Волоконно-оптический гидрофон

Авторы патента:

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в гидроакустике для измерения параметров гидроакустического излучения подводных и надводных объектов в натурных водоемах и гидроакустических бассейнах. Сущность полезной модели заключается в том, что чувствительный элемент волоконно-оптического гидрофона выполнен в виде выпуклого тела вращения, полностью заполненного силоксановым эластомером, размещенного соосно вокруг жесткого сердечника, а степень свободы колебаний выпуклого тела вращения вдоль его оси вращения ограничена механизмами для приложения механического усилия. Регулировка прикладываемого к телу вращения механического усилия позволяет изменять чувствительность волоконно-оптического гидрофона. 2 п.ф., 2 илл.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИДРОФОН

Известен волоконно-оптический гидрофон (ВОГ), содержащий оптически соединенный с источником когерентного оптического излучения и с фотоприемником интерферометр, включающий опорное плечо, образованное опорным оптическим волокном, и чувствительное плечо, образованное чувствительным оптическим волокном, причем чувствительное оптическое волокно намотано на эластичный полый сердечник, внутри которого имеется поддерживающий элемент цилиндрической формы, формирующий герметичную полость под внутренней поверхностью эластичного сердечника, заполненную воздухом или схожим веществом, а опорное оптическое волокно намотано на жесткий сердечник, расположенный коаксиально к эластичному сердечнику и прилегающий к нему [Патент США 6549488, кл. 367/149 (H04R 23/00), дата публ. 15.04.2003].

Недостатками известного ВОГ является невозможность его работы при больших уровнях гидростатического давления из-за наличия герметичной полости, заполненной воздухом или схожим веществом, сложность конструкции, предусматривающей двукратную намотку оптических волокон в процессе ее изготовления, а также отсутствие возможности регулировки чувствительности.

Известен ВОГ для работы при больших уровнях гидростатического давления, принятый за прототип, содержащий оптически соединенный с источником когерентного оптического излучения,и с фотоприемником, интерферометр, включающий опорное плечо, образованное опорным оптическим волокном, и чувствительное плечо, образованное чувствительным оптическим волокном, а также чувствительный элемент, представляющий собой жесткий сердечник с намотанным на него опорным оптическим волокном и размещенным вокруг него слоем эластичного материала, на который намотано чувствительное оптическое волокно, покрытое дополнительным слоем эластичного материала и слоем защитного покрытия [Патент США 5625724, кл. 385/12, 385/13, 385/100 (G02B 6/00, G01B 9/02, Н04В 13/00), дата публ. 29.04.1997.].

Недостатками прототипа является недостаточная чувствительность и отсутствие возможности регулировки чувствительности.

Кроме того, конструкция предусматривает двукратную намотку оптических волокон в процессе ее изготовления, что усложняет процесс ее изготовления.

Полезная модель решает задачу повышения чувствительности ВОГ и обеспечение возможности ее регулировки.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном ВОГ, содержащем оптически соединенный с источником когерентного оптического излучения и с фотоприемником интерферометр, включающий опорное плечо, образованное опорным оптическим волокном, и чувствительное плечо, образованное чувствительным оптическим волокном, а также чувствительный элемент, представляющий собой жесткий сердечник с размещенным вокруг него слоем эластичного материала, на который намотано чувствительное оптическое волокно, покрытое дополнительным слоем эластичного материала и слоем защитного покрытия, слой эластичного материала, размещенный вокруг жесткого сердечника, представляет собой выпуклое тело вращения, полностью заполненное эластичным материалом и соосно размещенное с жестким сердечником, степень свободы колебаний которого вдоль его оси вращения ограничена механизмами для приложения механического усилия, вплотную прилегающими к поверхностям выпуклого тела вращения, перпендикулярным его оси вращения, а эластичный материал представляет собой силоксановый эластомер.

При этом жесткий сердечник представляет собой цилиндрический стержень с резьбой, а каждый механизм для приложения механического усилия, ограничивающий степень свободы колебаний выпуклого тела вращения силоксанового эластомера вдоль его оси вращения, вплотную прилегает к поверхности выпуклого тела вращения, перпендикулярной его оси вращения, и представляет собой последовательно расположенные на оси жесткого сердечника и с возможностью перемещения вдоль нее жесткую пластину, перпендикулярную оси жесткого сердечника и выпуклого тела, пружину для регулировки прикладываемого усилия, вспомогательной пластины, ограничивающей пружину, и гайки.

