CN101975627B - 光纤光栅海水温度深度检测系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅海水温度深度检测系统，包括由传输光缆连接的数据处理装置和水下光纤传感器链；数据处理装置包括与光源相连的光纤耦合器，以及与该光纤耦合器相连的波长检测模块，且该波长检测模块与数据处理模块连接；所述的光纤传感器链是两个以上结构相同的温度深度传感探头通过传输光缆及光纤连接器上下串联而成。光纤传感器链通常包括间距在2～10米范围内的4～8个温度深度传感探头。本发明结构简单、安全可靠、使用方便，易于扩展测量深度与层数，检测信号为光信号，避开了传统的电信号检测设备水密、耐压等技术难题，且测量信号稳定，效果明显。温度深度传感探头体积小、重量轻，通过连接器完成连接，运输、安装、调试、维护都很方便。

Description

光纤光栅海水温度深度检测系统

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感、海洋环境监测领域，尤其涉及一种光纤光栅海水温度深度检测系统。

背景技术

传统的海水温度、深度检测，特别是剖面检测系统，以船载投放式CTD剖面测量、抛弃式CTD及组合式温盐传感器链测量方式为主。船载投放式需要调查船开到指定地点，由船用绞车将CTD传感器匀速吊放水中，完成剖面测量，该方式需要调查船，成本很高，数据量有限，而且传感器水密是其难点；抛弃式CTD成本很高，风险较大；组合式温盐传感器链利用CTD传感器沿主电缆间隔设置并在底部配置数据记录仪，实现不同深度剖面检测及检测数据的记录，该方式主电缆与悬挂的多组CTD通过专用模具成型的分支水密电缆接口连接，成本较高，而且传感器检测信号都为电信号，这为水下耐压、水密处理造成了困难。更重要的是，由于海洋测量设备工作环境恶劣，水下光纤传感器链受损率很高，传统CTD检测设备成本几乎全在CTD传感器上，要想增加水下测量层数，就必须增加CTD传感器数量，系统成本会倍数增加，每台CTD传感器价格在数万左右，若遭损坏，损失惨重。

光纤光栅是光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰而形成的一种光纤无源器件，它能将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。反射光中心波长和应变、温度、压力物理量成线性关系，根据这些特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度等多种传感器。由于光纤光栅传感器具有体积小、不受电磁干扰、易组成传感器网等优点，已经在工农业、军事等多领域大量应用。

发明内容

本发明目的是提出一种光纤光栅海水温度深度检测系统，以弥补现有的利用船载投放式CTD剖面测量、抛弃式测量及组合式温盐链测量系统的不足。

一种光纤光栅海水温度深度检测系统，其特征在于该系统包括由传输光缆连接的位于水面上的数据处理装置和位于水下的光纤传感器链；所述的数据处理装置包括与光源相连的光纤耦合器，以及与该光纤耦合器相连的波长检测模块，且该波长检测模块与数据处理模块连接；所述的光纤传感器链是两个以上结构相同的温度深度传感探头通过传输光缆及光纤连接器上下串联而成，且最顶端的一个温度深度传感探头通过光纤连接器和传输光缆与数据处理装置中的光纤耦合器连接。

上述温度深度传感探头包括位于上、下端盖之间的底部连接有预压力调整管的导压柱体；该导压柱体设有纵向的通孔且侧面开有通向位于预压力调整管内的弹性压力管的导压孔；所述的预压力调整管内下部设有调整盖且位于呈桶状结构体的下端盖的内腔；并且传输光缆自上而下依次穿过上端盖、导压柱体、调整盖和下端盖，且在上述通孔内设有温度光纤光栅，在弹性压力管与调整盖之间设有深度光纤光栅。

