CN201765352U - 一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆，它由双扣不锈钢软管及其内部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温度传感光纤和套装在其外部的不锈钢套管组成，所述压力传感子光缆由压力传感光纤和依次套装在其外部的弹簧管和不锈钢丝编织网组成，所述压力传感光纤表面涂覆有聚氨酯压力敏感材料层。本实用新型体积小，使用方便，可靠性和测量灵敏度高，并且能够给出海水剖面的连续温度场分布，特别适用于海水温度剖面的实时连续测量。
Description
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、公开日为1994年1月26日、名称为“海水温度测量传感器链”的专利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；只能测量固定的空间点位置温度和深度信息，不能实现空间真正意义上的连续分布式测量。
分布式光纤布里渊传感技术是一种新型的测量技术，具有只需一次测量即可获取沿整个光纤被测场的连续分布信息、测量精度高、定位准确、传感距离远等独特优点。采用分布式光纤布里渊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，使用方便，可靠性和测量灵敏度高，并且能够给出海水剖面的连续温度场分布的基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆。
本实用新型所称目的是以下述技术方案实现的：
一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆，由双扣不锈钢软管及其内部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温度传感光纤和套装在其外部的不锈钢套管组成，所述压力传感子光缆由压力传感光纤和依次套装在其外部的弹簧管和不锈钢丝编织网组成，所述压力传感光纤表面涂覆有聚氨酯压力敏感材料层。
上述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆，所述温度传感子光缆中的温度 传感光纤设置2～4条。
上述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆，所述压力传感子光缆设置两条。
上述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆，在温度传感光纤的外周涂覆导热油膏层。
本实用新型将先进的分布式光纤布里渊传感技术应用于海水温度剖面的实时监测，测量时将光缆垂直放入海水中，然后从光纤的一端发送光脉冲，由于光纤布里渊散射信号的频移是温度和应变(对应不同海水深度的静压力)的函数，测量光纤不同位置布里渊散射的频移，即可实现海水温度和压力分布的测量。使用本光缆测量海水温度可以很好地解决现有温度链存在的体积庞大、不能实现连续监测的问题，并且可以给出海水剖面的连续温度场分布。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下放到设计深度，易于布放；采用不锈钢套管具有良好的感温性能同时抗海水压力，使用时入水终端密封防水，使温度传感光纤不受应力影响，提高温度测量的精度；聚氨酯压力敏感材料具有较高的压力灵敏度，用于水深测量时可以改善空间分辨率，校正光缆因海流而倾斜对于测温结果的影响。弹簧管和不锈钢丝编织网用于增强光纤的机械强度；备用多条温度传感光纤和压力传感子光缆可以提高光缆的可靠性，延长光缆的使用寿命。光纤以外的其它部分均采用不锈钢金属结构，易于晾干，抗腐蚀。
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、空间点连续测量的完全分布式、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连续测量。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
图1是本实用新型的剖面图；
图2是布里渊温度和应变测量原理三维曲线图(图中显示了当温度阶梯变化时，沿150m 传感光纤的布里渊散射谱，表现出布里渊谱的中心频率(布里渊频移)随温度变化的偏移)。
图中各标号为：1、双扣不锈钢软管，2、温度传感光纤，3、不锈钢套管，4、不锈钢丝编织网，5、弹簧管，6、压力传感光纤，7、聚氨酯压力敏感材料层。
具体实施方式
本光缆适用于光纤布里渊原理的海水温度剖面测量系统，系统基于布里渊光时域反射(BOTDR)或布里渊光时域分析(BOTDA)测量原理：测量时将布里渊频移检测仪器安装在海洋浮标、船舶或海上石油平台，将传感光缆垂直放入海水中，从光纤的一端发送光脉冲，在光纤介质中产生布里渊散射光，温度和压力都会引起布里渊散射光的频移变化，图2为一种实施例(沿光纤长度的温度分布按5个区间呈阶梯形变化，相应于各区间的峰值光强处的布里渊频移各不相同)。海水的深度由海水的静水压测量值来体现，本实施例中由压力传感子光缆获得。海水的温度由温度传感子光缆获得。利用布里渊频移检测仪测量各子光缆沿光纤长度方向各散射点的频移数值。测量公式为：
vB1(T)＝vB1(Tr)[1+CvT1(T-Tr)] (1)
vB2(T，P)＝vB2(Tr，Pr)[1+CvP(P-Pr)+CvT2(T-Tr)] (2)；
其中，T、P分别代表温度、压力；Tr、Pr分别为参考温度、参考压力；vB1(T)和vB1(Tr)分别为温度子光缆在温度T和Tr时的对应布里渊频移；对于温度传感子光缆，由于采用不锈钢套管屏蔽了海水压力带来的应变，布里渊频移只和温度相关，CvT1为温度子光缆的温度传感系数；vB2(T，P)和vB2(Tr，Pr)分别为压力子光缆在温度T、压力P和参考温度、参考压力时的对应布里渊频移；CvT2、CvP分别为压力子光缆的温度和压力传感系数。通过对系统进行实验室定标来确定系数CvT1、CvT2、CvP。
具体标定过程如下：
(1)实验室温度标定：取传感光缆样品(本实施例中不少于15米)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℃。这里取参考温度为25℃。采用布里渊频移检测仪器测出对应各温度点T下温度传感光纤的布里渊频移vB1(T)，同一温度点下测量多次从而对标定数据(vB1(T)，T)的多次测量值进行平均以获得更好的重复性和精度，将各温度值T及其对应的布里渊频移vB1(T)平均值依据公式(1)进行线性拟合求解系数CvT1；由于常压下测量，公式(2)中P-Pr＝0，采用布里渊频移检测仪器测出对应各温度点T下压力传感光纤的布里渊频移vB2(T，Pr)，同一温度点下测量多次从而对标定数据(vB2(T，Pr)，T)的多次测量值进行平均以获得更好的重复性和精度，将各温度值T及其对应的布里渊频移vB2(T，Pr)平均值依据公式(2)进行线性拟合求解系数CvT2.
