CN102169026B - 一种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统，包括消耗性探头、发射器和解调记录单元，消耗性探头包括上光纤卷和入水探头，入水探头是由入水探头头部及尾翼构成的流线形外壳内组装下光纤卷、传感器组件构成；解调记录单元包括宽带光源、FP滤波器、光电转换模块、信号处理模块和电源模块；入水探头和解调记录单元之间采用光纤作为信号传输线，入水探头采用双光纤卷绕制光纤，下光纤卷和上光纤卷的光纤绕制方向相反。本发明有益的效果是：解决了消耗性探头成本居高不下的问题，采用光纤光栅传感器作为敏感元件，避免了估算探头深度带来的测量误差。探头采用双光纤卷绕制光纤，避免了探头下降过程中光纤扭力过大造成光纤折断等问题。

Description

一种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统

技术领域

本发明属于海军反潜技术、海洋科考领域，主要是一种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统。

背景技术

国际上生产消耗性温深剖面测量系统Expendable profiling system的主要有美国、日本、意大利等国的多家公司。有代表性的是美国的Lockheed Martin公司的子公司Sippican的产品，其T4、T7两型消耗性温度探头广泛应用于海军反潜战、国际海洋科考等领域。该公司研制消耗性温深剖面测量系统已有近五十年的历史，技术成熟。其生产的一次性温度探头采用热敏电阻作为测温器件，缺陷是探头所处深度是通过探头的下降时间估算的，而非精确测量的结果。其经验公式为：

H＝A*t+B*t²

式中H为探头所处深度，t为探头下降速度，A、B是与探头质量、放线阻力等因素相关的参数。

国内有与该公司产品相似的消耗性温深剖面测量产品研发成功，也采用热敏电阻作为敏感元件，漆包线作为信号线。由于估算探头深度的经验公式需积累大量测试数据进行修正，所以测量精度在短期内难以达到国外同类产品的水平。同时消耗性探头采用的超细漆包线成本居高不下，制约了该产品的实际应用。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种同时准确测量海水温度、深度参数的采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统，其消耗性探头可以在行驶中的舰船或飞行器上方便地大量投放，成本较低，具有实用价值。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统，包括消耗性探头、发射器和解调记录单元，所述消耗性探头包括上光纤卷和入水探头，入水探头是由入水探头头部及尾翼构成的流线形外壳内组装下光纤卷、传感器组件构成；解调记录单元包括宽带光源、FP滤波器、光电转换模块、信号处理模块和电源模块；入水探头和解调记录单元之间采用光纤作为信号传输线，可以通过一根光纤传输多路信号，并且传输距离可长达数十公里而信号损失较小。入水探头采用双光纤卷绕制光纤，下光纤卷和上光纤卷的光纤绕制方向相反，入水探头在水中下降时两个光纤卷同时放出光纤，避免入水探头下降过程中光纤受到的拉力、扭力过大造成光纤折断等问题。消耗性探头外形为一个圆柱体，上光纤卷的芯轴A与探头筒的螺纹连接，下光纤卷通过其芯轴B与入水探头头部螺纹连接；在入水探头的内腔固定有光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器，光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器由光纤串联到下光纤卷的一端，下光纤卷的光纤另一端穿过入水探头的尾翼的内腔与上光纤卷的光纤相连，上光纤卷的光纤另一端通过发射器连接到解调记录单元。

光纤光栅温度传感器中的光纤光栅封装于高温度膨胀系数的聚合物胶内，光纤光栅A外的包层上设置有散热薄叶片。对光纤光栅温度传感器进行增敏设计，将光纤光栅A封装于高温度膨胀系数的聚合物胶内，使光纤光栅温度传感器的测量精度提高到±0.1℃以上。对光纤光栅温度传感器进行提高响应速度设计，将光纤光栅A进行减薄包层处理，减小光纤光栅A本身的热容量；同时采用散热薄叶片的封装结构，增加光纤光栅温度传感器表面的体积和面积比，加快光纤光栅温度传感器与海水热交换速度，使响应速度不大于100ms。

对光纤光栅压力传感器进行增敏设计，对光纤光栅压力传感器中设置有向光纤光栅B施加一轴向拉力的采用高膨胀系数的弹性片，通过温度系数小的环氧胶对弹性片进行固定。采用高膨胀系数的不锈钢弹性片向光纤光栅B施加一轴向拉力，对弹性片采用温度系数小的环氧胶进行固定，提高光纤光栅压力传感器可靠性和稳定性。

本发明有益的效果是：

(1)采用光纤光栅传感器作为敏感元件，由于光信号可以实现波分复用，所以在消耗性探头内可以集成多路传感器，同时产生随温度、压力等应力变化的波长信号，经解调、计算得出温度、压力等参数的测量值，避免了估算探头深度带来的测量误差。

(2)采用光纤作为信号传输线，可以通过一根光纤传输多路信号，并且传感器和解调仪之间光纤距离可长达数十公里而信号几乎无损失。信号传输的成本降低，从而降低消耗性测量探头的成本。

