CN113340457B - 一种基于fbg阵列的海水表层温度密集剖面传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，包括传感器模块和位于传感器模块外部的保护装置，传感器模块包括安装基板和设置于安装基板上的四条相同结构的FBG阵列；每条FBG阵列均包括增敏片和设置于增敏片上的光纤，光纤上通过飞秒激光技术刻写有多个不同反射波长的等间隔FBG，形成了FBG阵列，相邻两条FBG阵列采用错位排列；增敏片上沿纵向分布有一条光纤布置槽，光纤布置槽上均匀设置有多个点胶槽，相邻的两个点胶槽之间开设一个光栅布置孔，用于感应外界海水温度变化。本发明所公开的传感器结构简单，成本低、体积小，水下工作安全可靠，温度测量灵敏度高，为海水表层温度探测提供了一种全新的技术手段。

Description

一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器

技术领域

本发明涉及一种海水温度传感器，特别涉及一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器。

背景技术

准确获取海水表层（海气界面水边界层）温度数据对于气候变化、海洋环境、国防军事以及水产养殖等研究方面具有重要的科学意义。《海气界面水边界层温度剖面精细测量技术研究》论文中指出：国内外海洋领域学者普遍把海水0-0.5m深度范围定义为海气界面水边界层。

目前，海水温度监测主要有单点水温传感器、远红外以及卫星遥感技术等。而单点水温传感器体积大，在0-0.5m深度范围内能够获取的温度剖面数据有限；远红外以及卫星遥感技术只能获得海水表面的温度数据。

经检索发现，中国专利申请号：202011259168.6，专利名称：一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，提出了一种可针对海水表层0-0.5m的海水剖面温度进行高精度立体观测的传感器。中国专利申请号：202011576886.6，专利名称：一种走航式船用强磁表贴式海水表层温度测量装置及测量方法，提出了一种适用于安装在钢铁船舶船舷，进行走航式实时测量海水表层温度数据测量的装置。在非专利文献方面，范宇聪提出了一种海气界面水边界层温度剖面精细测量系统；但是上述方法都采用了电学温度传感器，一方面由于电学传感器本身尺寸的限制，无法在0-0.5m的空间布置更多的传感器，扩展性不高，导致在温度剖面上的测量分辨率低；另一方面电学传感器封装时需考虑密封防水等因素，使得传感器复杂、制造和维护成本都较高，应用场景受限。

光纤布拉格光栅（FBG）因其体积小、成本低、水下无源、易于成阵组网等特点，成为传感领域的研究热点，已经在工农业、军事等多个领域大量应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，采用光纤布拉格光栅（FBG）阵列，以达到结构简单，成本低、体积小，水下工作安全可靠，测量灵敏度和分辨率高，可实现海气界面全方位高精度立体监测的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，包括传感器模块和位于传感器模块外部的保护装置；所述传感器模块包括安装基板和设置于安装基板上的四条相同结构的FBG阵列，其中两条FBG阵列分布于安装基板纵向的左侧，另外两条FBG阵列分布于安装基板纵向的右侧；每条FBG阵列均包括安装于安装基板上的增敏片和设置于增敏片上的光纤，所述光纤上通过飞秒激光技术刻写有多个不同反射波长的等间隔FBG，形成了FBG阵列，且左侧及右侧的两条FBG阵列分别采用错位排列；所述增敏片上沿纵向分布有一条用于容纳光纤的光纤布置槽，所述光纤布置槽上均匀设置有多个点胶槽，相邻的两个点胶槽之间开设一个FBG布置孔，所述光纤上的FBG位于FBG布置孔内，且光纤通过点胶槽内的光纤粘结胶与增敏片进行封装，相邻的两个点胶槽之间的光纤上施加预拉力，所述增敏片两端开设与光纤布置槽交叉的应力释放条形孔。

上述方案中，每个所述FBG的栅区长度为1mm到20mm，相邻的FBG间隔为0.05mm到10mm；多个FBG的波长在1510nm-1590nm范围内。

上述方案中，分布于安装基板纵向左侧的为第一条FBG阵列和第三条FBG阵列，分布于安装基板纵向右侧的为第二条FBG阵列和第四条FBG阵列，所述第一条FBG阵列和第三条FBG阵列在安装基板纵向上错位5mm布置，所述第二条FBG阵列和第四条FBG阵列在安装基板纵向上错位5mm布置，所述第一条FBG阵列和第四条FBG阵列上的光栅构成一个深度测量序列，相邻的FBG之间间隔10mm，所述第二条FBG阵列和第三条FBG阵列上的FBG构成一个深度测量序列，相邻的FBG之间间隔10mm。

