CN201765351U - 一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，它由双扣不锈钢软管及设于其内的温度传感子光缆和压力传感子光缆组成，所述温度传感子光缆由多条温度传感器串和套装在其外部的不锈钢防水套管组成，温度传感器串则由多个光纤光栅温度传感器首尾相连而成；所述压力传感子光缆由多条压力传感器串和套装在其外部的不锈钢丝编织网组成，压力传感器串则由光纤光栅压力传感器首尾相连而成；所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器沿光缆对应布置。本实用新型具有体积小、便于布放、空间分辨率高等优点，能够同时测量海水的温度和深度，从而给出海水温度剖面的分布情况。

Description

一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆 

技术领域

本实用新型涉及一种用于沿深度方向测量海水温度分布情况的光缆，属测量技术领域。 

背景技术

海水温度是海洋调查、监测中的重要内容，是海洋水文、气象观测及调查中不可或缺的技术参数。海水温度剖面的测量对研究海洋科学、海洋环境监测、季节气候预测以及海洋渔业等有十分重要的实用意义。所谓海水温度剖面测量是指沿深度方向测量海水温度分布情况，即给出水深和相应深度处的温度信息，长时间实时观测还要给出对应的观测时间。 

国内外用于海水温度剖面测量的主要设备是温盐深海洋观测仪(CTD)，仪器主要由温度、盐度和压力三种传感器配以电子测量线路构成。它将数据采集器、数据传输单元和电源等电子部件密封在高强度的压力容器内。CTD测温精确度可以达到0.001℃等级，它通过吊放在不同深度逐点巡测温度、盐度和深度，缺点是不能实现实时和长时间同步观测温度剖面的变化。 

中国专利CN2154470Y、“海水温度测量传感器链”(公告日1994.1.26)提出了一种多探头阵列型准分布式传感器链结构，其结构包括温度传感器、压力传感器、浮子、钢缆、吊挂钢柱、承重钢柱和屏蔽电缆线。其中，灌封式热敏电阻温度传感器镶嵌在浮子上，浮子以5cm至100cm间距配置在钢缆上，钢缆的两端分别用钢缆钢套和钢丝夹子锁定在吊挂钢柱和承重钢柱的钢杯内。压力传感器固定在测温链下端的承重钢柱的上部，一束33根各50m长的屏蔽电缆线由浮子的中心孔穿过，作为传输电缆。 

另外，挪威AANDERAA公司的SEAGUARD传感器链系统采用多探头阵列型准分布式传感器链结构，可以用来测量溶解氧、电导率、温度、电流、压力和潮汐等海洋环境参数，基本部件包括传感器链和记录仪。该系统可以采用自容式工作方式，每次投放后开始记录测量数据，经过一段时间的测量后，打捞出水面，提取记录仪中的存储数据进行分析处理。如果选配实 时采集和通信传输配件也可以实现实时测量。该系统可以设25个测量点，在每个测量点采用传感器链固定夹具固定传感器，每个夹具中可以固定2个传感器。传感器链总长可达300米，系统采用灌封式热敏电阻温度传感器。 

以上两种准分布式传感器链结构虽然克服了CTD只能逐点巡测而不能实时测量的缺点，但是温度链体积庞大，不方便使用绞车收放；整个系统的测量节点数量受供电容量限制，难以满足空间分辨率高(观测节点密集)和测量深度范围大的应用要求；需要考虑海水中的电绝缘和电信号传输过程中的抗干扰与屏蔽问题。 

基于光纤光栅原理的分布式光纤传感技术是一种新型的测量技术，具有体积小、电绝缘性能和抗电磁干扰性能优良等独特优点。采用基于光纤光栅原理的分布式光纤传感技术实现海水温度剖面测量需要使用特殊的光缆，这种光缆应该能满足耐受海水腐蚀、具有良好的抗拉和抗压性能、体积小、重量轻、易于布放等特殊要求；另外，由于海流的影响，光缆并不能保持理想的垂直姿态，其长度和实际的水深并不一致，所以要求海水温度剖面测量用光缆能同时感知温度和相应的水深信息。但现有光缆并不能满足以上应用需求。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种体积小、重量轻、易于布放、耐海水腐蚀、抗拉和抗压性能良好、不必考虑海水中的电绝缘和抗干扰问题、可以实时和长时间同步观测温度剖面动态变化的基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆。 

