[发明专利]一种基于活塞的耐静水压光纤水听器

说明书

本发明提供一种基于活塞的耐静水压光纤水听器，该光纤水听器，包括圆柱型刚性筒、波纹管、活塞腔、活塞系统、连通孔、膜片室、声敏膜片以及光纤光栅。刚性筒内沿轴线方向有多个均匀排列的活塞腔，波纹管设置于活塞腔体内一端，活塞系统通过活塞连杆与波纹管连接，实现耐静水压力补偿。活塞腔通过连通孔与膜片室连接，膜片室的外端是膜片；刚性筒的内部轴线处安装有光纤光栅，光纤光栅的一端与声敏膜片连接，另一端与刚性筒内的预收紧装置连接。本发明在较小的体积上实现了高灵敏度与静压平衡；利用波纹管结构可以对水听器起到缓冲保护作用。

技术领域

本发明涉及一种光纤水听器，尤其涉及一种基于活塞的耐静水压光纤水听器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

光纤水听器是利用光纤的传光特性以及周围环境声压作用产生的调制效应，探测水中声音的仪器。目前光纤水听器主要有强度调制型、干涉型、光纤光栅型等，光纤光栅型水听器因为其灵敏度高、体积小、易于波分复用等优点，在随船水声测量，岛屿、港口的快速警戒等领域有着广泛的应用前景。

由于光纤光栅水听器是波长敏感型传感器，光纤光栅的波长随压强变化，而适应大深度工作环境的光纤光栅水听器目前研究较少。因此，如何在保证高压下测量灵敏度的同时提高耐静水压的能力，是光纤光栅水听器应用必需解决的关键问题。

常见的提高耐静水压能力的方式有增加水听器结构强度、水听器结构开孔、压力补偿等方式。

在增加水听器结构强度方面，李东明等人设计了一种弹性膜片增敏探头，该结构的耐静压性能取决于弹性膜片的刚度，通过优化结构来提高水听器的耐静水压能力。当水压足够大时，膜片会被压缩变形。这种方式的耐静压能力很大程度上取决于材料的性能，并会降低水听器的灵敏度(参考文献，李东明,陈军,葛辉良,张自丽.高灵敏度加速度抵消型分布反馈有源光纤光栅水听器研究[J].中国激光,2012,39(03):139-145.)。

在水听器结构开孔方面，陆祈祯等人设计了一种刚性筒开孔的耐静压水听器探头，膜片两侧的腔室与外界连通，保证膜片两侧水压力平衡。受开孔影响，光纤光栅暴露于外界流体中易被破坏(参考文献，陆祈祯,黄俊斌,顾宏灿,汪云云.一种耐静压分布反馈式光纤激光水听器探头设计[J].应用光学,2020,41(02):428-434.)。

在应用压力补偿结构方面，Kuttan Chandrika Unnikrishnan等人将压力补偿结构以滑块室的形式集成到水听器内部。这种水听器的耐静水压能力取决于滑块在滑块室内移动距离的长短，长时间作用下，滑块与滑块室频繁接触必然导致滑块磨损，减弱耐静压能力。另外由于缺少缓冲结构，强烈水流作用时水听器内的滑块因承受巨大冲击力而容易被损坏(参考文献，Chandrika Unnikrishnan Kuttan,Pallayil Venugopalan,Lim KianMeng,Chew Chye Heng.Pressure compensated fiber laser hydrophone:modeling andexperimentation.[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2013,134(4).)。

Steven Goodman等人提出一种带气囊的平衡静水压型光纤光栅水听器结构。这种水听器结构复杂，可靠性低，气囊体积大，在复杂的水下环境中容易受到破坏，大大降低了水听器的可靠性，并且不利于水听器结构的小型化(参考文献，Steven Goodman,AlexeiTikhomirov,Scott Foster.Pressure compensated distributed feedback fibre laserhydrophone[P].International Conference on Optical Fibre Sensors,2008.)。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，利用活塞和波纹管平衡静水压的气密性强、补偿压力强、耐腐蚀等优点，提出了一种体积小、耐静压能力强、具有缓冲功能的光纤光栅水听器。