专利名称：一种分隔式光栅传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤传感领域的一种应用于探测海洋噪声的干涉型、分隔式光栅 传感器。
背景技术：
光纤传感技术是伴随光导纤维和光纤通信技术的发展而形成的一门崭新技术。光 纤传感器的传感灵敏度要比传统的压电传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高 温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还能够与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥 感系统和光纤遥测系统，所以光纤传感技术能广泛应用于航天航海、核工业、桥梁隧道、建 筑、石油开采、电力传输、医疗、科研等众多领域。干涉型光纤水听器可以非常灵敏地侦察舰船行踪、监视水下移动体。其工作原理 为，通过水下的声波对光纤的应力作用改变光纤纤芯的折射率或长度，从而引起在光纤中 传播光束的光程改变，导致相位发生变化。采用干涉测量技术可检测出相位变化，并得到有 关水声的信息。和压电陶瓷或压电晶体型的传统水听器相比，光纤水听器具有很大的优越 性。它利用光的相位干涉作为探测手段，探测灵敏度极高，响应频带也较宽；它以光纤作为 信息传感与传输媒介；而以光为载体的信息，既不会被电磁干扰，也无发生泄漏的危险。光纤水听器的研究虽然取得了长足的进步，但距实现工程化、装备化还有一定的 差距。由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的全部详细信息，因此光纤水听器 主要是以阵列的形式应用，是否能以低成本实现分布式阵列，是光纤水听器最终能否得以 应用的关键所在。各国对光纤水听器技术的研究重点集中到如何充分利用光纤传输损耗 低、传输带宽大的特点，并结合集成光电子器件的最新进展，实现对光源、光纤以及光电探 测器的多路复用。用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列，这样既可降低系统的成本，又 可降低维护上的复杂程度。而且通过对阵列信号的处理，可以极大地提高整个多路复用系 统的探测性能，获取更多有关水下目标的信息。为了满足对光纤水听器阵列复用技术的研 发要求，急需研制能满足阵列设计要求的干涉型光纤水听器。分隔式光栅传感器采用DFB光纤激光器作敏感元件。DFB光纤激光器一般由几厘 米长的一段经光刻写相移光栅的掺铒光纤构成。在波长为1480nm或980nm泵浦光的作用 下，DFB光纤激光器会产生激光。当声压作用在由DFB光纤激光器构成的相移光栅上时，声 压的变化会使光纤的折射率、光纤芯长度以及光栅周期等发生变化，从而导致DFB光纤激 光器输出的激光波长发生变化。通过对激光波长变化的检测，便可测得外界声波的信息。多个DFB光纤激光器可以沿一根光纤串联构成体积很小、重量很轻、能置于拖曳 船上的拖曳声纳阵列。由声纳阵列返回的光信号变化，经光电处理单元处理后，便可获得由 各单元输出的声信号。用DFB光纤激光器构成的光纤水听器，具有结构简单、体积小、易于波分复用、与 光纤完全兼容等特点。通过机械结构增敏封装，可以大大提高其声压灵敏度。目前，国内外 研究者都将该技术作为拖曳声纳阵用光纤水听器研究的一种重要手段。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种分隔式光栅传感器，能够满足光纤水 听器阵列复用技术研发要求，利用光纤水听器技术替代压电陶瓷传感器，在我国领海海域 更加灵敏地探测海洋噪声或移动体的行踪。