为了使温度深度传感探头穿过传输光缆时仍保持良好的密封效果，上述上端盖、调整盖和下端盖穿过传输光缆的位置填充有用于密封的橡胶柱。

上述弹性压力管是下端封闭的管状结构体且固接在导压柱体下端面上。

上述调整盖可在预压力调整管内上下移动。

考虑到海洋环境监测时测量层数与不同深度剖面检测的实际需要，上述光纤传感器链通常包括4～8个温度深度传感探头，且各温度深度传感探头之间的距离在2～10米范围内。

上述温度深度传感探头内的温度光纤光栅是两端胶粘固定、中间弯曲且不受力的弧状结构。

上述温度深度传感探头内的温度光纤光栅和深度光纤光栅均为布喇格光纤光栅。

上述光纤耦合器和温度深度传感探头之间的传输光缆是铠装光缆。

上述温度深度传感探头之间的传输光缆是铠装光缆。

利用本发明进行海水温度深度检测的过程如下：由光源发出的宽带光经光纤耦合器进入传输光缆中，经该光缆传输到一系列封装有光纤光栅的温度深度传感探头中，光纤光栅会反射回特定波长的光信号，这些光信号包含传感器所处环境的压力、温度信息。反射回来的光信号经过传输光缆进入光纤耦合器的另一个通道臂，然后经波长检测模块解调出波长的变化量，并由内含相关软件的数据处理模块计算出压力、温度值。

由此可见，所有温度深度传感探头共用一套水上数据处理装置，如需增加水下测量层数，只需增加水下温度深度传感探头即可，它的成本很低，增加探头的数量对系统成本增加很小，而不像传统CTD检测系统，成本主要在CTD传感器，增加水下测量层数，就必须增加CTD传感器数量，成本会迅速倍数增加；数据处理装置是监测系统的核心，安装在水面上不会轻易遭到破坏，温度深度传感探头成本较低，即使破坏，损失也很小，这样有效地克服了传统CTD链剖面检测的缺陷。水面下的光纤传感器链为全光学器件，检测信号为光信号，避开了传统检测系统电信号造成的水密、耐压等技术难题；探头体积小、重量轻，连接方式是通过连接器完成，运输、安装、调试、维护都很方便。

本发明结构简单、安全可靠、使用方便，易于扩展测量深度与层数，且测量信号稳定，效果明显。本发明利用光纤光栅传感探头为全光学器件，易于组成传感器网络进行剖面检测的优点，实现了海洋垂直剖面海水的温度深度检测。光纤光栅传感探头水下工作安全可靠，检测信号为光信号，避开了传统的电信号检测设备水密、耐压等技术难题；本发明采用光纤光栅波分复用原理，便于扩展，如需测量层数只需增加传感探头数量；重要设备都在水上，便于保护和维护，水下传感探头成本低，即使遭破坏，损失也较小。

附图说明

图1是本发明的总体结构组成示意图。

图2是本发明的温度深度传感探头的结构示意图。

图3是本发明的温度深度传感探头的分解结构示意图。

其中，1.数据处理装置、2.光纤传感器链、3.波长检测模块、4.数据处理模块、5.光源、6.光纤耦合器、7.传输光缆、8.光纤连接器、9、温度深度传感探头、10.上端盖、11.橡胶柱、12.导压柱体、13.温度光纤光栅、14.导压孔、15.弹性压力管、16.预压力调整管、17.深度光纤光栅、18.调整盖、19.下端盖、20.通孔。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括由传输光缆7连接的位于水面上的数据处理装置1和位于水下的光纤传感器链2；所述的数据处理装置1包括与光源5相连的光纤耦合器6，以及与该光纤耦合器6相连的波长检测模块3，且该波长检测模块3与数据处理模块4连接；所述的光纤传感器链2是两个以上结构相同的温度深度传感探头9通过传输光缆7及光纤连接器8上下串联而成，且最顶端的一个温度深度传感探头9通过光纤连接器8和传输光缆7与数据处理装置1中的光纤耦合器6连接。

图2、3所示，上述温度深度传感探头9包括位于上、下端盖10、19之间的底部连接有预压力调整管16的导压柱体12；该导压柱体12设有纵向的通孔20且侧面开有通向位于预压力调整管16内的弹性压力管15的导压孔14；所述的预压力调整管16内下部设有调整盖18且位于呈桶状结构体的下端盖19的内腔；并且传输光缆7自上而下依次穿过上端盖10、导压柱体12、调整盖18和下端盖19，且在上述通孔20内设有温度光纤光栅13，在弹性压力管15与调整盖18之间设有深度光纤光栅17。

