CN102183317A - 一种消耗性光纤温深探头 - Google Patents

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程浩
李东明
相冰
陈清浪
周苏萍
桑卫兵
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Abstract

本发明涉及一种消耗性光纤温深探头，包括探头筒、上光纤卷、下光纤卷、入水探头头部、和光纤，上光纤卷的上光纤卷芯轴与探头筒螺纹连接，下光纤卷通过下光纤卷芯轴与入水探头头部螺纹连接；在入水探头头部的内腔内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采用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内腔与上光纤卷的光纤相连，上光纤卷的光纤的另一端连接接收解调设备。本发明有益的效果是：双光纤卷随着船舰的运动自动放线，避免舰船运动时传输光纤受力过大，并保证入水探头在水中运行时的良好姿态，在短时间内进行大范围的海洋水文条件测量，有效地提高了测量速度。

Description

一种消耗性光纤温深探头
技术领域
本发明属于海军反潜战、海洋科考领域，主要是一种消耗性光纤温深探头。
背景技术
国际上生产消耗性温度分布测量仪简称XBT系统，英文全称：Expendable Bathythermograph 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公司子公司Sippican的产品，其T4、T7两型消耗性温深探头广泛应用于海军反潜战、国际海洋科考等领域。其生产的消耗性温深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。目前，国内军事、海洋科考领域广泛使用的消耗性海洋温度剖面仪均为进口产品。
光纤温深探头有着广泛的应用前景。军品可用于海军的反潜战，民品可用于海洋科考、海洋资源开发等领域。由于采用超细漆包线作为信号线的消耗性XBT探头成本居高不下，制约了国产消耗性XBT系统的实际应用。采用光纤作为敏感元件及信号传输线的光纤温深探头在提高测量精度的同时使生产成本大幅度下降，价格与国外产品相比有一定竞争力。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种消耗性光纤温深探头。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种消耗性光纤温深探头，包括探头筒、上光纤卷、上光纤卷芯轴、入水探头尾翼、光纤光栅温度传感器、下光纤卷、光纤光栅压力传感器、入水探头头部、下光纤卷芯轴、内腔、下端盖和光纤，上光纤卷的上光纤卷芯轴与探头筒螺纹连接，下光纤卷通过下光纤卷芯轴与入水探头头部螺纹连接；在入水探头头部的内腔内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采用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内腔与上光纤卷的光纤相连，上光纤卷的光纤的另一端连接接收解调设备。
本发明的所述的探头内集成了光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器，可以同时确定探头所处位置的温度和深度数据，从而有效减小测量误差。根据需要探头内可绕制数十米～数千米光纤，以满足不同深度、不同测试平台的投放需求。本发明的探头内还可安装除光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器之外的其它类型传感器，适用于测量声速、盐度等其它剖面的消耗性测量系统
为使高精度光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器可靠工作及测量信号通过光纤稳定传输至接收解调设备，光纤温深探头的设计需保证入水探头姿态稳定、匀速下降，同时光纤在下降过程中受力不大于其最大抗拉强度。
从入水探头离开探头筒到结束工作的整个过程中，入水探头的受力状况比较复杂。入水探头在水中下降的过程中，某时刻受到的外力有：重力G，浮力P，水阻力Q。其中影响阻力Q的参数为有水密度ρ、阻力系数Cx、速度V、截面积S；
Q＝Cx*ρ/2*S*V2                        (1)
为了保证入水探头在水中近似匀速下降，当其速度达到指定的理论速度V时，其所受合力
F＝G-P-Q＝0                            (2)
根据不同需求，光纤温深探头绕制的光纤长度不同，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，调整水探头头部配重材质，满足式2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。
为使入水探头在下降过程中基本保持垂直姿态下行，入水探头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，尾翼有利于探头水中姿态的稳定。
光纤温深探头采用双光纤卷进行数千米距离的信号传输，双光纤卷在探头下行过程中同步放线，光纤卷的设计成锥形双光纤卷结构和反向绕线工艺，这样可以克服放线过程中光纤受力和折弯半径过大的问题，从而减小了信号传递过程中的损失。同时由于采用双光纤卷结构，探头在投放过程中光纤几乎不受力，因而不易折断。
本发明有益的效果是：光纤XBT探头内部集成光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器，光纤传输光纤光栅传感器信号可以实现波分复用，因此可用一根光纤传送温度、压力两种检测信号，解决了采用热敏电阻的XBT探头同时检测温度、压力信号时需多芯传输线所带来的高成本问题。同时，这种温度和深度信息同时测量的技术，减小了通过估算探头下行的速度来获取深度信息造成的测量误差。消耗性光纤温深探头采用双光纤卷进行数百至数千米距离的信号传输。探头筒内的双光纤卷随着船舰的运动自动放线，双向放线技术避免舰船运动时传输光纤受力过大，并保证入水探头在水中运行时的良好姿态。光纤温深探头可以方便地在行驶中的舰船或飞行器上投放，因而可以在短时间内进行大范围的海洋水文条件测量，有效地提高了测量速度。
附图说明
图1为消耗性光纤温深探头剖面图。
图2为消耗性光纤温深探头的入水探头外形示意图。
附图标记说明：1.探头筒；2.上光纤卷；3.上光纤卷芯轴；4.入水探头尾翼；5.光纤光栅温度传感器；6.下光纤卷；7.光纤光栅压力传感器；8.入水探头头部；9.下光纤卷芯轴10.内腔；11.下端盖；12.光纤。
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：
如图所示，这种消耗性光纤温深探头，包括探头筒1、上光纤卷2、上光纤卷芯轴3、入水探头尾翼4、光纤光栅温度传感器5、下光纤卷6、光纤光栅压力传感器7、入水探头头部8、下光纤卷芯轴9、内腔10、下端盖11和光纤12，上光纤卷2的上光纤卷芯轴3与探头筒1螺纹连接，下光纤卷6通过下光纤卷芯轴9与入水探头头部8螺纹连接；在入水探头头部8的内腔10内固定有光纤光栅温度传感器5和光纤光栅压力传感器7，光纤光栅温度传感器5和光纤光栅压力传感器7采用光纤12串联到下光纤卷6的一端，下光纤卷6的光纤12另一端穿过入水探头的内腔10与上光纤卷2的光纤12相连，上光纤卷2的光纤12的另一端连接接收解调设备。所述的上光纤卷2和下光纤卷6采用锥形光纤卷，下光纤卷6和上光纤卷2的光纤12采用相反方向绕制。
本发明的工作原理是：打开探头筒1的下端盖11，入水探头携带光纤光栅温度传感器5和光纤光栅压力传感器7及下光纤卷6沿探头筒1内壁滑出，上光纤卷2与探头筒1滞留在舰船或飞行器上的投放装置内，光纤12仍与接收解调设备相连；入水探头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，当入水探头受力平衡时，将保持匀速下降。探头在下降的过程中，缠绕在上光纤卷2、下光纤卷6的光纤12同时放线。入水探头的内腔10的光纤光栅温度传感器5和光纤光栅压力传感器7的测量信号通过光纤12传递到舰船或飞行器上的接收解调设备，经波长解调及信号处理可以获得探头所处位置的深度和温度信息。
本发明采用光纤光栅温度传感器5和光纤光栅压力传感器7同时测量海水温度剖面，并通过下光纤卷6和上光纤卷2的一根光纤12将水下测量的光信号传输到外接设备。入水探头的内腔10可安装除光纤光栅温度传感器5和光纤光栅压力传感器7之外的其它类型传感器，以适应测量声速、盐度等其它剖面的消耗性测量系统。
入水探头头部8的材质的确定需根据整体外形尺寸计算浮力和水阻力后选定，目的是保证探头入水后近似匀速下降。探头材质可在不锈钢、铝合金、铸铁、铅等不同密度材质中选择。水滴形入水探头具有良好的流体动力特性，光滑的入水探头尾翼4有利于探头水中姿态的稳定。根据投放深度要求和作为投放平台的舰船或飞行器的行驶速度不同，下光纤卷6和上光纤卷2缠绕的光纤12总长度最大可达6000m以上，并可根据特殊使用环境要求设计缠绕更长光纤，同时需更改消耗性光纤温深探头的外形尺寸。锥形光纤卷便于光纤的释放，下光纤卷6和上光纤卷2的光纤12采用相反方向绕制，避免投放过程中光纤承受过大的扭力导致折断。
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 (2)

