[發明專利]一種光纖矢量聲磁復合傳感器

在審

• 申請號: 202010426924.3
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111426338A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 曹亮;馮丹平;趙晨;楊明明;高守勇;張帥;萬俊;伍宏亮;劉健
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍91388部隊
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01D21/02
• 代理公司: 湖南企企衛知識產權代理有限公司 43257
• 代理人: 任合明

1.一種光纖矢量聲磁復合傳感器，其特征在于光纖矢量聲磁復合傳感器由球形安裝外殼(5-1)、三維光纖矢量水聽器(5-2)和三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)組成；三維光纖矢量水聽器(5-2)和三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)兩者一體封裝于球形安裝外殼(5-1)內；

三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)由1個金屬立方塊(5-3-1)、6根圓柱體支柱(5-3-2)、6個磁致伸縮圓筒(5-3-3)、6個圓筒固定螺絲(5-3-4)、6個磁場邁克爾遜干涉儀(5-3-5)組成；6根圓柱體支柱(5-3-2)通過螺紋固定在金屬立方塊(5-3-1)的6個面上，6個磁致伸縮圓筒(5-3-3)分別同軸套在6根圓柱體支柱(5-3-2)外側，并分別通過圓筒固定螺絲(5-3-4)固定在6根圓柱體支柱(5-3-2)上；6個磁致伸縮圓筒(5-3-3)分別套在6根圓柱體支柱(5-3-2)后構成了三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)在笛卡爾坐標系的x+軸、x-軸、y+軸、y-軸、z+軸、z-軸,6個磁場邁克爾遜干涉儀(5-3-5)分別安裝在三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)的x+軸、x-軸、y+軸、y-軸、z+軸、z-軸上；

金屬立方塊(5-3-1)由無磁鋼材料制成，為立方體形狀，邊長為d1；金屬立方塊(5-3-1)的6個面的中心各挖有第一內螺孔(5-3-1-1)；

圓柱體支柱(5-3-2)由無磁鋼材料制成，6根圓柱體支柱(5-3-2)固定在金屬立方塊(5-3-1)的6個面上；6根圓柱體支柱(5-3-2)完全相同，均由2段直徑不同的圓柱即粗圓柱(5-3-2-1)和細圓柱(5-3-2-2)組成，圓柱體支柱(5-3-2)總長度為L1；粗圓柱(5-3-2-1)的一端固定在金屬立方塊(5-3-1)的一個面上，圓柱體支柱(5-3-2)的中軸線與金屬立方塊(5-3-1)的這個面垂直；粗圓柱(5-3-2-1)長度為L2，直徑＝d1；細圓柱(5-3-2-2)與粗圓柱(5-3-2-1)同軸相連，長度為L3，直徑為d3,d3d1；細圓柱(5-3-2-2)的遠離粗圓柱(5-3-2-1)的端面開有第二內螺孔(5-3-2-3)，6根圓柱體支柱(5-3-2)的細圓柱(5-3-2-2)外側同軸套有磁致伸縮圓筒(5-3-3)；

磁致伸縮圓筒(5-3-3)是由磁致伸縮材料制成的無蓋圓筒，長度＝L3，外徑＝d1，內徑＝d3；

圓筒固定螺絲(5-3-4)由圓柱體(5-3-4-1)、第二外螺絲(5-3-4-2)組成；圓柱體(5-3-4-1)高度為L4；圓柱體(5-3-4-1)一端連接第二外螺絲(5-3-4-2)，另一端開有一個第三內螺孔(5-3-4-3)；待磁致伸縮圓筒(5-3-3)套至圓柱體支柱(5-3-2)后，圓筒固定螺絲(5-3-4)的第二外螺絲(5-3-4-2)插到圓柱體支柱(5-3-2)的第二內螺孔(5-3-2-3)中，使得磁致伸縮圓筒(5-3-3)固定在圓柱體支柱(5-3-2)上，且圓筒固定螺絲(5-3-4)在軸向限制磁致伸縮圓筒(5-3-3)的形變；第三內螺孔(5-3-4-3)用于將聲磁傳感單元與球形安裝外殼(5-1)固定；

