一种基于活塞的耐静水压光纤水听器
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。
本发明的目的是这样实现的：包括刚性筒、设置在刚性筒一端的端盖、设置在端盖中心位置的预收紧装置、设置在刚性筒另一端的声敏膜片、设置在刚性筒内且与声敏膜片连接的膜片室，在刚性筒内、沿刚性筒圆周方向还等间距设置有活塞腔，活塞腔的一端通过连通腔室与膜片室连通、另一端与对应的波纹管连通，波纹管的数量与活塞腔数量相等，波纹管的端部与端盖连接且在连接处设置有进水口；刚性筒内设置有光纤光栅，所述光纤光栅的第一尾纤与预收紧装置连接，所述光纤光栅的第二尾纤与声敏膜片相连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.活塞腔包括活塞体、活塞环、活塞连杆、活塞连杆锁紧螺栓，活塞环是金属弹性环，活塞连杆锁紧螺栓一端位于活塞体内部、另一端与活塞连杆相连，锁紧螺栓与活塞连杆起到连接活塞与波纹管的作用。
2.声敏膜片为弹性圆形不锈钢薄片。
3.水通过所述进水孔进入所述波纹管，由于水压力的存在，波纹管拉伸变形，波纹管内的水推动与之相连的所述活塞系统移动，活塞系统压缩所述活塞腔内的气体，被压缩的气体通过所述连通孔进入膜片室，同时所述声敏膜片一侧也受到水压力的作用，此时膜片两侧压力平衡；当有声压信号作用于所述声敏膜片上时，声敏膜片变形，引起所述光纤光栅轴向变形，根据所述光纤光栅变形量得到声信号信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实施例提供的光纤光栅水听器摒弃了气囊与滑块结构。当水压力变化时，活塞左右两侧压力不平衡，水压力推动活塞向前运动直到活塞两侧压力平衡，由此实现压力补偿，在此过程中，波纹管由于具有可伸缩性，当其内部充满水时，出现拉伸变形。此外，波纹管结构具有缓冲作用，当突然有强烈的水流冲击到水听器上时，由于波纹管结构的存在，可以有效避免水流冲击对水听器结构的破坏。采用波纹管装置，有效保证了活塞装置与水的分离，避免活塞腔内壁因为与水的长时间接触被腐蚀，导致活塞腔失去气密性。此外，活塞腔的具体个数可以根据具体使用环境下所需补偿的耐静水压力大小进行调整，在活塞体与和弹性活塞环结合以及多个活塞腔结构共同作用下，可以实现大静压补偿。
附图说明
图1为水听器结构正面示意图；
图中，010光纤光栅，020声敏膜片，030刚性筒，040膜片室，050连通腔室，060活塞系统，070活塞腔，071波纹管，080端盖，081进水孔，090预收紧装置。
图2为水听器结构的左视图；
图3为活塞装置结构示意图；
图中，070活塞腔，072第一0型密封圈，073第二0型密封圈，074第一0型密封圈槽，075第二0型密封圈槽，076活塞体，077活塞连杆锁紧螺栓，078活塞连杆。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图3，本发明提供了一种光纤光栅水听器，主要包括四个部分：支撑保护单元、声信号探测单元、压力补偿单元和缓冲单元。支撑保护单元包括耐腐蚀的金属刚性筒和预收紧装置，预收紧装置位于刚性筒的一端的正中心处。缓冲单元由波纹管和端盖组成，波纹管使用橡胶材质制成，端盖设计在波纹管前端面，其上面有进水孔，可以防止杂物进入堵塞波纹管。压力补偿单元包括活塞系统、活塞腔，其中活塞装置由活塞体和紧紧环绕在其表面活塞槽内的活塞环、活塞连杆、活塞连杆锁紧螺栓组成。活塞环是具有较大向外扩张变形的金属弹性环，活塞连杆锁紧螺栓一端位于活塞体内部，另一端与活塞连杆相连，锁紧螺栓与活塞连杆可以起到连接活塞与波纹管的作用。