为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是一种分隔式光栅传感器，其特征在于所述传感器主要由一件在外部绕制有定长 光纤的弹性体2、两件基体3、一件右端盖1、一件左端盖4以及一件盖板5组成；所述分隔 式光栅传感器的内腔空隙及弹性体2的表面光纤用胶粘剂进行灌封保护；所述弹性体2为一个由非金属材料制成的薄壁空心圆柱体；在外圆柱面25的左、 右两端分别设有第一环行体M和第二环形体27 ；在第一环行体M上设有缺口 23 ；在第二 环行体27上设有缺口沈；在第二环行体27的内侧，还设有另一缺口观；所述弹性体2的第一内孔22内胶结有一对基体3 ；所述基体3是一个薄壁空心圆 柱体，在其外圆柱面34的左、右端部，分别设有第三环行体32和第四环形体35 ；—对基体3 以其两端环行体的外圆面胶结于弹性体2的第一内孔22内，基体3的外端面31分别与弹 性体2上的两个端面21平齐；所述右端盖1胶结在弹性体1的右端，右端盖1的主体部分由同轴的大圆柱体15 和小圆柱体12从右到左依次叠加而成；小圆柱体12的外径与基体3的第二内孔33直径相 配，右端盖1以其小圆柱体12与基体3的第二内孔33胶结；所述右端盖1的中心设有从右 到左依次扩大的阶梯通孔即第一小孔13和第一大孔11 ；沿小圆柱体12轴向设有一条沉槽 14，沉槽14将小圆柱体12 —分为二 ；所述沉槽14将大圆柱体15的与第二环行体27上缺 口 26对齐的该处外圆面贯穿；所述沉槽14之深度与第一大孔11相一致；所述左端盖4胶结在弹性体1的左端，左端盖4的主体部分由同轴的大圆柱体45 和小圆柱体43从左到右依次叠加而成；小圆柱体43的外径与基体3的第二内孔33直径相 配，左端盖4以其小圆柱体43与基体3的第二内孔33胶结；所述左端盖4的中心设有从右 到左依次扩大的阶梯通孔即第二小孔42和第二大孔41 ；所述沿小圆柱体43轴向设有一条 沉槽44，沉槽44将小圆柱体43 —分为二 ；所述沉槽44将大圆柱体45的第一与环行体M 上缺口 23对齐的该处外圆面贯穿；所述沉槽44之深度与第二小孔42相一致；所述盖板5是一个带第三小孔52的圆盘，盖板5胶结于左端盖4的大孔41之内； 盖板5的外直径51与左端盖4上的第二大孔41的内径相配，厚度与第二大孔41的深度一 致；由位于弹性体2上第二环行体27内侧的缺口观处引入光纤，并缠绕于弹性体2 的外圆面25上；绕制光纤的首尾两端均连接DFB光纤激光器；然后将光纤激光器的两尾端 分别通过弹性体2 —端第一环行体M的缺口 23、左端盖4的沉槽44和另一端第二环行体 27的缺口 26、右端盖1的沉槽14，被引入相邻基体3的第二内孔33之内并将激光器置于第 二内孔33之中；DFB光纤激光器的两尾端再分别相向穿越右端盖1上的第一阶梯通孔11、 第二阶梯通孔13和左端盖4上的第二小孔42、盖板5上的第三小孔52后，成为分隔式光栅 传感器的两端尾缆。所述弹性体2外圆柱面25的两端部，分别设有外径相同的第一环行体M和第二环形体27，其外端面分别与第一内孔22的端面平齐；所述右端盖1上大圆柱体15的外圆 尺寸，以及左端盖4上大圆柱体45的外圆尺寸，与弹性体2上第一环行体M和第二环形体 27的外直径相同。所述基体3外圆柱面34 —端所设的第三环行体32，其沿基体3轴向的截面为矩 形；另一端所设的第四环行体35，其沿基体3轴向的截面为梯形；所述两个相向安装在弹性 体2第一内孔22内的基体3，以其两端第三环行体32和第四环形体35的外圆面与弹性体 2的第一内孔22胶结。本实用新型可带来以下有益效果本实用新型结构合理，用上述单元结构制作而成的水听器单元，其声压灵敏度、加 速度相移灵敏度、耐温、耐压、耐腐以及形体尺寸等技术指标均能符合设计要求。
图1为本实用新型的一个较佳实施例的装配构件示意图图2为本实用新型的一个较佳实施例的右端盖外形结构示意图图3为本实用新型的一个较佳实施例的弹性体外形结构示意图图4(a)为本实用新型的一个较佳实施例的基体全剖视图图4(b)为本实用新型的一个较佳实施例的基体半剖视结构示意图图5为本实用新型的一个较佳实施例的左端盖外形结构示意图图6为本实用新型的一个较佳实施例的盖板外形结构示意图图7为本实用新型的一个较佳实施例的装配体局部剖视结构示意图图8为本实用新型的一个较佳实施例的装配体外形图具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。按照图1所示，将五种零件一件弹性体2、两件基体3、一件右端盖1、一件左端盖 4以及一件盖板5依次胶结、固定，可组装成一个分隔式光栅传感器的单元结构。