[發明專利]基于光纖Bragg光柵的振弦式次聲波傳感器

有效

• 申請號: 201410093841.1
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN103868582A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 萬舟;劉豪華;李懿洋;油錫存;陳主恩
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于光纖Bragg光柵的振弦式次聲波傳感器，屬于光測量器件技術領域。?

背景技術

近年以來，隨著學者們的深入研究以及科學技術的不斷發展，人們對于次聲波有了逐漸深入的認識和理解，并隨著計算機技術、電子技術和網絡技術的日益成熟，次聲波的應用越來越廣泛，目前主要應用在定位救援、次聲武器、自然災害預測預警和次聲醫療等領域。隨著次聲波的廣泛應用，用于檢測次聲波的次聲波傳感器就顯得越來越重要。?

目前使用最為廣泛的次聲波傳感器多為電容、電感式次聲波傳感器，但是現有次聲波傳感器還存在一些諸如靈敏度低、頻率范圍小、體積大、不便于安裝和對環境要求高等缺點，因此需要一種新型的次聲波傳感器能夠改善現存的不足。?

發明內容

本發明提供了一種基于光纖Bragg光柵的振弦式次聲波傳感器及其使用方法，以用于克服現有次聲波傳感器存在的靈敏度低、頻率范圍小、體積大、不便于安裝和對環境要求高等不足。?

本發明的基于光纖Bragg光柵的振弦式次聲波傳感器的結構包括：弦馬Ⅰ1、振弦2、導軌3、弦馬Ⅱ4和固定支架，振弦2懸空固定在固定支架上，固定支架安裝振弦2的下方有環形部分13和右側底板9，環形部分13為圓形的彈性膜片8，彈性膜片8的下表面粘貼有Bragg光柵7，右側底板9上安裝有與振弦2平行的導軌3，弦馬Ⅰ1固定安裝在彈性膜片8的圓心處，導軌3上安裝有可沿其移動的弦馬Ⅱ4，振弦2與弦馬Ⅰ1和弦馬Ⅱ4接觸。?

所述固定支架的振弦2通過夾弦裝置固定連接，（如圖1所示，固定支架的兩端有鋼板Ⅰ6和鋼板Ⅱ12，振弦2的兩端是分別通過鋼板Ⅰ6的夾弦裝置Ⅰ5、鋼板Ⅱ12的夾弦裝置Ⅱ11固定連接的），夾弦裝置為錐形栓夾弦裝置，由錐形栓17、防松螺母18、調整螺母19、支架20、有錐形空的圓栓套21組成，兩個用于夾持振弦2的半圓形的錐形栓17軸心置于有錐形空的圓栓套21中，圓栓套21置于支架20圓孔中，防松螺母18和調整螺母19固定于圓栓套21的兩端。?

所述導軌3上有刻度。?

所述導軌3包括渦輪軸14和蝸桿16，渦輪軸14一端的渦輪與蝸桿16咬合，渦輪軸14的軸體外部有螺紋，螺母15套在渦輪軸14的軸體上，弦馬Ⅱ4固定于螺母15上。?

所述蝸桿16的一端伸出導軌3的邊緣，并安裝蝸桿旋鈕10，便于轉動蝸桿16。?

所述弦馬Ⅰ1與弦馬Ⅱ4之間的弦長為振弦2的有效弦長。?

所述光纖Bragg光柵7中心波長的變化與光柵柵距的變化關系為：?，其中為光纖芯區有效折射率；為Bragg光柵周期。光纖Bragg光柵粘貼于彈性膜片圓心到1/2半徑處。?

所述彈性膜片8的半徑R與厚度h之間的關系為：；其中E為彈性膜片8的彈性模量，F為作用于彈性膜片8的外力、v為彈性膜片8的泊松比。?

所述振弦2為鋼弦。?

本發明的使用方法是：振弦2接收次聲波并產生振動，通過弦馬Ⅰ傳遞給彈性膜片8，彈性膜片8的振動可引起貼在彈性膜片8上的光纖Bragg光柵7響應，光纖Bragg光柵7接收振動產生形變導致光柵柵距變化，從而使光纖Bragg光柵中心波長移位，通過檢測光纖Bragg光柵中心波長的變化就可以檢測次聲波頻率的變化。?

所述弦馬Ⅰ1與弦馬Ⅱ4之間的弦長為振弦2的有效弦長，弦馬Ⅱ4可在一定范圍內移動，使振弦2的有效長度可調，從而使設計的傳感器量程可調（轉動蝸桿旋鈕10可使弦馬Ⅱ4在導軌3上移動從而改變振弦2的有效弦長，使該傳感器量程可調；若沒有蝸桿旋鈕10，則直接通過弦馬Ⅱ4在導軌3上移動從而改變振弦2的有效弦長，使該傳感器量程可調）。?

本發明的數學模型分析如下：?

本發明的振弦2的質量對傳感器的精度、靈敏度和穩定性起著至關重要的作用，對振弦2的設計如下：對于兩端固定的振弦2，其振動方程為：

????????????????????????????????????????????????????（1）

由于振弦2的兩端固定，在邊界處振弦2的位移為零，已知振弦2的長度為，振弦2的邊界條件可以寫為：

??????????????????????????????????????????????????????（2）

當振弦2自某一初始狀態y=y₀(x)作自由振動時，一般同時有許多振動頻率，這些頻率可由振動公式和邊界條件得到：?