環行體(27)，第二環行體(XT)上設有缺口(26)，在第二環行體(XT)的內側，還設有另一 缺口 (28)；所述彈性體的第一內孔0 內膠結有一對基體(3)，所述基體C3)是一個薄壁空 心圓柱體，在其外圓柱面(34)的左、右端部，分別設有第三環行體(3 和第四環體(35)； 一對基體(3)以其兩端環行體的外圓面膠結於彈性體的第一內孔0 內，基體(3)的 外端面(31)分別與彈性體(2)上的兩個端面平齊；所述右端蓋(1)膠結於彈性體(1)的右端，右端蓋(1)的主體部分由同軸的大圓柱體 (15)和小圓柱體(12)從右到左依次疊加而成；小圓柱體(12)的外徑與基體(3)的第二內 孔(33)的直徑相配，右端蓋⑴以其小圓柱體(12)與基體(3)的第二內孔(33)膠結；所 述右端蓋(1)的中心設有從右到左依次擴大的階梯通孔即第一小孔(1 和第一大孔(11)； 沿小圓柱體(12)的軸向設有一條沉槽(14)，沉槽(14)將小圓柱體(12) —分為二 ；所述沉 槽(14)將大圓柱體(1 的與第二環行體(XT)上缺口 06)對齊的該處外圓面貫穿；所述 沉槽(14)之深度與第一大孔(11)相一致；所述左端蓋(4)膠結於彈性體(1)的左端，左端蓋的主體部分由同軸的大圓柱體 (45)和小圓柱體03)從左到右依次疊加而成；小圓柱體G3)的外徑與基體(3)的第二內 孔(33)的直徑相配，左端蓋⑷以其小圓柱體G3)與基體(3)的第二內孔(33)膠結；所 述左端蓋(4)的中心設有從右到左依次擴大的階梯通孔即第二小孔0 和第二大孔Gl)； 所述沿小圓柱體G3)的軸向設有一條沉槽(44)，沉槽04)將小圓柱體03) —分為二 ；所 述沉槽G4)將大圓柱體0 的與第一環行體04)上缺口 對齊的該處外圓面貫穿； 所述沉槽G4)之深度與第二小孔0 相一致；所述蓋板(5)是一個帶第三小孔(52)的圓盤，蓋板(5)膠結於左端蓋⑷的第二大孔(41)內；蓋板(5)的外直徑(51)與左端蓋(4)上的第二大孔Gl)的內徑相配，厚度與第 二大孔Gl)的深度一致；由位於彈性體(2)上第二環行體(XT)內側的缺口 08)處引入光纖，並纏繞於彈性體 (2)上；所述繞制光纖首尾兩端均連接DFB光纖雷射器；所述DFB光纖雷射器的兩尾端，分 別通過彈性體( 一端第一環行體04)的缺口(23)、左端蓋的沉槽04)和另一端第 二環行體(27)的缺口(沈)、右端蓋(1)的沉槽(14)，被引入相鄰基體(3)的第二內孔(33) 之內並將DFB光纖雷射器置於第二內孔(3 之中；所述DFB光纖雷射器的兩尾端，再分別 相向穿越右端蓋(1)上第一階梯通孔(11)、第二階梯通孔(1 和左端蓋(4)上第二小孔(42)、蓋板( 上第三小孔(5 後，成為分隔式光柵傳感器的兩端尾纜。
2.按照權利要求1所述的一種分隔式光柵傳感器，其特徵在於所述彈性體(2)外圓 柱面0 的兩端部分別設有外徑相同的第一環行體04)和第二環形體(27)，其外端面分 別與第一內孔0 的端面平齊；所述右端蓋(1)上大圓柱體(1 的外圓尺寸，以及左端蓋 (4)上大圓柱體0 的外圓尺寸，與彈性體( 上第一環行體04)和第二環行體(XT)的外直徑相同。
3.按照權利要求1或2所述的一種分隔式光柵傳感器，其特徵在於所述基體(3)外 圓柱面(34) —端所設的第三環行體(32)，其沿基體C3)軸向的截面為矩形；另一端所設的 第四環行體(35)，其沿基體C3)軸向的截面為梯形；所述兩個相向安裝在彈性體( 第一 內孔0 內的基體(3)，以其兩端第三環行體(3 和第四環行體(3 的外圓面與彈性體 ⑵的第一內孔02)膠結。
專利摘要本實用新型涉及光纖傳感領域的一種應用於探測海洋噪聲的幹涉型、分隔式光柵傳感器。所要解決的技術問題是提供一種分隔式光柵傳感器，能夠滿足光纖水聽器陣列復用技術研發要求，利用光纖水聽器技術替代壓電陶瓷傳感器，在我國領海海域更加靈敏地探測海洋噪聲或移動體的行蹤。其特徵在於所述傳感器主要由一件在外部繞制有定長光纖的彈性體(2)、兩件基體(3)、一件右端蓋(1)、一件左端蓋(4)以及一件蓋板(5)組成；所述分隔式光柵傳感器的內腔空隙及彈性體(2)的表面光纖用膠粘劑進行灌封保護。本實用新型結構合理，用上述單元結構製作而成的水聽器單元，其聲壓靈敏度、加速度相移靈敏度、耐溫、耐壓、耐腐以及形體尺寸等技術指標均能符合設計要求。
文檔編號G01H9/00GK201926496SQ20102061883
公開日2011年8月10日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年11月19日
發明者周少玲, 盛廣權, 魏一兵 申請人:中國電子科技集團公司第二十三研究所