结合参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8 本实施例中，弹性体2是一个由非金属材料制成的薄壁空心圆柱体；弹性体2外圆 柱面25的两端部分别设有外径相同的第一环行体M和第二环行体27。基体3是一个薄 壁空心圆柱体；基体3外圆柱面34的左、右端部，分别设有截面为矩形的第三环行体32和 截面为梯形的第四环行体35。右端盖1的基本形体由大、小圆柱体15和12叠加而成；右 端盖1的中心设有第一阶梯通孔11和第二阶梯通孔13 ；小圆柱体12的端部顺其轴向设有 一条偏向一侧的圆头沉槽14 ；沉槽14将小圆柱体12 —分为二 ；沉槽14之深度与第一大孔 11 一致；沉槽14之右侧将大圆柱体15的外圆面贯穿。左端盖4的基本形体由大、小圆柱 体45和43叠加而成；左端盖4的中心设有第二大孔41和第二小孔42 ；小圆柱体43的端 部顺其轴向设有一条偏向一侧的圆头沉槽44 ；沉槽44将小圆柱体43 —分为二 ；沉槽44恰 与第二大孔41之底部贯通；沉槽44之右侧将大圆柱体45的外圆面贯穿。盖板5是一个带 第三小孔52的圆盘；盖板5的外直径51与左端盖4上的第二大孔41的内径相配，厚度与 第二大孔41的深度一致。弹性体2外圆柱面25的两端部分别设有外径相同的第一环行体M和第二环形体 27，其外端面分别与内孔22的端面平齐；第一环行体M和第二环形体27上，分别设有缺口23和沈；第二环行体27的内侧，还设有另一缺口观；外圆柱面25上绕制定长光纤的端首 由位于第二环行体27内侧的缺口观处引出。基体3外圆柱面34上设有的第三环行体32和第四环形体35，其外直径与弹性体 2上的第一内孔22相配。一对基体3以其两端环行体的外圆面相向胶结于弹性体2的第一内孔22时，基体 3的外端面31分别与弹性体2上的两个端面21平齐；两个相向安装的基体3，在弹性体2 的第一内孔22中以第四环行体35外侧的两个梯形面胶结结合时，两个梯形面间的胶体受 到梯形面的挤压，使第四环行体35的外圆面与弹性体2的第一内孔22可靠胶结；基体3第 四环行体35的外圆面与弹性体2的第一内孔22可靠胶结后，将弹性体2从内孔分隔为二。基体3的第二内孔33，其直径与左端盖4及右端盖1上小圆柱体43和12的外径 相配。右端盖1上大圆柱体15的外圆尺寸，以及左端盖4上大圆柱体45的外圆尺寸，与 弹性体2上第一环行体M和第二环形体27的外直径相同；右端盖1及左端盖4分别以其 小圆柱体12和43分别与基体3的第二内孔33胶结时，沉槽14和44分别与弹性体2上环 行体的缺口 26和23对齐。缠绕于弹性体2的光纤首尾两端均连接一个DFB光纤激光器；光纤激光器的两尾 端先后通过弹性体2 —端第一环行体M上的缺口 23、左端盖4的沉槽44和另一端第二环 行体27的缺口 26、右端盖1上的沉槽14，分别被引入相邻基体3的第二内孔33之内并将 激光器置于第二内孔33之中；DFB光纤激光器的两尾端再分别相向穿越右端盖1上的第一 阶梯通孔11、第二阶梯通孔13和左端盖4上的第二小孔42、盖板5上的第三小孔52后，成 为分隔式光栅传感器的两端尾缆。以下对各个部件进行分述(1)右端盖1，见图2。右端盖1的基本形体由大、小圆柱体15和12叠加而成；其中心设有第一阶梯通孔 11和第二阶梯通孔13 ；从小圆柱体12的端部顺其轴向设有一条偏向一侧的圆头沉槽14， 该沉槽将小圆柱体12—分为二，沉槽之深度与第一大孔11 一致，沉槽之右侧将大圆柱体15 的外圆面贯穿。右端盖1上大圆柱体15的外圆尺寸与弹性体2上第一环行体M和第二环行体27 的外直径相同。(2)弹性体2，见图3。弹性体2是一个由非金属材料制成的薄壁空心圆柱体。在外圆柱面25两端部，分 别设有外径相同的第一环行体M和第二环行体27。第一环行体M和第二环行体27的外 端面分别与内孔22的端面平齐；在第一环行体M和第二环行体27上，分别设有缺口 23和 26 ；在第二环行体27的内侧，还设有另一缺口观。⑶基体3，见图4。基体3是一个薄壁空心圆柱体。在外圆柱面34的左、右端部，分别设有截面为矩 形的第三环行体32和截面为梯形的第四环行体35。