[发明专利]高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器

说明书

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器，所述三维光纤矢量水听器包括泵浦光源、波分复用器、1×3分束器、X轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器、Y轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器、Z轴方向的平面悬臂梁式光纤传感器和光电检测系统。有益技术效果是：相比较圆柱型悬臂梁结构的光纤矢量水听器，平面悬臂梁受到的声场作用力更大，声压灵敏度更高；只对来自于与悬臂梁表面垂直方向的声场有最大响应，指向性更好；采用三个一维传感器，通过设置其悬臂梁平面的方向，可以实现三个方向上的声信号传感，即实现三维光纤矢量水听器，可以对来自三维空间任一方向上的声矢量信号进行传感。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器。

背景技术

矢量水听器是水声探测领域的重要传感器，可以空间共点同步拾取声场一点处的声压和质点振速矢量，利用获取的声压和质点振速可以在全空间对声源进行无模糊定向，且在有限的声纳孔径内，矢量水听器阵列能获得更好的空间增益，大大提高水声目标探测水平。光纤矢量水听器结合光纤传感技术与矢量水听器技术，利用外界环境对光纤传输光的调制效应探测水中信号，具有灵敏度高、不受电磁干扰、信号传输与传感一体化、易于复用等优点。

随着技术的进步，光纤矢量水听器的高灵敏度和小型化成为趋势。传统的芯轴型顺变柱体结构的加速度型光纤矢量水听器，具有较高的声压相位灵敏度，但是受限于其工作机理和元器件特性，发展小型化矢量水听器面临瓶颈。

光纤激光器的尺寸较小，腔长可短至1-2cm，其中心频率对于腔的变化高度敏感。光纤激光器的这种特性，可以实现高灵敏度的应力传感和声压传感，因而具有同时实现高灵敏度、小型化光纤传感器的潜力。将光纤激光器做成悬臂梁可以直接实现矢量声传感。将光纤激光器腔内的光栅刻蚀在偏离有源光纤中心轴的位置，则光纤激光器只对来自特定方向的声场信号有最大响应。或者不采用偏芯光纤，例如中国发明专利申请“基于双路DFB光纤激光器的圆柱型悬臂梁振动传感器”(公开日：20191224)采用双路普通光纤激光器平行粘结，构成悬臂梁。在来自位于双路光纤激光器中心轴所在平面且垂直于悬臂梁轴线的声场作用下，悬臂梁产生应变时，通过两DFB输出光的频率差可以得到应变大小，可以实现推挽式光纤传感，进一步提高灵敏度及指向性。

然而由于光纤尺寸微小，光纤激光器直接作为悬臂梁传感声信号时，受到的声场作用力仍然很小，因此声压灵敏度较低。光纤激光器悬臂梁式声传感器的声压灵敏度还需进一步提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器及三维矢量水听器。

本发明的技术方案是：

一种高灵敏度一维平面悬臂梁式光纤传感器，包括金属基座41、金属薄片42、光纤激光器43。所述金属基座41为立方体状，所述的金属薄片42一端刚性固定(例如焊接、铆接或通过螺栓固定)在金属基座41的上表面,另一端伸出金属基座41；所述的光纤激光器43为一根纤芯刻有光纤光栅的稀土掺杂光纤，光纤光栅所在的位置为光纤激光器的谐振腔；光纤激光器43被刚性固定(例如通过胶水粘接)在金属基座41的表面，其中光纤激光器43的谐振腔也伸出金属基座41；

进一步的，所述的金属基座41为金属铝、铜或钛等。

进一步的，所述的金属薄片42为金属铝片、金属铜片或钛合金片。

进一步的，所述金属薄片42的宽度为2mm-5mm，厚度小于等于100μm。

进一步的，所述的光纤激光器43为DBR光纤激光器或DFB光纤激光器。

进一步的，所述的光纤激光器43的增益光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或者铒铋共掺光纤。