磁場邁克爾遜干涉儀(5-3-5)由第一3dB光纖耦合器(5-3-5-1)、磁場傳感臂光纖(5-3-5-2)、磁場參考臂光纖(5-3-5-3)組成；磁場傳感臂光纖(5-3-5-2)與磁場參考臂光纖(5-3-5-3)均為抗彎曲單模光纖，初始長度均為L0，兩者的一端均鍍有光學反射薄膜(5-3-5-2-1)，另一端分別用光纖熔接機與第一3dB光纖耦合器(5-3-5-1)的第一端口(5-3-5-1-2)和第二端口(5-3-5-1-3)熔接；每根磁場傳感臂光纖(5-3-5-2)纏繞于磁致伸縮圓筒(5-3-3)的外側面，且磁場傳感臂光纖(5-3-5-2)的兩端用膠水固定在磁致伸縮圓筒(5-3-3)的外側面；磁場參考臂光纖(5-3-5-3)纏繞于粗圓柱(5-3-2-1)的外側面，且磁場參考臂光纖(5-3-5-3)的兩端用膠水固定在粗圓柱(5-3-2-1)的外側面；6個磁場邁克爾遜干涉儀(5-3-5)的磁場傳感臂光纖(5-3-5-2)和磁場參考臂光纖(5-3-5-3)分別纏繞在三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)的x+軸、x-軸、y+軸、y-軸、z+軸、z-軸；

三維光纖矢量水聽器(5-2)由空心質量塊(5-2-1)、6個彈性支柱(5-2-2)和3個聲場邁克爾遜干涉儀(5-2-3)組成；6個彈性支柱(5-2-2)用膠水粘接在空心質量塊(5-2-1)的6個面上，彈性支柱(5-2-2)的軸線與空心質量塊(5-2-1)相連的面垂直；

空心質量塊(5-2-1)為無磁鋼材料制備的正方體模具，邊長為d6，空心質量塊(5-2-1)的6個頂面中心均有1個正方形通孔(5-2-1-4)，正方形通孔(5-2-1-4)的邊分別與空心質量塊(5-2-1)的頂面的邊平行，正方形通孔(5-2-1-4)邊長為d7；空心質量塊(5-2-1)的6個頂面均開有一個圓形凹槽(5-2-1-3)，圓形凹槽(5-2-1-3)外徑為d9，正方形通孔(5-2-1-4)處于圓形凹槽(5-2-1-3)的中心；

空心質量塊(5-2-1)由第一質量塊(5-2-1-1)和第二質量塊(5-2-1-2)組成，第一質量塊(5-2-1-1)與第二質量塊(5-2-1-2)關于xoz平面對稱，金屬立方塊(5-3-1)置于空心質量塊(5-2-1)的空心位置處；

第一質量塊(5-2-1-1)與AA剖面有四個第一正方形相交面(5-2-1-1-1)，分別為EE1E3E2、FF2F3F1、GG1G3G2、HH2H3H1，四個第一正方形相交面(5-2-1-1-1)邊長均為d8；E3F3G3H3四點圍成一個第一正方形通孔(5-2-1-1-2)，第一正方形通孔(5-2-1-1-2)邊長＝d7,深度為d12；四個第一正方形相交面(5-2-1-1-1)兩兩之間為第一長方形凹槽(5-2-1-1-3)，第一長方形凹槽(5-2-1-1-3)深度均為d10，長度＝d8，寬度＝d7；

第二質量塊(5-2-1-2)與AA剖面也有四個第二正方形相交面(5-2-1-2-1)，分別為E’E1’E3’E2’、F’F2’F3’F1’、G’G1’G3’G2’、H’H2’H3’H1’，四個第二正方形相交面(5-2-1-2-1)邊長均＝d8；E3’F3’G3’H3’四點圍成一個第二正方形通孔(5-2-1-2-2)，第二正方形通孔(5-2-1-2-2)邊長＝d7,深度＝d12；四個第二正方形相交面(5-2-1-2-1)兩兩之間為第二長方形凹槽(5-2-1-2-3)，第二長方形凹槽(5-2-1-2-3)深度均＝d10，長度＝d8，寬度＝d7；