上述方案中，所述保护装置包括外壳、上盖及下盖，所述上盖顶部设置尾纤集成模块和外接板，所述尾纤集成模块上设置四个光纤跳线快速接头。

上述方案中，所述外壳为筒型网状结构，采用铍青铜材料，表面涂覆防生物附着层，所述外壳与上盖和下盖之间通过螺栓连接。

上述方案中，所述下盖中部开设圆孔，所述圆孔内设置过滤网。

上述方案中，所述安装基板两端分别设置一体成型的连接折板，所述连接折板与上盖和下盖通过螺栓连接。

上述方案中，所述光纤布置槽横截面为倒梯型截面，每个点胶槽与FBG布置孔之间的光纤布置槽内封装红胶，点胶槽与FBG布置孔之间的增敏片上设置硅胶垫，所述硅胶垫用光纤压板通过紧固螺钉紧固于增敏片上。

上述方案中，所述点胶槽为2mm×2mm的方形槽，为增敏片上的非贯通槽；所述FBG布置孔为贯通增敏片的圆形孔。

进一步的技术方案，所述光纤在增敏片中封装包括以下步骤：

（1）将光纤放置于增敏片上的光纤布置槽内，并使得光纤上的每个FBG处于相应FBG布置孔的中间位置；

（2）在增敏片上的左侧第一个点胶槽内点上光纤粘结胶，加热固化；

（3）待光纤粘结胶固化后，对右侧部分的光纤施加持续的0.1N拉力，再在下一个点胶槽内点上光纤粘结胶，待光纤粘结胶固化，这样就完成了第一个FBG的封装；

（4）后续FBG的封装重复步骤（3），直至完最后一个点胶槽处光纤粘结胶的固化；

（5）最后，在每个点胶槽与FBG布置孔之间的光纤布置槽内涂覆红胶，然后加热固化，并在点胶槽与FBG布置孔之间的增敏片上放置硅胶垫，利用光纤压板通过紧固螺钉紧固于增敏片上。

通过上述技术方案，本发明提供的一种基于FBG原理的海水表层温度阵列传感器具有如下有益效果：

1、本发明采用FBG温度传感器为光学无源器件，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等技术难题。

2、本发明中采用四条FBG阵列同时测量，每条光纤代表一个通道，每根光纤上的多个FBG的波长不同，因此，采用光纤光栅波分复用和多通道相结合的解调技术来测量各光纤光栅传感器的布拉格波长，进而测量不同波长对应的温度。本方法便于扩展深度与层数，并且结构简单、成本低、体积小、使用方便、可靠性和测量灵敏度高。

3、本发明中FBG温度传感器在海水深度（500mm）方向阵列式精密分布，单通道（1条光纤）上写制多个FBG，每个FBG间隔10mm，两个通道构成一个深度序列，两个深度序列纵向错位，大大提高空间分辨率；同时本发明对FBG进行了增敏封装，在封装过程中，施加一定的预拉力，可以提高光栅的灵敏度，从而实现海气界面的温度剖面的全方位高精度立体式监测。

4、本发明通过上盖顶部的外接板可以方便搭载于海上移动平台上，整体结构采用耐腐蚀材料，且外壳为铜网筒体结构并涂覆防生物附着材料，防止生物附着对于FBG的影响，保证了传感器在海洋环境中的应用。

5、本发明将四条FBG阵列模块化设计，分别封装在四条增敏片上，可以避免封装过程中的相互影响，有利于提高测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种基于FBG阵列的海水表层温度阵列传感器整体示意图（部分拆开）；

图2为本发明实施例所公开的上盖示意图；

图3为本发明实施例所公开的外壳示意图；

图4为本发明实施例所公开的下盖示意图；

图5为本发明实施例所公开的传感器模块示意图；

图6为本发明实施例所公开FBG阵列示意图；

图7为本发明实施例所公开FBG示意图；

图8为本发明实施例所公开的错位的两个增敏片示意图；

图9为本发明实施例所公开FBG阵列完全封装剖面图；

图10为本发明实施例所公开波分复用原理图。

图中，1、传感器模块；2、外壳；3、上盖；4、下盖；5、尾纤集成模块；6、外接板；7、光纤跳线快速接头；8、光纤光栅解调仪；9、过滤网；10、安装基板；11、第一条FBG阵列；12、第二条FBG阵列；13、第三条FBG阵列；14、第四条FBG阵列；15、连接折板；16、光纤；17、增敏片；18、安装孔；19、光纤布置槽；20、点胶槽；21、FBG布置孔；22、应力释放条形孔；23、FBG；24、硅胶垫；25、光纤压板；26、紧固螺钉；27、红胶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种基于FBG原理的海水表层温度密集剖面传感器，如图1所示，包括传感器模块1和位于传感器模块1外部的外壳2、上盖3和下盖4。