Для повышения технологичности изготовления, за счет исключения двукратной намотки оптических волокон, опорное оптическое волокно может быть вынесено за пределы чувствительного элемента и защищено от измеряемого гидроакустического воздействия и влияния окружающей среды.

Сущность полезной модели поясняется следующим.

Под воздействием механического усилия, прикладываемого к выпуклому телу вращения, полностью заполненному силоксановым эластомером, с двух сторон в плоскостях, перпендикулярных его оси вращения, с помощью вышеуказанных механизмов для приложения механического усилия, выпуклое тело вращения, полностью заполненное силоксановым эластомером, деформируется, что приводит к ограничению степени свободы его колебаний вдоль оси вращения - в направлении, не совпадающем с направлением воздействия гидроакустического излучения. Это приводит к значительному уменьшению деформации выпуклого тела вращения и намотанного на него чувствительного оптического волокна в направлениях, не совпадающих с направлением воздействия гидроакустического излучения, а также к перераспределению энергии механических колебаний тела вращения под действием гидроакустического излучения, что приводит к увеличению деформаций выпуклого тела вращения и намотанного на него чувствительного оптического волокна в направлении воздействия гидроакустического излучения. Это приводит к повышению чувствительности ВОГ рассматриваемой конструкции к воздействию гидроакустического излучения.

Регулировка прикладываемого механического усилия к выпуклому телу вращения с намотанным на него чувствительным оптическим волокном с помощью механизмов для приложения механического усилия позволяет увеличивать или уменьшать степень деформации выпуклого тела вращения, что позволяет тем самым регулировать чувствительность ВОГ. Выпуклая форма тела вращения обеспечивает детерминированное направление деформации всех точек боковых поверхностей тела вращения в направлении, перпендикулярном оси вращения, при приложении к нему механического усилия и одинаковое поведение всех витков оптического волокна при воздействии гидроакустического излучения.

Использование силоксанового эластомера в качестве материала для выпуклого тела вращения позволяет увеличить деформацию намотанного на него чувствительного оптического волокна под действием гидроакустического излучения за счет меньшего, чем у чувствительного оптического волокна, модуля Юнга.

Вынесение опорного оптического волокна за пределы чувствительного элемента ВОГ приводит к повышению технологичности изготовления, поскольку в процессе производства ВОГ не требуется осуществления двукратной намотки оптического волокна на чувствительный элемент, а также использования дополнительной защиты опорного оптического волокна в конструкции чувствительного элемента от воздействия измеряемого гидроакустического излучения и влияния окружающей среды.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема ВОГ, на фиг. 2 - пример конструкции чувствительного элемента ВОГ.

ВОГ содержит опорное оптическое волокно 1 и чувствительное оптическое волокно 2, образующие интерферометр. Чувствительное оптическое волокно 2 является частью чувствительного элемента 3, в то время как опорное оптическое волокно 1 вынесено за пределы чувствительного элемента и защищено от измеряемого гидроакустического воздействия и влияния окружающей среды. Интерферометр оптически согласован с источником когерентного оптического излучения 4 и фотоприемником 5. Источник когерентного оптического излучения 4 и фотоприемник 5 защищены от воздействий окружающей среды и измеряемого гидроакустического излучения стенкой носителя 6. В качестве стенки носителя 6 может выступать герметичный корпус судна или оборудования, в котором непосредственно размещаются источник когерентного оптического излучения 4, фотоприемник 5 и опорное оптическое волокно 1, причем опорное оптическое волокно 1 намотано на отдельный жесткий сердечник. Объединение чувствительного оптического волокна 1 и опорного оптического волокна 2 в интерферометр может осуществляться согласно существующим интерферометрическим схемам, например [Yin S., Ruffin Р. В., Yu F. T. S. Fiber Optic Sensors, 2nd ed. - Pennsylvania State University// CRC Press Taylor & Francis Group, 2008. - 477 p.].