三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)的y+軸方向上的圓柱體支柱(5-3-2)從第一質量塊(5-2-1-1)的AA向剖面處放進第一正方形通孔(5-2-1-1-2)內，x+軸、z+軸、x-軸、z-軸方向的4根圓柱體支柱(5-3-2)放入第一長方形凹槽(5-2-1-1-3)中；y-軸方向的圓柱體支柱(5-3-2)從第二質量塊(5-2-1-2)的AA向剖面處沿第二正方形通孔(5-2-1-2-2)穿出；第二質量塊(5-2-1-2)的四個第二正方形相交面(5-2-1-2-1)與第一質量塊(5-2-1-1)的四個正方形相交面(5-2-1-1-1)通過膠水粘接成空心質量塊(5-2-1)；

彈性支柱(5-2-2)由彈性圓筒(5-2-2-1)和金屬圓板(5-2-2-2)組成；彈性圓筒(5-2-2-1)由彈性體材料制成，長度為L5，彈性圓筒(5-2-2-1)靠近一端的筒壁上開有一個光纖通孔(5-2-2-1-1)；彈性圓筒(5-2-2-1)一端用膠水粘接金屬圓板(5-2-2-2)；金屬圓板(5-2-2-2)厚度為h5，金屬圓板(5-2-2-2)中心開有金屬圓板通孔(5-2-2-3)；

第一3dB光纖耦合器(5-3-5-1)的第一輸入端口光纖(5-3-5-1-1)和第一輸出端口光纖(5-3-5-1-4)從光纖通孔(5-2-2-1-1)穿出，將彈性支柱(5-2-2)從遠離金屬圓板(5-2-2-2)的一端同軸套于圓柱體支柱(5-3-2)的外側，金屬圓板通孔(5-2-2-3)通過膠水粘接在圓筒固定螺絲(5-3-4)上；

聲場邁克爾遜干涉儀(5-2-3)由第二3dB光纖耦合器(5-2-3-1)、2根聲場傳感臂光纖(5-2-3-2)組成；2根聲場傳感臂光纖(5-2-3-2)均為抗彎曲單模光纖，初始長度均為L6，其一端各鍍有光學反射薄膜(5-3-5-2-1)，另一端分別用光纖熔接機與第二3dB光纖耦合器(5-2-3-1)的第三端口(5-2-3-1-2)和第四端口(5-2-3-1-3)熔接；

3個聲場邁克爾遜干涉儀的6根聲場傳感臂光纖(5-2-3-2)分別纏繞于x+軸、x-軸、y+軸、y-軸、z+軸、z-軸方向共6根彈性支柱(5-2-2)外側面；

球形安裝外殼(5-1)為無磁鋼材料，內直徑為d11，d11滿足容納一體封裝后的三維光纖矢量水聽器(5-2)和三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)，容納殼體厚度為h6，h6滿足使光纖矢量聲磁復合傳感器在工作介質中為零浮力；球形安裝外殼(5-1)的中心點為笛卡爾坐標系的原點，球形安裝外殼(5-1)與笛卡爾坐標系三根坐標軸的6個交點處各開有第四內螺孔(5-1-1)；在球形安裝外殼(5-1)的z+點附近處開有一個殼體通孔(5-1-2)，殼體通孔(5-1-2)用于磁場邁克爾遜干涉儀的6個第一3dB光纖耦合器(5-3-5-1)的第一輸入端口光纖(5-3-5-1-1)和第一輸出端口光纖(5-3-5-1-4)和聲場邁克爾遜干涉儀的3個第二3dB光纖耦合器(5-2-3-1)的第二輸入端口光纖(5-2-3-1-1)和第二輸出端口光纖(5-2-3-1-4)從殼體通孔(5-1-2)穿出球形安裝外殼(5-1)；三維光纖矢量水聽器(5-2)和三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)置于球形安裝外殼(5-1)內，用螺絲連接第四內螺孔(5-1-1)和第三內螺孔(5-3-4-3)，將三維光纖矢量磁場傳感器(5-3)與球形安裝外殼(5-1)固定。