1.一种消耗性光纤温深探头，其特征是：包括探头筒(1)、上光纤卷(2)、上光纤卷芯轴(3)、入水探头尾翼(4)、光纤光栅温度传感器(5)、下光纤卷(6)、光纤光栅压力传感器(7)、入水探头头部(8)、下光纤卷芯轴(9)、内腔(10)、下端盖(11)和光纤(12)，上光纤卷(2)的上光纤卷芯轴(3)与探头筒(1)螺纹连接，下光纤卷(6)通过下光纤卷芯轴(9)与入水探头头部(8)螺纹连接；在入水探头头部(8)的内腔(10)内固定有光纤光栅温度传感器(5)和光纤光栅压力传感器(7)，光纤光栅温度传感器(5)和光纤光栅压力传感器(7)采用光纤(12)串联到下光纤卷(6)的一端，下光纤卷(6)的光纤(12)另一端穿过入水探头的内腔(10)与上光纤卷(2)的光纤(12)相连，上光纤卷(2)的光纤(12)的另一端连接接收解调设备。
2.根据权利要求1所述的消耗性光纤温深探头，其特征是：所述的上光纤卷(2)和下光纤卷(6)采用锥形光纤卷，下光纤卷(6)上采用与上光纤卷(2)上的光纤呈相反方向绕制的光纤。
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