如图2所示，上盖3顶部设置尾纤集成模块5和外接板6，尾纤集成模块5把四条光纤集成，上面设置四个光纤跳线快速接头7，可与光纤光栅解调仪8快速对接。外接板6通过螺栓与海上移动平台快速搭接。

如图3所示，外壳2为筒型网状结构，采用铍青铜材料，表面涂覆防生物附着层，使得传感器与海水充分接触的基础上防止生物附着污染。外壳2与上盖3和下盖4之间通过螺栓连接，方便拆卸。

如图4所示，下盖4中部开设圆孔，圆孔内设置过滤网9，过滤网9采用多孔铜网，焊接于下盖4上，当整个传感器从海水中提出时，保证传感器内部不会积存海水。

如图5所示，传感器模块1包括安装基板10和设置于安装基板10上的四条相同结构的FBG阵列，本实施例中，第一条FBG阵列11和第三条FBG阵列13分布于安装基板10纵向左侧，第二条FBG阵列12和第四条FBG阵列14分布于安装基板10纵向右侧。安装基板10两端分别设置一体成型的连接折板15，连接折板15与上盖3和下盖4通过螺栓连接。

如图6和图7所示，每条FBG阵列均包括光纤16和增敏片17，增敏片17通过两端的安装孔18固定于安装基板10上。如图7所示，光纤16为单模光纤，直径250微米，其上包含飞秒激光技术写制的25个FBG 23，每个FBG 23的栅区长度为1mm，相邻的FBG 23之间间隔10mm；25个FBG 23的波长在1510nm-1590nm范围内，相邻的两个FBG 23波长相差3nm。FBG对温度的测量精度可在0.1℃以内。

如图8所示，增敏片17上沿纵向分布有一条用于容纳光纤16的光纤布置槽19，光纤布置槽19上均匀设置有多个点胶槽20，点胶槽20为2mm×2mm的方形槽，为增敏片17上的非贯通槽。相邻的两个点胶槽20之间开设一个FBG布置孔21，FBG布置孔21为贯通增敏片17的圆形孔。光纤16上的FBG 23位于光栅布置孔21内，且光纤16通过点胶槽20内的光纤粘结胶与增敏片17进行封装，相邻的两个点胶槽20之间的光纤16上施加预拉力，增敏片17两端开设与光纤布置槽19交叉的应力释放条形孔22。

第一条FBG阵列11和第三条FBG阵列13在安装基板10纵向上错位5mm布置，第二条FBG阵列12和第四条FBG阵列14在安装基板10纵向上错位5mm布置，第一条FBG阵列11和第四条FBG阵列14上的FBG 23构成一个深度测量序列，相邻的FBG 23之间间隔10mm，第二条FBG阵列12和第三条FBG阵列13上的FBG 23构成一个深度测量序列，相邻的FBG 23之间间隔10mm。这样由第一条FBG阵列11和第四条FBG阵列14构成的深度测量序列与由第二条FBG阵列12和第三条FBG阵列13构成的深度测量序列上的FBG 23之间的纵向间隔均为5mm，大大提高了空间分辨率。

如图9所示，光纤布置槽19的横截面为倒梯型截面，可以增大接触面积；每个点胶槽20与FBG布置孔21之间的光纤布置槽19内封装红胶27，点胶槽20与FBG布置孔21之间的增敏片17上方设置硅胶垫24，硅胶垫24用光纤压板25通过紧固螺钉26紧固于增敏片17上。

如图10所示的波分复用原理图，每条光纤16代表一个通道，每根光纤16上写制25个不同反射波长的FBG 23，四个通道采集的信号经过四个光纤跳线快速接头7，在光纤光栅解调仪8内进行信号解调。

光纤16在增敏片17中封装包括以下步骤：

（1）将光纤16放置于增敏片17上的光纤布置槽19内，并使得光纤16上的每个FBG23处于相应FBG布置孔21的中间位置；

（2）在增敏片17上的左侧第一个点胶槽20内点上光纤粘结胶，加热固化；

（3）待光纤粘结胶固化后，对右侧部分的光纤16施加持续的0.1N拉力，再在下一个点胶槽20内点上光纤粘结胶，待光纤粘结胶固化，这样就完成了第一个FBG23的封装；

