CN112697059B - 面向水下松软介质的光纤地形变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤地形变传感器，特别公开了一种面向水下松软介质的光纤地形变传感器。该传感器包括：第一耦合结构和第二耦合结构，埋于水下松软介质中，并与松软介质耦合；波纹管，两端分别与第一耦合结构和第二耦合结构连接；弹性连接结构，位于波纹管内部，且一端与第一耦合结构连接；光纤光栅，一端与弹性连接结构连接，另一端与第二耦合结构连接，其两自由端分别经通孔伸出第一耦合结构和第二耦合结构。本发明在较小的结构上实现水下松软介质的形变测量，具有体积小、结构简单的优势；可与松软介质有效耦合，测量精度高，不受光纤最大应变量的限制，增大了测量范围。

Description

面向水下松软介质的光纤地形变传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤地形变传感器，特别涉及一种面向水下松软介质的光纤地形变传感器。

背景技术

通过海底变形观测，监测海床稳定性，可以获得海底滑坡、填海造陆、天然气水合物及其他资源开发引发的海底变形数据，以便更好的分析海底滑坡等地质灾害的发生机制，为海洋工程的安全提供更有效的预警方法，对于预测地质灾害发生、保障海洋工程的稳定性具有重要意义。

海底变形观测需要事先在海床内埋设测量仪器，测难度较大，且花费较高。海底地质多以泥沙等松软介质为主，传感器耦合难度大。水下监测传感器面临防水、耐静水压等问题。

王川等公开了一种海底地形监测系统及方法，包括监测系统控制船、监测装置和水下机器人(ROV)；所述的监测系统控制船包括信号发射接收器、信号控制器和尺度索收放器；所述的监测装置包括信号收发器一、信号收发器二、压力计、倾斜计、数据存储器、蓄电池、履带式底座、信号传输应答器、吊环和重物。本发明能将对天然气水合物开采区域所在的海底地形进行监测，收集大量海底地形变化数据并传输到监测系统中进行分析，了解海底地形变化趋势，避免天然气水合物开采出现意外情况，保证开采作业顺利持续进行。电子传感器不防水、可靠性低，且不能实现长期在线监测，系统复杂且成本高。

彭真明等提出一种基于Cors基站的海底填土形变监测系统，包括水压计、水位计、静力水准仪、单点沉降计、测斜仪、Cors数据采集箱，所述水压计设置在海底边坡和海底之间，用于监测海底水压数据，所述水位计设置在海水中，用于采集海水水位数据，所述静力水准仪设置在建筑物顶部，用于海岸建筑物垂直位移和倾斜的监测，所述单点沉降计安装在海底填土中，用于采集海底填土沉降数据，所述测斜仪设置在海底填土底部，用于监测海底填土水平位移数据，所述Cors数据采集箱安装在建筑物顶部，用于接受、分析、处理、传输所采集的海底填土形变数据信息。电子传感器因存在需要供电、远距离传输信号衰减、不防水、不易复用等问题，布设难度大，系统复杂且成本高。

美国加州大学斯克里普斯海洋研究所利用光纤传感器观测海底构造应变，其观测类似于陆域地裂缝观测方法，将光纤平铺于海床表面，两端锚定，通过测量光纤拉伸长度反应该区域海床的横向变形量，测量精度可达毫米级，但由于光纤的抗拉伸程度有限，所以测量量程较小，且无法分布式测量局部形变。

段细云等设计了一种可长期用于水下恶劣环境的光纤光栅应变传感器，让光纤光栅应变传感器在一个密封防水结构内，能够在水下工作，但是对于海底等大多数水下环境，多以泥沙等松软介质为主，传感器不易耦合，且存在静水压环境，易对传感器测量结果产生干扰。

综上可见，现有技术仍然存在各种缺陷，需要研究一种体积小、结构简单、容易制造、易于布设、能适用于松软介质、可靠性高、低成本的光纤水下地形变传感器。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、体积小、可靠性高、测量精度高的面向水下松软介质的光纤地形变传感器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种面向水下松软介质的光纤地形变传感器，其特征在于，该传感器包括：