如图2、3所示，为了使温度深度传感探头9穿过传输光缆7时仍保持良好的密封效果，上述上端盖10、调整盖18和下端盖19穿过传输光缆7的位置填充有用于密封的橡胶柱11。

如图2、3所示，上述弹性压力管15是下端封闭的管状结构体且可以采用焊接等方式固接在导压柱体12下端面上。

如图2所示，上述调整盖18可在预压力调整管16内沿上下移动。

考虑到海洋环境监测时测量层数与不同深度剖面检测的实际需要，上述光纤传感器链2通常包括4～8个温度深度传感探头9，且各温度深度传感探头9之间的距离在2～10米范围内。

如图2、3所示，上述温度深度传感探头9内的温度光纤光栅13是两端胶粘固定、中间弯曲且不受力的弧状结构。

上述温度深度传感探头9内的温度光纤光栅13和深度光纤光栅17均为布喇格光纤光栅。

上述光纤耦合器6和温度深度传感探头9之间的传输光缆7，以及温度深度传感探头9之间的传输光缆均为是铠装光缆。

水面上的数据处理装置1是整个检测系统的主体，包括波长检测模块3、数据处理模块4、光源5和光纤耦合器6，系统的绝大部分成本集中于此。水面下的光纤传感器链2是一条测量链，其各个温度深度传感探头9体积小、重量轻、成本很低，因此增加测量层数，只需增加温度深度传感探头9的数量，对系统成本增加很小。

实施例1

数据处理装置1和光纤传感器链2的结构如图1所示，温度深度传感探头9的结构如图2、3所示。

数据处理装置1中的光源5可以采用基于掺铒光纤的光吸收再激发的光纤宽带光源，其谱宽范围为1520～1580nm，属宽谱光源，具有输出光谱稳定、受环境影响小、易于传感系统耦合等优点。

数据处理装置1中的波长检测模块3可以采用BaySpec公司的WaveCaptureTMFBGA波长检测模块，它具有超央速响应时间、无运动部件、低功耗、宽动态范围、低成本等优点。

数据处理装置1中的光纤耦合器6和水下温度深度传感探头9之间的传输光缆7，以及温度深度传感探头9之间的传输光缆7均采用直径为3.5mm，厚0.4mm的不锈钢铠装光缆，有抗压，抗拉，耐腐蚀等特点，能够在海水中长期使用，可有效地保护内中的光纤。

如图2、3所示，上述温度深度传感探头9内的传输光缆7，带有均为布喇格光纤光栅的温度光纤光栅13与深度光纤光栅17，分别进行温度敏感检测与压力敏感检测，进而可将压力换算为深度；温度深度传感探头9上下两端预留有连接光纤，便于与其他传感探头连接。

其中，温度光纤光栅13两端可通过环氧胶固定在导压柱体12的通孔20中，保持温度光纤光栅13中间处于自由弯曲状态，即呈不受力的弧状结构，只对温度敏感，它的上端经橡胶柱11密封固定在上端盖10中，且上端盖10外留出一段引出光纤以便于与其它温度深度传感探头9连接；导压柱体12侧面开有导压孔14通向焊接在导压柱体12下端面的弹性压力管15；深度光纤光栅17上端也可通过环氧胶固定在弹性压力管15上，下端经橡胶柱11固定在调整盖18上，通过调节调整该18在预压力调整管16中的位置(如通过螺纹进行上下位置调整)，给深度光纤光栅17加一预拉力，从而提高检测的灵敏度；深度光纤光栅17下端经调整该18而穿过下端盖19，并通过橡胶柱11固定，并外留出一段引出光纤便于与其它温度深度传感探头9连接。由于温度光纤光栅13的两端固定，中间自由不受力，所以其反射波长的变化量仅与外界温度量有关，故通过解调其光栅反射波长变化量，即可测量温度；深度光纤光栅17可固定在弹性压力管15的底端，它既对压力敏感，也对温度敏感，不过由于其与温度光纤光栅13处于同一环境中，故由温度引起的波长变化很容易被去除，进而检测出因压力变化而引起的光栅反射波长的变化量，并换算成深度。