声信号探测单元包括光纤光栅和声敏膜片，其中声敏膜片使用耐腐蚀的圆形金属薄片制成，可以实现将声压信号转换为光纤光栅的形变量；刚性筒为圆柱结构，光纤光栅设置在刚性筒内部的正中心处，一端连接到声敏膜片上，另一端连接到预张紧装置上。N个活塞腔沿所述刚性筒的轴向方向设置在刚性筒内，以空间位置相差360°/N分布在光纤周围。端盖和波纹管设置在活塞腔的最左端，波纹管通过活塞连杆与活塞系统相连，活塞系统中两道活塞环设置在活塞体上，连通孔将活塞腔与膜片室连通。声敏膜片安装在刚性筒的一侧，用于在声压作用下发生形变，而靠近声敏膜片的膜片室可以为声敏膜片的伸缩提供空间。
本发明的刚性筒，设有开口；活塞腔，所述活塞腔位于圆柱型刚性筒内，形成多个均匀排列的腔体；波纹管，设置于所述活塞腔的端口处，用于在水听器受到水流冲击时起到缓冲作用；活塞系统，设置于所述波纹管的后端；连通孔，所述连通孔设置于所述活塞腔后面并于活塞腔连接；预收紧装置，设置于所述刚性筒的一端中心处；声敏膜片，设置于刚性筒的另一端；膜片室，所述膜片室设置于所述刚性筒内部，与所述声敏膜片相连；光纤光栅，设置于所述刚性筒内，所述光纤光栅的第一尾纤与所述刚性筒一端的所述预收紧装置连接，所述光纤光栅的第二尾纤与所述刚性筒的另一端的声敏膜片相连接。所述波纹管前端有端盖，端盖上有进水孔，方便水流进入所述波纹管的同时防止杂物进入。所述活塞腔后面依次是连通孔、膜片室。活塞腔、连通孔、膜片室连接而成的腔体贯穿整个刚性筒。所述活塞腔为圆柱形结构，所述波纹管沿所述活塞腔的轴向方向设置于所述活塞腔内。所述的活塞腔、连通孔、膜片室沿所述刚性筒的轴向方向设置于所述刚性筒内。
参考图1，为本发明提供的水听器的整体结构图。
其中，080为端盖，081为端盖上面的进水孔，071为波纹管，刚性筒030为一端开口的圆柱形筒，一般使用刚性较好且耐腐蚀的金属材料，如钛合金；预收紧装置090，使用殷钢材料，安装于支撑刚性筒030的开口端；声敏膜片020，一般为弹性圆形不锈钢薄片，安装于刚性筒030的另一端；活塞装置060位于活塞腔070内部，活塞腔070通过连通腔室050与膜片室040连接，安装于刚性筒030内部轴线处的光纤光栅010为光纤布拉格光栅，光纤光栅010的一端穿过声敏膜片020中心，用于感测声压，光纤光栅010在安装时可以通过收紧装置090施加一定的预应力，光纤光栅010的尾纤通过预收紧装置090引出。
参考图3，为本发明提供的活塞系统的整体结构图。
其中，活塞体076使用殷钢材料制成，设置在活塞腔070内，沿活塞体076轴心设置活塞连杆078和与活塞连杆匹配的活塞连杆锁紧螺栓077，活塞体076的柱形表面上设置第一0型密封圈槽074和第二0型密封圈槽075，第一0型密封圈072设置在第一0型密封圈槽074中，第二0型密封圈073设置在第二0型密封圈槽075中，依靠第一0型密封圈072和第二型密封圈073与活塞腔070的滑动摩擦实现密封作用。活塞连杆078主要是为了日后更方便的更换活塞装置060。
本发明提供的基于活塞平衡静压的光纤光栅水听器的工作原理如下：
水通过波纹管071前端端盖080上的进水孔081进入波纹管071，当波纹管071内的水足够多时，波纹管071被拉长，波纹管071内的水推动活塞系统060向前移动，活塞腔070内的气体被压缩，直到活塞腔070内的气体压力与外界水压力保持一致时，活塞系统060停止移动，此时声敏膜片020两端压力保持一致。当有声信号作用到声敏膜片020上时，声敏膜片020变形，光纤光栅010轴向拉伸，光纤光栅010反射回的光波波长因此发生变化，通过检测波长变化量，可以探测声压信号信息。
综上，本发明提出一种光纤水听器，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。