Чувствительный элемент ВОГ (фиг. 2) содержит жесткий сердечник 7, представляющий собой цилиндрический стержень с резьбой, вокруг которого размещен слой эластичного материала, выполненный в виде выпуклого тела вращения 8, соосно размещенного с жестким сердечником 7 и полностью заполненного эластичным материалом, на который намотано чувствительное оптическое волокно 2, дополнительное покрытое слоем эластичного материала 9 и тонким защитным покрытием 10. Слой эластичного материала, представляющий собой силоксановый эластомер, выполненный в виде выпуклого тела вращения 8, с двух сторон ограничен механизмами для приложения механического усилия.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается ВОГ, в котором в качестве опорного оптического волокна и чувствительного оптического волокна, образующих интерферометр Маха-Цендера, используется двулучепреломляющее оптическое волокно с эллиптической напрягающей оболочкой длиной 40 метров. В качестве источника оптического излучения предлагается использовать полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (VICSEL). В качестве фотоприемника может быть использован фотодиодный модуль PDI-40-RM.

Жесткий сердечник чувствительного элемента ВОГ представляет собой стальной цилиндрический стержень диаметром 6 мм с резьбой. В качестве формы выпуклого тела вращения чувствительного элемента предлагается эллипс с размерами полуосей, равными 2,5 см 2,5 см 7 см. Диаметр его боковых поверхностей, перпендикулярных его большой оси вращения, равен 40 мм. В качестве материала выпуклого тела вращения предлагается двухкомпонентный силоксановый эластомер, отверждаемый при комнатной температуре, RTV 655 с модулем Юнга 5,6 МПа и коэффициентом Пуассона 0,49932. Чувствительное оптическое волокно, намотанное на выпуклое тело вращения, дополнительно покрыто слоем RTV 655 с толщиной 0,5 мм и тонким защитным покрытием из фторопласта с толщиной 0,4 мм.

Два механизма для приложения механического усилия, вплотную прилегающие к поверхностям выпуклого тела вращения, перпендикулярным его оси вращения, включают в себя металлическую шайбу толщиной 2 мм, диаметром 40 мм с отверстием по центру диаметром 7 мм, пружину для регулировки прикладываемого усилия с усилием сжатия 15 Ньютонов, вспомогательную металлическую шайбу толщиной 1 мм, диаметром 15 мм с отверстием по центру диаметром 7 мм, и гайки с резьбой, соответствующей резьбе жесткого сердечника.

Вынесенное за пределы чувствительного элемента опорное оптическое волокно может быть защищено от воздействия измеряемого гидроакустического излучения и влияния окружающей среды, например, путем намотки на отдельный жесткий металлический сердечник и размещения в герметичном корпусе носителя, в качестве которого может выступать корпус судна или оборудования, в котором непосредственно размещаются источник когерентного оптического излучения, фотоприемник и опорное оптическое волокно.

Таким образом, предложенная конструкция ВОГ обеспечивает повышение чувствительности ВОГ и возможность ее регулировки. Кроме того, повышается технологичность изготовления ВОГ.

1. Волоконно-оптический гидрофон, содержащий оптически соединенный с источником когерентного оптического излучения и с фотоприемником интерферометр, включающий опорное плечо, образованное опорным оптическим волокном, и чувствительное плечо, образованное чувствительным оптическим волокном, а также чувствительный элемент, представляющий собой жесткий сердечник с размещенным вокруг него слоем эластичного материала, на который намотано чувствительное оптическое волокно, покрытое дополнительным слоем эластичного материала и слоем защитного покрытия, отличающийся тем, что слой эластичного материала, размещенный вокруг жесткого сердечника, представляет собой выпуклое тело вращения, полностью заполненное эластичным материалом и соосно размещенное с жестким сердечником, степень свободы колебаний которого вдоль его оси вращения с каждой из сторон по указанной оси ограничена механизмами для приложения механического усилия, вплотную прилегающими к поверхностям выпуклого тела вращения, перпендикулярным его оси вращения, а эластичный материал представляет собой силоксановый эластомер.

2. Волоконно-оптический гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что жесткий сердечник представляет собой цилиндрический стержень с резьбой, при этом каждый механизм для приложения механического усилия, ограничивающий степень свободы колебаний выпуклого тела вращения силоксанового эластомера вдоль его оси, вплотную прилегающий к поверхностям выпуклого тела вращения, перпендикулярным его оси вращения, представляет собой последовательно расположенные на оси жесткого сердечника и с возможностью перемещения вдоль нее жесткую пластину, перпендикулярную оси жесткого сердечника и выпуклого тела вращения, пружину для регулировки прикладываемого усилия, вспомогательной пластины, ограничивающей пружину, и гайки.

3. Волоконно-оптический гидрофон по п. 1 или 2, отличающийся тем, что опорное оптическое волокно вынесено за пределы чувствительного элемента и защищено от измеряемого гидроакустического воздействия и влияния окружающей среды.