光源5发出的宽谱光经传输光纤7通过光纤耦合器6后，经传输光纤7，自上而下依次进入由光纤连接器8和温度深度传感探头9串联组成的水下传感器链2中(其中光纤连接器8可采用现有设备)；包含各个传感探头周围环境的深度、温度信息的各个光纤光栅特定波长的反射光信号，由经过传输光纤7进入光纤耦合器6的另一个通道，而进入波长检测模块3，由波长检测模块3解调出来各个温度深度传感探头9中传感光纤光栅的波长的变化量，再经数据处理模块4由相关软件计算、解调出光纤传感器周围的压力、温度信息，并进行保存和传输(其中相关软件可采用本领域中常用的软件)。

光纤光栅温度深度检测系统对所有温度深度传感探头9中的光纤光栅由测量值的变化量引起的布喇格反射波长的变化量进行编码，一般单个光纤光栅的反射波长带宽约为0.3nm。因此，在所述宽谱光源的可用波长范围内，给温度深度传感探头9的每一个传感光栅分配一个独特的波长区间，利用宽谱光源照射此光纤传感器链2中的所有光纤光栅，使各个光栅的反射峰在各自的波长区间内变化，最后用波长检测模块3检测出所有光栅的复合光谱，根据预先划定的区间从中找出各个光栅的波长漂移值，从而实现多个布喇格光栅的复用。

Claims (9)

1.一种光纤光栅海水温度深度检测系统，包括由传输光缆(7)连接的位于水面上的数据处理装置(1)和位于水下的光纤传感器链(2)；其特征在于所述的数据处理装置(1)包括与光源(5)相连的光纤耦合器(6)，以及与该光纤耦合器(6)相连的波长检测模块(3)，且该波长检测模块(3)与数据处理模块(4)连接；所述的光纤传感器链(2)是两个以上结构相同的温度深度传感探头(9)通过传输光缆(7)及光纤连接器(8)上下串联而成，且最顶端的一个温度深度传感探头(9)通过光纤连接器(8)和传输光缆(7)与数据处理装置(1)中的光纤耦合器(6)连接；

上述温度深度传感探头(9)包括位于上、下端盖(10、19)之间的底部连接有预压力调整管(16)的导压柱体(12)；该导压柱体(12)设有纵向的通孔(20)且侧面开有通向位于预压力调整管(16)内的弹性压力管(15)的导压孔(14)；所述的预压力调整管(16)内下部设有调整盖(18)且位于呈桶状结构体的下端盖(19)的内腔；并且传输光缆(7)自上而下依次穿过上端盖(10)、导压柱体(12)、调整盖(18)和下端盖(19)，且在上述通孔(20)内设有温度光纤光栅(13)，在弹性压力管(15)与调整盖(18)之间设有深度光纤光栅(17)。

2.如权利要求1所述的光纤光栅海水温度深度检测系统，其特征在于上述上端盖(10)、调整盖(18)和下端盖(19)穿过传输光缆(7)的位置填充有用于密封的橡胶柱(11)。

3.如权利要求1所述的温度深度检测系统，其特征在于上述弹性压力管(15)是下端封闭的管状结构体且固接在导压柱体(12)下端面上。

4.如权利要求1所述的温度深度检测系统，其特征在于上述调整盖(18)在预压力调整管(16)内上下移动。

5.如权利要求1所述的温度深度检测系统，其特征在于上述光纤传感器链(2)包括4～8个温度深度传感探头(9)，且各温度深度传感探头(9)之间的距离在2～10米范围内。

6.如权利要求1所述的光纤光栅海水温度深度检测系统，其特征在于上述温度深度传感探头(9)内的温度光纤光栅(13)是两端胶粘固定、中间弯曲且不受力的弧状结构。

7.如权利要求1所述的温度深度检测系统，其特征在于上述温度深度传感探头(9)内的温度光纤光栅(13)和深度光纤光栅(17)均为布喇格光纤光栅。

8.如权利要求1所述的光纤光栅海水温度深度检测系统，其特征在于上述光纤耦合器(6)和温度深度传感探头(9)之间的传输光缆(7)是铠装光缆。

9.如权利要求1所述的光纤光栅海水温度深度检测系统，其特征在于上述温度深度传感探头(9)之间的传输光缆(7)是铠装光缆。

Images