第三环行体32与第四环形体35的外 直径与弹性体2上的第一内孔22相配。当一对基体3以其两端环行体的外圆面相向胶结于弹性体2的第一内孔22时，基体3的外端面31分别与弹性体2上的两个端面21平齐。当两个相向安装的基体3，在弹性 体2的第一内孔22中，以两个梯形面胶结时，胶体在两个梯形面的挤压下，可确保第四环 行体35的外圆面，能与弹性体2的第一内孔22可靠胶结。基体3的第二内孔33，其直径与左端盖4及右端盖1上小圆柱体43和12的外径 相配。(4)左端盖4，见图5。左端盖4的基本形体由大、小圆柱体45和43叠加而成；其中心设有第二大孔41 和第二小孔42 ；从小圆柱体43的端部顺其轴向设有一条偏向一侧的圆头沉槽44，该沉槽将 小圆柱体43 —分为二，沉槽之深度恰与第二大孔41之底部贯通，沉槽之右侧将大圆柱体45 的外圆面贯穿。左端盖4上大圆柱体45的外圆尺寸与弹性体2上第一环行体M和第二环行体27 的外直径相同。(5)盖板 5，见图 6。盖板5是一个带第三小孔52的圆盘。其外直径51与左端盖4上的第二大孔41 的内径相配，盖板5的厚度与第二大孔41的深度一致。本实施例可通过选择各种适宜的材料及相关的机械加工手段，根据各加工件的工 程图纸加工成相应零件后封装而成。分隔式光栅传感器的封装过程简述如下首先，在弹性体2的外圆柱面25上绕制定长光纤；绕制时，光纤端首须由位于弹性 体2上第二环行体27内侧的缺口观处引出。绕制后将两个DFB光纤激光器分别与光纤的 首尾端连接。然后，将两件基体3以其两端环行体的外圆面相向胶结于弹性体2的第一内孔22。 此时，须确保第三环行体32、第四环行体35的外圆面与弹性体2的第一内孔22胶结可靠； 基体3的外端面31分别与弹性体2上的两个端面21平齐。两个基体3上梯形截面的第四 环行体35相结合并与弹性体2的第一内孔22可靠胶结后，便将弹性体2从内孔分隔为二。第三，设法将DFB光纤激光器的两个端首，分别通过弹性体2 —端的一环行体M 的缺口 23、左端盖4的沉槽44和另一端第二环行体27的缺口 26、右端盖1的沉槽14，被 引入相邻基体3的第二内孔33之内并将激光器置于第二内孔33之中，并分别从另一基体 3的端口穿出。第四，把基体3右端口穿出的光纤，从右端盖1小圆柱体12的端口穿过右端盖1 后，将右端盖1以其小圆柱体12胶结于基体3的右端口。胶结时，须确保右端盖1上的沉 槽14与弹性体2上第二环行体27的缺口沈对齐，从而使由基体3右端口引入的光纤弯折 部分，落在右端盖1上的沉槽14之内。第五，把基体3左端口穿出的光纤，从左端盖4小圆柱体43的端口穿过左端盖4 后，将左端盖4以其小圆柱体43胶结于基体3的左端口。胶结时，须确保左端盖4上的沉 槽44与弹性体2上第一环行体M的缺口 23对齐，从而使由基体3左端口引入的光纤弯折 部分，落在左端盖4上的沉槽44之内。第六，设法将某种胶粘剂从左端盖4的第二大孔41灌入基体3的第二内孔33之 内，使第二内孔33之内受到保护的DFB光纤激光器完全密封。第七，把从左端盖4孔中引出的光纤端头穿过盖板5上的第三小孔52后，将盖板5胶结于左端盖4的第二大孔41之中。 最后，对缠绕于弹性体2表面的光纤进行灌封保护。
权利要求1.一种分隔式光栅传感器，其特征在于所述传感器主要由一件在外部绕制有定长光 纤的弹性体O)、两件基体(3)、一件右端盖(1)、一件左端盖⑷以及一件盖板(5)组成； 所述分隔式光栅传感器的内腔空隙及弹性体O)的表面光纤用胶粘剂进行灌封保护；所述弹性体( 为一个由非金属材料制成的薄壁空心圆柱体；在外圆柱面0 的左端 设有第一环行体(M)，第一环行体04)上设有缺口 ；在外圆柱面0 的右端设有第 二环行体(27)，第二环行体(XT)上设有缺口(26)，在第二环行体(XT)的内侧，还设有另一 缺口 (28)；所述弹性体的第一内孔0 内胶结有一对基体(3)，所述基体C3)是一个薄壁空 心圆柱体，在其外圆柱面(34)的左、右端部，分别设有第三环行体(3 和第四环体(35)； 一对基体(3)以其两端环行体的外圆面胶结于弹性体的第一内孔0 内，基体(3)的 