(3)探头采用双光纤卷绕制光纤，避免了探头下降过程中光纤扭力过大造成光纤折断等问题，可以在驶中的舰船或飞行器上进行投放，从而可以快速地进行大范围的海洋温度剖面测量；入水探头的流体动力特性设计保证探头匀速下降，避免探头下降过快造成的测量误差。

附图说明

图1采用光纤光栅传感器的消耗性剖面测量系统的工作原理框图。

图2解调记录单元的工作原理框图。

图3消耗性探头结构图。

图4光纤光栅温度传感器结构示意图。

图5光纤光栅压力传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明提供的采用光纤光栅传感器的消耗性剖面测量系统，主要由消耗性探头1、发射器2、解调记录单元3三部分组成。其中消耗性探头1包括入水探头4、上光纤卷5两个主要部分，入水探头4内安装了传感器组件6和下光纤卷7；解调记录单元3包括光源模块8、FP滤波模块9、光电转换调模块10、信号处理模块11、电源模块12等主要的功能模块；发射器2是在行驶中的舰船或飞行器上发射消耗性探头1的机械装置。

(1)消耗性探头1外形为一个圆柱体，上光纤卷5的芯轴A14与探头筒15的螺纹连接，下光纤卷7通过其芯轴B16与入水探头头部17螺纹连接；在入水探头的内腔18固定有光纤光栅温度传感器19和光纤光栅压力传感器20，两光纤光栅传感器由光纤13串联到下光纤卷7的一端，下光纤卷7的光纤13另一端穿过入水探头尾翼21的内腔18与上光纤卷5的光纤13相连，上光纤卷5的光纤13另一端通过发射器2连接到解调记录单元3。

(2)为使高精度光纤光栅温度传感器19和光纤光栅压力传感器20可靠工作及测量信号通过光纤13稳定传输至解调记录单元3，消耗性探头1的设计需保证入水探头4姿态稳定、匀速下降，同时光纤13在下降过程中受力不大于其最大抗拉强度。为了保证入水探头在水中近似匀速下降，入水探头4在水中下降过程中受到的和力F及重力G，浮力P，水阻力Q应满足下式，

F＝G-P-Q＝0

根据不同需求，消耗性探头1绕制的光纤13长度不同，因而探头直径大小不同。确定探头外形尺寸后计算浮力P，水阻力Q，调整入水探头头部17的材质以满足上式要求。实际应用中由于使用环境不同需根据试验结果对探头外形及配重材料进行微调。

为使入水探头4在下降过程中基本保持垂直姿态下行，入水探头4的外形设计成类似水滴形，符合水动力学特性；其流线型外形有利于减小水阻力，尾翼21有利于探头水中姿态的稳定。

(3)解调记录单元3的信号处理模块11由硬件电路和解算处理软件组成。硬件电路是以DSP芯片为核心的高速信号处理电路，软件根据光信号波长变化计算出传感器对应的外界温度、压力通过计算得到深度等应力信息。解调记录单元配置以态网口和USB口，以便利用通用PC机对测量过进行控制。软件的人机接口模块可根据外部接口命令将测量数据实时传送到通用PC机的显示设备，以温深剖面曲线或数据文件形式供测量人员观察分析，还可根据外部接口命令对测量数据进行存储、对比、打印、导出等操作。

(4)传感器组件6包括以光纤布拉格光栅为核心传感元件的光纤光栅温度传感器19和光纤光栅压力传感器20。利用光纤光栅传感器可以实现波分复用的特性，在消耗性探头1内集成多路传感器形成传感器组件6，同时进行温度、压力等参数的测量。

光纤光栅是通过辐照手段使光纤内部产生永久性的折射率周期性变化的一种全光纤器件。对于光纤布拉格光栅(FBG)，反射波长随应变和温度变化而变化。反射波长相对变化量和应变与温度变化的关系式为：

Δλ_B/λ_B＝(1-p_e)ε+(α+ξ)ΔT

式中，λ_B为光纤光栅中心波长，Δλ_B为波长变化量，ε为轴向应变，p_e为有效弹光系数，α为光栅的热膨胀系数，ξ为光栅热光系数，ΔT为温度变化量。

为了使光纤光栅温度传感器19能满足消耗性剖面测量系统的应用需求，需要进行增敏设计和提高响应速度设计。增敏设计的方案是将光纤光栅A23封装于高温度膨胀系数的聚合物胶24内，温度的变化使得聚合物胶24膨胀，并带动光纤光栅A23的栅体进行拉伸，从而同步改变光纤光栅A23的应变和温度，共同产生同向反射波长变化，达到增敏目的。提高响应速度的方案包括两方面的工作。首先对光纤光栅A23进行减薄包层25处理，减小光纤光栅A23本身的热容量；同时采用散热薄叶片26的封装结构，增加传感器表面的体积和面积比，加快传感器与海水热交换速度。