本实用新型所称问题是以下述技术方案实现的： 

一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，由双扣不锈钢软管及设于其内的温度传感子光缆和压力传感子光缆组成，所述温度传感子光缆由多条温度传感器串和套装在其外部的不锈钢防水套管组成，温度传感器串则由多个光纤光栅温度传感器首尾相连而成；所述压力传感子光缆由多条压力传感器串和套装在其外部的不锈钢丝编织网组成，压力传感器串则由光纤光栅压力传感器首尾相连而成；所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器沿光缆对应布置。 

上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，所述光纤光栅温度传感器由感温光纤光栅和套装在其外部的微金属套管组成，所述感温光纤光栅的两端通过塑包紧套传输光纤与其它光纤光栅温度传感器或测量仪器连接。 

上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，所述光纤光栅压力传感器由感压光纤光栅和套装在其外部的不锈钢套管组成，二者之间灌封聚氨酯压敏材料，所述感压光纤光栅的两端通过塑包紧套传输光纤与其它光纤光栅压力传感器或测量仪器连接。 

上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，所述压力传感器串设置2～10条，光纤光栅压力传感器的不锈钢套管通过套装在其外部的不锈钢外护套与不锈钢丝编织网连接，不锈钢套管与不锈钢外护套之间设置有传输光纤通道，同一条压力传感器串中各光纤光栅压力传感器的感压光纤光栅的布拉格波长各不相同。 

上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，在相邻两个光纤光栅压力传感器之间以及光纤光栅压力传感器与测量仪器之间的不锈钢丝编织网内设置有不锈钢抗侧压螺旋圈簧。 

上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，所述温度传感器串设置2～8条，同一条温度传感器串中各光纤光栅温度传感器的感温光纤光栅的布拉格波长各不相同。 

本实用新型采用分布式光纤光栅传感阵列来测量海水的温度和深度，具有体积小、便于布放、空间分辨率高(即观测节点多)等优点。根据布拉格波长与压力和温度的关系，只要测量温度传感子光缆和压力传感子光缆中各光纤光栅的反射光的布拉格波长，就可计算出各光纤光栅所在空间点的海水温度和深度。双扣不锈钢软管具有良好的抗拉和抗侧压性能，用于承重以便使光缆投放到设计深度；温度传感子光缆的不锈钢防水套管具有良好的感温性能同时可使光纤光栅温度传感器与海水隔离(使用时入水终端密封防水)，使之不受海水压力的影响，保证了温度测量的精度；聚氨酯压敏材料具有较高的压力灵敏度，可以提高水深测量的空间分辨率，校正光缆因海流而倾斜时对温度剖面测量结果所造成的影响；不锈钢丝编织网用于抗拉伸和扭曲；不锈钢外护套和抗侧压螺旋圈簧用来保护压力传感器串的传输光纤； 光缆中接触海水的部件均采用不锈钢材料，抗腐蚀性好。同一条传感器串中采用不同布拉格波长的光纤光栅，便于测量仪器辨别各光栅的反射光。 

本实用新型具有耐海水腐蚀、具有良好的抗拉和抗压性能、体积小、重量轻、易于布放、采用光信号传输不必考虑海水中的电绝缘和电信号传输过程中的抗干扰与屏蔽问题、可以实时和长时间同步观测温度剖面动态变化、可以同时测量温度和海水深度等优点，特别适用于海水温度剖面的实时测量。 

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。 

图1是本实用新型的横剖结构图； 

图2是本实用新型的纵剖结构图； 

图3是相邻传感器连接示意图； 

图4是光纤光栅传感器串布置图。 

图中各标号为：1、不锈钢防水套管；2、双扣不锈钢软管；3、金属焊接点；4、不锈钢丝编织网；5、不锈钢外护套；6、压力传感器串中的塑包紧套传输光纤；7、感压光纤光栅；8、聚氨酯压敏材料；9、不锈钢套管；10、微金属套管；11、胶粘剂；12、抗侧压螺旋圈簧；13、感温光纤光栅；14、温度传感器串中的塑包紧套传输光纤；15、微型光纤接头热缩管；16、光纤光栅压力传感器；T1、第一条温度传感器串；T2、第二条温度传感器串；T3、第三条温度传感器串；T4、第四条温度传感器串；P1～P6、第一～第六条压力传感器串。 

具体实施方式

参看图1、图2，本实用新型由双扣不锈钢软管2、温度传感子光缆和压力传感子光缆组成。温度传感子光缆由不锈钢防水套管1和温度传感器串组成。 

温度传感器串由多个光纤光栅温度传感器通过塑包紧套传输光纤首尾相连熔接而成；光纤光栅温度传感器由感温光纤光栅13和微金属套管10组成，在光纤光栅温度传感器两端用胶粘剂11将引出的塑包紧套传输光纤14和微金属套管10进行固定粘接(参看图2)。 