外端面(31)分别与弹性体(2)上的两个端面平齐；所述右端盖(1)胶结于弹性体(1)的右端，右端盖(1)的主体部分由同轴的大圆柱体 (15)和小圆柱体(12)从右到左依次叠加而成；小圆柱体(12)的外径与基体(3)的第二内 孔(33)的直径相配，右端盖⑴以其小圆柱体(12)与基体(3)的第二内孔(33)胶结；所 述右端盖(1)的中心设有从右到左依次扩大的阶梯通孔即第一小孔(1 和第一大孔(11)； 沿小圆柱体(12)的轴向设有一条沉槽(14)，沉槽(14)将小圆柱体(12) —分为二 ；所述沉 槽(14)将大圆柱体(1 的与第二环行体(XT)上缺口 06)对齐的该处外圆面贯穿；所述 沉槽(14)之深度与第一大孔(11)相一致；所述左端盖(4)胶结于弹性体(1)的左端，左端盖的主体部分由同轴的大圆柱体 (45)和小圆柱体03)从左到右依次叠加而成；小圆柱体G3)的外径与基体(3)的第二内 孔(33)的直径相配，左端盖⑷以其小圆柱体G3)与基体(3)的第二内孔(33)胶结；所 述左端盖(4)的中心设有从右到左依次扩大的阶梯通孔即第二小孔0 和第二大孔Gl)； 所述沿小圆柱体G3)的轴向设有一条沉槽(44)，沉槽04)将小圆柱体03) —分为二 ；所 述沉槽G4)将大圆柱体0 的与第一环行体04)上缺口 对齐的该处外圆面贯穿； 所述沉槽G4)之深度与第二小孔0 相一致；所述盖板(5)是一个带第三小孔(52)的圆盘，盖板(5)胶结于左端盖⑷的第二大孔(41)内；盖板(5)的外直径(51)与左端盖(4)上的第二大孔Gl)的内径相配，厚度与第 二大孔Gl)的深度一致；由位于弹性体(2)上第二环行体(XT)内侧的缺口 08)处引入光纤，并缠绕于弹性体 (2)上；所述绕制光纤首尾两端均连接DFB光纤激光器；所述DFB光纤激光器的两尾端，分 别通过弹性体( 一端第一环行体04)的缺口(23)、左端盖的沉槽04)和另一端第 二环行体(27)的缺口(沈)、右端盖(1)的沉槽(14)，被引入相邻基体(3)的第二内孔(33) 之内并将DFB光纤激光器置于第二内孔(3 之中；所述DFB光纤激光器的两尾端，再分别 相向穿越右端盖(1)上第一阶梯通孔(11)、第二阶梯通孔(1 和左端盖(4)上第二小孔(42)、盖板( 上第三小孔(5 后，成为分隔式光栅传感器的两端尾缆。
2.按照权利要求1所述的一种分隔式光栅传感器，其特征在于所述弹性体(2)外圆 柱面0 的两端部分别设有外径相同的第一环行体04)和第二环形体(27)，其外端面分 别与第一内孔0 的端面平齐；所述右端盖(1)上大圆柱体(1 的外圆尺寸，以及左端盖 (4)上大圆柱体0 的外圆尺寸，与弹性体( 上第一环行体04)和第二环行体(XT)的外直径相同。
3.按照权利要求1或2所述的一种分隔式光栅传感器，其特征在于所述基体(3)外 圆柱面(34) —端所设的第三环行体(32)，其沿基体C3)轴向的截面为矩形；另一端所设的 第四环行体(35)，其沿基体C3)轴向的截面为梯形；所述两个相向安装在弹性体( 第一 内孔0 内的基体(3)，以其两端第三环行体(3 和第四环行体(3 的外圆面与弹性体 ⑵的第一内孔02)胶结。
专利摘要本实用新型涉及光纤传感领域的一种应用于探测海洋噪声的干涉型、分隔式光栅传感器。所要解决的技术问题是提供一种分隔式光栅传感器，能够满足光纤水听器阵列复用技术研发要求，利用光纤水听器技术替代压电陶瓷传感器，在我国领海海域更加灵敏地探测海洋噪声或移动体的行踪。其特征在于所述传感器主要由一件在外部绕制有定长光纤的弹性体(2)、两件基体(3)、一件右端盖(1)、一件左端盖(4)以及一件盖板(5)组成；所述分隔式光栅传感器的内腔空隙及弹性体(2)的表面光纤用胶粘剂进行灌封保护。本实用新型结构合理，用上述单元结构制作而成的水听器单元，其声压灵敏度、加速度相移灵敏度、耐温、耐压、耐腐以及形体尺寸等技术指标均能符合设计要求。
文档编号G01H9/00GK201926496SQ20102061883
公开日2011年8月10日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者周少玲, 盛广权, 魏一兵 申请人:中国电子科技集团公司第二十三研究所