（4）后续FBG 23的封装重复步骤（3），直至完最后一个点胶槽20处光纤粘结胶的固化；

（5）最后，每个点胶槽20与FBG布置孔21之间的光纤布置槽19内涂覆红胶27，然后加热固化，并在点胶槽20与FBG布置孔21之间的增敏片17上放置硅胶垫24，利用光纤压板25通过紧固螺钉26紧固于增敏片17上。

按照上述方法封装，可使得FBG的灵敏度从裸光栅时的10pm/℃提升至30pm/℃，大大提高了传感器的灵敏度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，包括传感器模块和位于传感器模块外部的保护装置；所述传感器模块包括安装基板和设置于安装基板上的四条相同结构的FBG阵列，其中两条FBG阵列分布于安装基板纵向的左侧，另外两条FBG阵列分布于安装基板纵向的右侧；每条FBG阵列均包括安装于安装基板上的增敏片和设置于增敏片上的光纤，所述光纤上通过飞秒激光技术刻写有多个不同反射波长的等间隔FBG，形成了FBG阵列，且左侧及右侧的两条FBG阵列分别采用错位排列；所述增敏片上沿纵向分布有一条用于容纳光纤的光纤布置槽，所述光纤布置槽上均匀设置有多个点胶槽，相邻的两个点胶槽之间开设一个FBG布置孔，所述光纤上的FBG位于FBG布置孔内，且光纤通过点胶槽内的光纤粘结胶与增敏片进行封装，相邻的两个点胶槽之间的光纤上施加预拉力，所述增敏片两端开设与光纤布置槽交叉的应力释放条形孔。

2.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，每个所述FBG的栅区长度为1mm到20mm，相邻的FBG间隔为0.05mm到10mm；多个FBG的波长在1510nm-1590nm范围内。

3.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，分布于安装基板纵向左侧的为第一条FBG阵列和第三条FBG阵列，分布于安装基板纵向右侧的为第二条FBG阵列和第四条FBG阵列，所述第一条FBG阵列和第三条FBG阵列在安装基板纵向上错位5mm布置，所述第二条FBG阵列和第四条FBG阵列在安装基板纵向上错位5mm布置，所述第一条FBG阵列和第四条FBG阵列上的光栅构成一个深度测量序列，相邻的FBG之间间隔10mm，所述第二条FBG阵列和第三条FBG阵列上的FBG构成一个深度测量序列，相邻的FBG之间间隔10mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，所述保护装置包括外壳、上盖及下盖，所述上盖顶部设置尾纤集成模块和外接板，所述尾纤集成模块上设置四个光纤跳线快速接头。

5.根据权利要求4所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，所述外壳为筒型网状结构，采用铍青铜材料，表面涂覆防生物附着层，所述外壳与上盖和下盖之间通过螺栓连接。

6.根据权利要求4所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，所述下盖中部开设圆孔，所述圆孔内设置过滤网。

7.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，所述安装基板两端分别设置一体成型的连接折板，所述连接折板与上盖和下盖通过螺栓连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，所述光纤布置槽横截面为倒梯型截面，每个点胶槽与FBG布置孔之间的光纤布置槽内封装红胶，点胶槽与FBG布置孔之间的增敏片上设置硅胶垫，所述硅胶垫用光纤压板通过紧固螺钉紧固于增敏片上。

9.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，所述点胶槽为2mm×2mm的方形槽，为增敏片上的非贯通槽；所述FBG布置孔为贯通增敏片的圆形孔。

10.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，所述光纤在增敏片中封装包括以下步骤：

（1）将光纤放置于增敏片上的光纤布置槽内，并使得光纤上的每个FBG处于相应FBG布置孔的中间位置；

（2）在增敏片上的左侧第一个点胶槽内点上光纤粘结胶，加热固化；

（3）待光纤粘结胶固化后，对右侧部分的光纤施加持续的0.1N拉力，再在下一个点胶槽内点上光纤粘结胶，待光纤粘结胶固化，这样就完成了第一个FBG的封装；

（4）后续FBG的封装重复步骤（3），直至完最后一个点胶槽处光纤粘结胶的固化；

（5）最后，在每个点胶槽与FBG布置孔之间的光纤布置槽内涂覆红胶，然后加热固化，并在点胶槽与FBG布置孔之间的增敏片上放置硅胶垫，利用光纤压板通过紧固螺钉紧固于增敏片上。

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