压力传感子光缆包括不锈钢丝编织网4、不锈钢外护套5和压力传感器串；压力传感器串由光纤光栅压力传感器16通过塑包紧套传输光纤6首尾相连熔接而成；光纤光栅压力传感器16包括感压光纤光栅7、聚氨酯压敏材料8、不锈钢套管9；压力传感器串的传输光纤6外面套装抗侧压螺旋圈簧12。光纤光栅压力传感器16的不锈钢套管9、不锈钢外护套5、不锈钢丝编织网4三者在金属焊接点3处被焊接在一起，抗侧压螺旋圈簧12和不锈钢丝编织网4间隔性的设置焊接点，这种焊接结构保证由不锈钢丝编织网4承受压力传感器串的重量，而传输光纤6只承受其自重。 

参看图3，两传感器之间的塑包紧套传输光纤的熔接点采用微型光纤接头热缩管15保护(图中只给出了相邻两个光纤光栅压力传感器16之间的连接方式，光纤光栅温度传感器之间的连接方式与此相同)。 

参看图4，光缆中的两种传感器(光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器)在整个待测海水深度范围内按一定的间距(即空间分辨率)分布，且一一对应。本实施例中，图4中测量范围为300米水深，按5米的空间分辨率考虑，共需要60个光纤光栅温度传感器和60个光纤光栅压力传感器。多个传感器构成传感器串，每条传感器串中传感器的个数由测量系统中的光源、解调单元的波谱范围和传感器的波长偏移范围等参数决定。图4中温度传感器串分为4条(T1～T4)，每条包括15个温度传感器；压力传感器串分为6条(P1～P6)，每条设置10个压力传感器。每条传感器串中传感光栅的布拉格波长变化范围应与测量系统中的光源、解调单元的波谱范围相匹配。 

本实施例中，光缆外径12～20mm，抗拉能力最大可达3000牛顿，光缆长度350米。双扣不锈钢软管2由厚度为0.2～0.3mm的钢带制成。温度传感子光缆的不锈钢防水套管1外直径约3mm，厚0.2mm；光纤光栅温度传感器的微金属管10，内径为1mm，厚0.2mm，长20mm，可以是不锈钢或其它导热性能好而硬度高的金属，用于保护感温光纤光栅并使其形态稳定。微金属管10和温度子光缆的不锈钢防水套管1之间可用导热硅胶粘接，用于增敏。压力传感子光缆的不锈钢外护套5内径8～10mm，厚0.2mm，长20mm；压力传感器的不锈钢套管9外 径6～8mm，厚0.2mm，长20mm；不锈钢丝编织网4采用直径0.2mm的不锈钢线材编织而成；抗侧压螺旋圈簧12采用直径1mm的不锈钢丝密绕制成。塑包紧套传输光纤6(或14)的直径为0.6～0.9mm；微型光纤接头保护热缩管15长23mm，外直径约1.5mm。压力传感子光缆的灵敏度比裸光纤光栅提高2～3个数量级。 

本实用新型光缆的盘缆弯曲半径最小可达50cm，便于光缆布放。 

具体实施时，温度传感器串中的塑包紧套传输光纤14沿光缆长度方向间隔粘结固定在不锈钢防水套管1内壁上；压力传感器串中的塑包紧套传输光纤6沿光纤长度方向间隔性和不锈钢丝编织网4、不锈钢抗侧压螺旋圈簧12用胶粘剂粘结固定在一起。各间隔性粘接固定点之间的传输光纤留有余长，其一为了保护传输光纤避免遭受过度长度的光纤自重带来的重力损坏；其二传输光纤保持松弛状态可以去除因光纤自重引入的光栅轴向干扰应变。 

本实用新型光缆中的传感元件是光纤布拉格光栅(FBG)。光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性制作而成的。紫外光照射形成的干涉条纹被光敏光栅记录下来，光纤的折射率随紫外光光强的空间分布发生相应变化，形成布拉格光栅。 

当海水的温度或压力引起光纤光栅结构参数改变时，会导致布拉格波长的变化，也就是说光纤光栅反射波中心波长的变化反映了海水温度的变化或压力变化。所以通过测定FBG布拉格波长即可解调出光纤光栅所在位置的压力和温度信息。进而依据海水的深度与对应的静水压P之间的线性比例关系计算出海水深度值。 

为了实现海水温度剖面的测量，测量时将光缆沿垂直深度方向放入海水中，光缆中沿深度放置的光纤温度和压力传感器用于测量所在位置的水深和水温信息。由于FBG的长度远远小于空间分辨率，所以每个FBG可以看成是一个测量点。通过测量所有测量点的海水温度或压力，就可以实现海水温度剖面测量，绘制出温度和深度关系曲线。 

