引用本文:
李雪宾,张鑫,简家文. 带有温度补偿的高灵敏度光纤布喇格光栅水听器[J]. 光通信技术,2020,44(4):26-29.
李雪宾,张 鑫*,简家文
(宁波大学 信息科学与工程学院, 浙江 宁波315211)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:针对海洋环境中不同温度下声音检测的需求,研发了一种基于光纤布喇格光栅(FBG)的温度补偿型水听器。该水听器利用侧面拉伸式结构进行增敏,通过有限元分析方法对水听器结构进行优化,并在该结构中使用了补偿材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),利用其热膨胀效应对FBG进行调制,以降低温度对FBG产生的影响,实现温度补偿。仿真结果表明:该结构在10~2000 Hz范围内可实现较高增敏,同时水听器的灵敏度增益谱显示出共振特征,相比于远离共振频率处,灵敏度增益有进一步的提高,最高达到145 dB;在海洋温度变化范围内(-2 ℃~30 ℃)可实现波长偏移小于0.01006 nm的温度补偿。
关键词:布喇格光栅;温度补偿;有限元分析;声音探测
中图分类号:TN25 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2020)04-0026-04
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.04.006
0 引言
光纤布喇格光栅(FBG)水听器因具有抗电磁干扰能力强、体积小和易于波分复用等优点,近年来在水声探测领域获得了较快的发展[1,2]。但由于FBG本身较小的受力面积和较大的硬度而严重影响了它的灵敏度,与此同时它还容易受到温度干扰,产生严重的温度漂移,所以在对其进行增敏的同时需要提供有效的温度补偿,以保证水听器不受温度干扰。目前常用增敏方法有端面拉伸式[3-6]和侧面压迫式[7-9];温度补偿方法有测量过程补偿[10-12]和测量结果补偿[13-15]。谭波等 人[4]采用端面拉伸式增敏方法对光纤进行增敏罐封装,实现了一定增敏,但是该封装结构中的聚合物在温度变化时会产生较大形变,影响传感器性能。黄晟晔等人[11]考虑到温度对传感器的影响,提出利用金属弹片中心毛细管的膨胀或收缩改变作用在FBG上的应力,抵消因温度变化引起的波长偏移,在不影响水听器原有尺寸的同时可以起到温度补偿作用,但在文章中没有对温度补偿效果进行研究。王永洪等人[13]将温度补偿FBG结构与应变FBG结构串联,采用夹持式封装方式,根据温度FBG和应变FBG相对波长的变化确定被测结构的应变量,实现温度补偿,但是该方法使用了2根FBG,成本较高,不利于广泛使用。因此,本文设计一种具有温度补偿作用的新型高灵敏度FBG水听器,最大程度上降低温度对FBG的影响,实现温度补偿。
4 结束语
本文利用新型的带有温度补偿的侧面压迫式增敏结构对FBG进行封装,有效提升FBG探测水声的灵敏度,同时大大改善温度变化对水听器的影响。经仿真计算,在海洋温度变化范围(-2 ℃~30 ℃)内,FBG中心波长偏移量仅为0.01006 nm。对水听器几何参数进行分析可知:在一定范围内,水听器承压面宽度越大灵敏度越高,水听器承压面越薄灵敏度越高;水听器共振频率随水听器承压面厚度及弹簧板厚度的增加而增加,最终得到水听器在共振频率处的灵敏度增益最高为145 dB。根据这一规律来调节水听器的共振频率,可使其工作在不同频率处,应用于特定频率检测,如主动声呐的信号接收,同时为水听器阵列的研制提供了一种参考方法。