第一耦合结构和第二耦合结构，中轴线上均开设有通孔，埋于水下松软介质中，并与松软介质耦合，便于光纤穿过并保护内部光纤；

波纹管，两端分别与第一耦合结构和第二耦合结构连接，在两端拉力作用下发生形变；

弹性连接结构，位于波纹管内部，且一端与第一耦合结构连接，用于调整灵敏度；

光纤光栅，一端与弹性连接结构连接，另一端与第二耦合结构连接，其两自由端分别经通孔伸出第一耦合结构和第二耦合结构，用于感受应变。

本发明通过耦合结构与波纹管组合增敏，通过弹性连接结构实现灵敏度控制、静水压平衡和温度静压补偿等，采用光纤作为传感和传输介质，防水防腐蚀，可长距离传输，可靠性高。

本发明的更优技术方案为：

所述第一耦合结构和第二耦合结构上均设置有若干个平行的耦合片，可有效提高与松软介质的耦合强度。

进一步优选的，所述第一耦合结构和第二耦合结构的耦合片上均匀穿设有若干个支撑杆，支撑杆与耦合片为滑动连接，以提高传感器的抗弯曲能力，同时保证测量灵敏度。

所述第二耦合结构在接近第一耦合结构的一端中心设置有突起，突起的中轴线上开设有通孔，光纤光栅穿过突起的通孔，且与突起通过焊接或环氧胶粘接连接，实现隔离应变传递。

所述波纹管侧壁上开设有若干个静压微孔，实现内外的压力平衡。

所述弹性连接结构包括中间开设通孔的两金属管，两金属管之间连接有对称安装的弹性片；光纤光栅穿过两金属管，且与两金属管通过焊接或环氧胶粘接连接；在拉力作用下，弹性片能发生形变。

所述光纤光栅为光纤布拉格光栅、有源光纤光栅、光纤激光器或光纤法珀腔。

所述第二耦合结构的通孔内安装有补偿光纤光栅，补偿光纤光栅与光纤光栅串联，且补偿光纤光栅的一端通过环氧胶粘接或焊接的方式与突起连接，另一端与第二耦合结构的端部连接，用于补偿温度静水压变化的干扰。

所述第二耦合结构的侧壁上开设有若干个静压孔，实现内外的压力平衡。

本发明在较小的结构上实现水下松软介质的形变测量，具有体积小、结构简单的优势；可与松软介质有效耦合，测量精度高，不受光纤最大应变量的限制，增大了测量范围；通过补偿消除温度、静水压变化的影响，提高了环境适应性，提高了形变测量精度；容易串联构成多传感器网络，可实现分布测量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明弹性连接结构的结构示意图；

图3为本发明装配支撑杆的结构示意图。

图中，011第一耦合结构，0111耦合片，012第二耦合结构，0121静压孔，0122突起，020波纹管，0201静压微孔，030弹性连接结构，0301弹性片，0302金属管，040光纤光栅，050补偿光纤光栅，060支撑杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

图1为本发明提供的一种面向水下松软介质的光纤地形变传感器的结构图，其中，第一耦合结构011，耦合片0111，第二耦合结构012，静压孔0121，突起0122，波纹管020，静压微孔0201，弹性连接结构030，光纤光栅040，补偿光纤光栅050。

第一耦合结构011和第二耦合结构012均为金属圆柱结构，通过金属加工而成，在侧壁含有多个耦合片0111，可有效提高与松软介质的耦合强度；第一耦合结构011在中轴线上开有通孔，以便光纤穿过，并保护内部光纤；第二耦合结构012进一步在中轴线上加工有突起0122，且在凸起中轴线上开有通孔，以便光纤穿过并进行连接。

波纹管020为金属波纹管，一般为不锈钢材质，两端通过焊接或环氧胶粘接，分别与第一耦合结构011和第二耦合结构012连接，在受到两端拉力时产生变形。

弹性连接结构030，由弹性片0301和金属管0302通过焊接连接而成，在拉力作用下，弹性片0301能发生形变；弹性连接结构030一端与第一耦合结构011连接，连接方式为环氧胶粘接或焊接，用于调整灵敏度，调整灵敏度的方式为，通过改变弹性片0301的厚度或宽度，从而改变单位拉力作用下弹性片的形变量，进而改变灵敏度，如附图2所示。

光纤光栅040，一端与弹性连接结构030连接，连接方式为光纤光栅040穿过金属管0302，且与金属管0302通过焊接或环氧胶粘接连接，光纤光栅040的另一端与第二耦合结构012连接，连接方式为光纤光栅040穿过突起0122的通孔，且与突起0122通过焊接或环氧胶粘接连接，连接时，光纤光栅040保持具有一定的预紧力，一般为0.1N-0.5N。