利用本实用新型传感光缆实现海水温度剖面测量的具体步骤如下： 

a、对每个温度传感器进行实验室温度标定，获得温度传感器的布拉格波长λ_B1与温度T之间的关系式：T＝a₁₂λ_B1 ²+a₁₁λ_B1+a₁₀，其中，a₁₂，a₁₁，a₁₀为标定系数； 

b、对每个压力传感器进行实验室温度标定和压力标定： 

通过实验室温度标定，获得压力传感器在参考压力条件下只考虑温度影响的布拉格波长λ_BT与海水温度T之间的关系式：λ_BT＝a₂₂T²+a₂₁T+a₂₀，以及压力传感器在参考温度条件下只考虑压力影响的布拉格波长λ_BP与海水压力P之间的关系式：P＝a₂λ_BP ²+a₁λ_BP+a₀

其中，a₂₂，a₂₁，a₂₀，a₂，a₁，a₀为标定系数； 

c、将传感光缆沿海水深度方向布放于海水中； 

d、对传感光缆进行测量，得到光缆上每个温度传感器的布拉格波长值λ_B1以及同一位置上的压力传感器的布拉格波长值λ_B，然后按下述方法计算该位置海水的温度和深度： 

首先将测得的λ_B1代入式T＝a₁₂λ_B1 ²+a₁₁λ_B1+a₁₀中，计算传感器所在位置的海水温度T，继而将计算出的海水温度值T代入式λ_BT＝a₂₂T²+a₂₁T+a₂₀中，求得该温度下该压力传感器的对应布拉格波长值λ_BT，并由下式求解由于海水温度变化引起的该压力传感器布拉格波长的变化量Δλ_BT： 

Δλ_BT＝λ_BT-λ_BT0

其中λ_BT0为压力标定时与参考温度对应的压力传感器的布拉格波长值， 

再根据下式计算只考虑海水压力影响时对应的布拉格波长λ_BP： 

λ_BP＝λ_B-Δλ_BT

然后将λ_BP代入下式，求得海水的压力值P： 

P＝a₂λ_BP ²+a₁λ_BP+a₀

最后根据海水的压力值P求得传感器所在位置的海水深度H： 

其中，γ为海水的比重； 

e、根据每一对传感器所在位置的海水温度和海水深度，绘制海水温度剖面曲线。实用新型光缆的主要制作步骤包括： 

①筛选光纤(本实施例中约5米)，在光纤的中部采用相位掩模法刻写温度传感光栅， 如图1所示，将光栅进行微金属管封装，引出光纤进行紧包套塑并和微金属管粘接，构成光栅温度传感器。 

②如图3所示，将多个光栅温度传感器首尾相连熔接成一串构成光栅温度传感器串。熔接点采用微型光纤接头热缩管保护。 

③对温度传感器串中的每个光栅温度传感器进行温度标定。取光栅温度传感器放入温控装置进行常压(参考压力)下温度值定标，首先调节温控装置到35℃，然后以设定的温度间隔递减，直到-2℃。温度的标定间隔依据实际的测量要求来确定，本实施例中依据300米海水的温度梯度分布规律，设定系列标定温度值：35℃，25℃，15℃，5℃，-2℃。采用测量仪器测量各温度点对应的布拉格波长值λ_B1。对每个温度点进行多次测量，将多次测量获得的标定数据(布拉格波长值λ_B1、温度值T)进行平均以获得更好的重复性。对平均后的标定数据进行拟合，可以采用线性拟合(算法简单)，也可以采用多项式拟合算法(精确度更好)。本实施例中采用2阶多项式拟合算法得传感表达式为：T₁＝a₁₂λ_B1 ²+a₁₁λ_B1+a₁₀，存储标定系数a₁₂，a₁₁，a₁₀. 

④将多条温度传感器串构成阵列(图4中为4条)，并外包不锈钢套管，构成温度子光缆。不锈钢套管入水终端进行防水密封。 

⑤筛选光纤(本实施例中约5米)，在光纤的中部采用相位掩模法刻写压力传感光栅，将光栅两端的引出光纤进行紧包套塑，然后封装不锈钢套管，并灌封聚氨酯压力敏感材料，制成压力传感器。 