光纤光栅压力传感器20采用不锈钢外壳27封装，光纤光栅B29用环氧胶28固定。当光纤光栅压力传感器20置于水中时，水压作用在弹性片30上使其发生形变，弹性片30向光纤光栅B29施加一轴向拉力，引起光纤光栅B29反射波长的漂移。对光纤光栅B29反射波长进行检测即可测量传感器受到的静压力。重点对光纤光栅压力传感器20的弹性片30及固定方式进行优化设计，提高传感器封装的可靠性和稳定性。

光纤光栅压力传感器20压力P与波长的对应关系满足以下公式：

P＝(η+K)(λ_B0+Δλ_B)

式中：η为光纤光栅的效弹光系数，K为传感器封装后的压力灵敏度。λ_B0为光纤光栅中心波长，Δλ_B为波长变化量。

为了更好地解决温度、压力交叉敏感问题，需温度、压力同时测量，在软件解调时可采用矩阵解算方法。

进行温深剖面测量时，将舰船或飞行器舱室内的解调记录单元3与通用PC机用电缆相连，发射器2通过光缆与解调记录单元3连接。打开解调记录软件界面，设置探头类型、经纬度、测量时间等相关参数，进入测量状态。将消耗性探头1安装在发射器2上，连接两段光纤13的连接器。

打开消耗性探头1的探头筒15的下端盖22，入水探头4携带光纤光栅温度传感器19和光纤光栅压力传感器20及下光纤卷7沿探头筒15内壁滑出，上光纤卷5与探头筒15滞留在舰船或飞行器上的发射器2内，光纤13仍与解调记录单元3相连；入水探头4在自身重力作用下产生一定的入水初速度，水后受到重力、浮力和水阻力的综合作用，当入水探头4受力平衡时，将保持匀速下降。入水探头4在下降的过程中，缠绕在上光纤卷5、下光纤卷7的光纤13同时放线。解调记录单元3的宽带光源8产生宽带光栅光谱信号，经发射器2、上光纤卷5、下光纤卷7的传输光纤13传输至入水探头4内的传感器组件6，由光纤光栅温度传感器19和光纤光栅压力传感器20受到温度、压力等应力影响发生波长改变的光信号，光信号又经下光纤卷7、上光纤卷2、发射器2的传输光纤13传回解调记录单元3的FP波器9，其具备较窄的光谱宽度，FP滤波器9在锯齿波调制31及PZT控制器32的作用下进行波长扫描。当FP滤波器9中心波长与光纤光栅的中心波长相吻合时可以输出最强的激光功率，因此通过光电探测器33和峰值搜索34可以得到触发35一个峰值电压输出。在温度和压力等物理量的作用下，传感器的布拉格光栅中心波长随之变化，作用于FP滤波器9的扫描电压也随之变化，通过对电压变化的检测可以解调出传感光栅的波长变化，再通过与FP滤波器9相配套的FP标准具36进行波长校准，可以得到精确的光纤光栅波长值，将检测到的波长值经过AD采样37送入波长解算及记录电路38，由软件按解算公式计算出光纤光栅温度传感器19和光纤光栅压力传感器20所处位置的温度及深度值。电源12模块为解调记录单元3内的各功能模块供电。测量结束时光纤13拉断，入水探头4沉入水下。更换消耗性探头1可开始下一次测量。

解调记录单元3的软件可接受外部接口命令，按指定方式实时显示温深曲线，也可以根据以前存储的数据显示温深曲线；可按外部接口命令指定的路径导出一定批次的测量数据、测量时间等相关信息；可以进行两组以上测量数据对比显示，计算测量误差；支持温深曲线、测量数据打印输出。软件采用模块化设计，可根据需求进行功能扩展。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统，包括消耗性探头（1）、发射器（2）和解调记录单元（3），其特征是：所述消耗性探头（1）包括上光纤卷（5）和入水探头（4），入水探头（4）是由入水探头头部（17）及尾翼（21）构成的流线形外壳内组装下光纤卷（7）、传感器组件（6）构成；解调记录单元（3）包括宽带光源（8）、FP滤波器（9）、光电转换模块（10）、信号处理模块（11）和电源模块（12）； 入水探头（4）和解调记录单元（3）之间采用光纤（13）作为信号传输线，入水探头（4）采用下光纤卷（7）绕制光纤（13），下光纤卷（7）和上光纤卷（5）的光纤（13）绕制方向相反；消耗性探头（1）外形为一个圆柱体，上光纤卷（5）的芯轴A（14）与探头筒（15）的螺纹连接，下光纤卷（7）通过其芯轴B（16）与入水探头头部（17）螺纹连接；在入水探头的内腔（18）固定有光纤光栅温度传感器（19）和光纤光栅压力传感器（20），光纤光栅温度传感器（19）和光纤光栅压力传感器（20）由光纤（13）串联到下光纤卷（7）的一端，下光纤卷（7）的光纤（13）另一端穿过入水探头的尾翼（21）的内腔（18）与上光纤卷（5）的光纤（13）相连，上光纤卷（5）的光纤（13）另一端通过发射器（2）连接到解调记录单元（3）。

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