当本发明提供的光纤地形变传感器布设在水下时，静水压的作用可能导致波纹管020发生较大形变，使光纤光栅040有较大波长变化，从而导致出现较大测量误差，对此，在波纹管020侧壁上进一步开有多个静压微孔0201，以实现波纹管020内外的压力平衡，从而保证在即便在较大静水压作用下，波纹管020也不会产生显著影响测量的形变。进一步的，参考图1，第二耦合结构012通孔中进一步安装有补偿光纤光栅050，补偿光栅050与光纤光栅040串联，且补偿光栅050的一端通过环氧胶粘接或焊接的方式，与第二耦合结构012的突起0122连接，另一端与第二耦合结构012的端部连接，用于补偿温度静水压变化的干扰。第二耦合结构012侧壁上进一步开有多个静压孔0121，以实现内外的压力平衡。

本发明提供的一种面向水下松软介质的光纤地形变传感器测量原理为：传感器埋入水下松软介质中，第一耦合结构011和第二耦合结构012与松软介质耦合；当介质发生形变式，通过第一耦合结构011和第二耦合结构012，将形变的力传递给波纹管020，波纹管发生形变，并导致两端分别与弹性连接结构030和第二耦合结构012连接的光纤光栅040中的预应力发生变化，从而光纤光栅040的波长发生变化，通过光纤光栅解调仪检测波长变化，并进行标定，可以获得介质的形变信息。

本发明提供的一种面向水下松软介质的光纤地形变传感器实现温度压力补偿的原理为：当本发明提供的光纤地形变传感器布设在水下时，流体通过静压微孔0201进入波纹管020的腔体内，通过静压孔0121进入第二耦合结构012的腔体内，分别与纤光栅040耦合、补偿光纤光栅050耦合，光纤光栅040和补偿光纤光栅050感受到的流体压力和温度相同，通过光纤光栅解调仪分别检测光纤光栅040和补偿光纤光栅050的波长变化，并相减，从而消除了温度压力导致的波长变化，实现温度压力补偿。

实施例2：

参见图3，在所述第一耦合结构011和第二耦合结构012的耦合片0111上，进一步穿有支撑杆060，其中支撑杆060为金属结构，通过焊接或螺纹连接形成框架，支撑杆060与第一耦合结构011和第二耦合结构012的耦合片0111皆为滑动连接，当受到横向力作用时，在支撑杆060的保护下，传感器不易发生形变，从而抗弯曲性能提高，当收到轴向力作用时，支撑杆060与传感器滑动，传感器容易发生形变，从而保证测量灵敏度，不影响测量精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发名，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向水下松软介质的光纤地形变传感器，其特征在于，该传感器包括：

第一耦合结构（011）和第二耦合结构（012），中轴线上均开设有通孔，埋于水下松软介质中，并与松软介质耦合，第一耦合结构（011）和第二耦合结构（012）上均设置有若干个平行的耦合片（0111）；

波纹管（020），两端分别与第一耦合结构（011）和第二耦合结构（012）连接；

弹性连接结构（030），位于波纹管（020）内部，且一端与第一耦合结构（011）连接，波纹管（020）侧壁上开设有若干个静压微孔（0201）；第二耦合结构（012）的侧壁上开设有若干个静压孔（0121）；第二耦合结构（012）的通孔内安装有补偿光纤光栅（050），补偿光纤光栅（050）与光纤光栅（040）串联，且补偿光纤光栅（050）的一端通过环氧胶粘接或焊接的方式与突起（0122）连接，另一端与第二耦合结构（012）的端部连接；

光纤光栅（040），一端与弹性连接结构（030）连接，另一端与第二耦合结构（012）连接，其两自由端分别经通孔伸出第一耦合结构（011）和第二耦合结构（012），弹性连接结构（030）包括中间开设通孔的两金属管（0302），两金属管（0302）之间连接有对称安装的弹性片（0301）；光纤光栅（040）穿过两金属管（0302），且与两金属管（0302）通过焊接或环氧胶粘接连接。

2.根据权利要求1所述的面向水下松软介质的光纤地形变传感器，其特征在于：所述第二耦合结构（012）在接近第一耦合结构（011）的一端中心设置有突起（0122），突起（0122）的中轴线上开设有通孔，光纤光栅（040）穿过突起（0122）的通孔，且与突起（0122）通过焊接或环氧胶粘接连接。

3.根据权利要求1所述的面向水下松软介质的光纤地形变传感器，其特征在于：所述光纤光栅（040）为光纤布拉格光栅、有源光纤光栅、光纤激光器或光纤法珀腔。

4.根据权利要求2所述的面向水下松软介质的光纤地形变传感器，其特征在于：所述第一耦合结构（011）和第二耦合结构（012）的耦合片（0111）上均匀穿设有若干个支撑杆（060），支撑杆（060）与耦合片（0111）为滑动连接。

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