⑥将多个光栅压力传感器首尾相连熔接成一串构成压力传感器串。熔接点采用微型光纤接头热缩管保护。 

⑦对压力传感器串中的每个压力传感器进行温度标定和压力标定。 

实验室温度标定：取压力传感器放入温控装置进行常压(参考压力)下温度值定标，首先调节温控装置到35℃，然后以设定的温度间隔递减，直到-2℃。温度的标定间隔依据实际的测量要求来确定，本实施例中依据300米海水的温度梯度分布规律，设定系列标定温度值： 35℃，25℃，15℃，5℃，-2℃。采用测量仪器测量各温度点对应的布拉格波长值λ_BT。对每个温度点进行多次测量，将多次测量获得的标定数据(布拉格波长值λ_BT、温度值T)进行平均以获得更好的重复性。对平均后的标定数据进行拟合，可以采用线性拟合(算法简单)，也可以采用多项式拟合算法(精确度更好)。本实施例中采用2阶多项式拟合算法得传感表达式为：λ_BT＝a₂₂T²+a₂₁T+a₂₀，存储标定系数a₂₂，a₂₁，a₂₀. 

实验室压力标定：取压力传感器放入压力调节容器进行常温(参考温度)下压力值定标，首先调节压力值为0MPa，然后以设定的压力间隔递增，直到3MPa。标定间隔依据实际的测量要求来确定，本实施例中设定系列标定值：0MPa，0.5MPa，1MPa，1.5MPa，2MPa，2.5MPa，3MPa。采用测量仪器测量各压力点对应的布拉格波长值λ_BP。在每个压力点进行多次测量，将多次测量获得的标定数据(布拉格波长值λ_BP，压力值P)进行平均以获得更好的重复性。对平均后的标定数据进行拟合，可以采用线性拟合(算法简单)，也可以采用多项式拟合算法(精确度更好)。本实施例中采用2阶多项式拟合算法得传感表达式为：P＝a₂λ_BP ²+a₁λ_BP+a₀，存储标定系数a₂，a₁，a₀. 

⑧将步骤⑤～⑦制成的多个压力传感器串构成阵列(图4中为6串)，其它传感器串的传输光纤置于当前传感器串各传感器的不锈钢外护套和不锈钢套管之间。不锈钢套管9屏蔽了横向水压，使压力传感光栅只响应水压带来的轴向压缩形变。传输光纤束外套不锈钢抗侧压螺旋圈簧，然后外包不锈钢丝网，不锈钢丝网和不锈钢外护套、不锈钢抗侧压螺旋圈簧焊接，用于承受传感器阵列的重力。 

⑨将压力子光缆和温度子光缆绞绕成一体以便改善抗弯曲能力，然后外包双扣不锈钢软管制成本传感光缆。注意：先将温度传感子光缆轻微绞绕，再将压力传感子光缆顺势缠绕，防备损坏压力子光缆的不锈钢弹簧。 

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，它由双扣不锈钢软管(2)及设于其内的温度传感子光缆和压力传感子光缆组成，所述温度传感子光缆由多条温度传感器串和套装在其外部的不锈钢防水套管(1)组成，温度传感器串则由多个光纤光栅温度传感器首尾相连而成；所述压力传感子光缆由多条压力传感器串和套装在其外部的不锈钢丝编织网(4)组成，压力传感器串则由光纤光栅压力传感器首尾相连而成；所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器沿光缆对应布置。

2.根据权利要求1所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，所述光纤光栅温度传感器由感温光纤光栅(13)和套装在其外部的微金属套管(10)组成，所述感温光纤光栅(13)的两端通过塑包紧套传输光纤与其它光纤光栅温度传感器或测量仪器连接。

3.根据权利要求1或2所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，所述光纤光栅压力传感器由感压光纤光栅(7)和套装在其外部的不锈钢套管(9)组成，二者之间灌封聚氨酯压敏材料(8)，所述感压光纤光栅(7)的两端通过塑包紧套传输光纤与其它光纤光栅压力传感器或测量仪器连接。

4.根据权利要求3所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，所述压力传感器串设置2～10条，光纤光栅压力传感器的不锈钢套管(9)通过套装在其外部的不锈钢外护套(5)与不锈钢丝编织网(4)连接，不锈钢套管(9)与不锈钢外护套(5)之间设置有传输光纤通道，同一条压力传感器串中各光纤光栅压力传感器的感压光纤光栅(7)的布拉格波长各不相同。

5.根据权利要求4所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，在相邻两个光纤光栅压力传感器之间以及光纤光栅压力传感器与测量仪器之间的不锈钢丝编织网(4)内设置有不锈钢抗侧压螺旋圈簧(12)。

6.根据权利要求5所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，所述温度传感器串设置2～8条，同一条温度传感器串中各光纤光栅温度传感器的感温光纤光栅(13)的布拉格波长各不相同。

Images