(2)实验室压力标定：取传感光缆样品(本实施例中不少于15米)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。由于常温下测量，公式(2)中T-Tr＝0，采用布里渊频移检测仪器测出对应各压力P点下压力传感光纤的布里渊频移vB2(Tr，P)，同一压力点下测量多次从而对标定数据(vB2(Tr，P)，P)的多次测量值进行平均以获得更好的重复性和精度，将各压力值P及其对应的布里渊频移vB2(Tr，P)平均值依据公式(2)进行线性拟合求解系数Cvp.
实际测量时，在t＝0时刻从传感光纤的一端发送光脉冲，从t＝0开始在光的发送端可以接收到一系列的反向散射脉冲回波。通过测定这些脉冲回波与输入光脉冲之间的时间间隔便可以确定光纤中相应的散射点位置，该位置反映散射点与入射光之间的光纤长度。采用布里渊频移检测仪器测出温度传感子光缆沿光纤长度分布的脉冲回波的布里渊频移vB1(T)，由实验室标定温度系数CvT1，依据公式(1)即可求解沿光纤长度的温度分布。对于压力传感子光缆，其布里渊频移包括两部分：温度变化引入的频移和静水压引入的频移。将温度传感子光缆测得的沿光缆长度的温度分布数值、采用布里渊频移检测仪器测出的压力传感子光缆 沿光纤长度分布的脉冲回波的布里渊频移vB2(T，P)、实验室标定系数CvT2和CvP代入公式(2)，求解沿光纤长度的静水压力分布，压力对应水深的关系：通常100米对应1MPa，进而获得沿光纤长度的海水深度信息。最终由以上测量值绘制出温度-深度曲线。
利用本实用新型光缆的姿态还可以给出沿海水深度方向的洋流分布情况，光纤长度和压力子光缆测定的海水深度之间的关系即反映光缆的姿态。
本实用新型的主要制作步骤包括：
1、温度传感光纤2涂覆导热油膏(在提高温度灵敏度的同时减少光纤磨损)，然后包覆不锈钢套管3，制成温度传感子光缆；
2、将压力传感光纤6涂覆聚氨酯压力敏感材料层7，然后外包弹簧管5和不锈钢丝编织网4，制成压力传感子光缆(两条)；
3、将三条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1，制成本实用新型光缆。注意：先将温度传感子光缆轻微绞绕，再将两条压力传感子光缆顺势缠绕，防备损坏聚氨酯压力敏感材料层7。
本实施例中光缆外径为10～12mm，抗拉能力最大可达3000牛顿，光缆长度可达350米。双扣不锈钢软管1由厚度为0.2～0.3mm的钢带制成。温度传感子光缆的不锈钢套管3外直径约3mm，厚0.2mm。压力传感子光缆涂覆的压力敏感材料要求低杨氏模量和较高泊松比(本实施例中分别为8*107Pa和0.4)。压力传感子光缆的灵敏度比裸纤提高了2～3个数量级。不锈钢丝编织网(4)采用直径0.2mm的不锈钢线材编织而成；抗侧压弹簧管(5)采用直径1mm的不锈钢丝密绕制成。
具体实施时，将温度传感子光缆中的温度传感光纤2沿轴线方向在光纤整个长度范围内按一定的间隔点和不锈钢套管3内壁粘接，保证粘接点之间的光纤处于自由松弛的状态。压力子光缆的各部件也选择间隔点粘接，由不锈钢丝编织网4承受子光缆的自重。
Claims (4)
1.一种基于光纤布里渊散射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(1)及其内部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温度传感光纤(2)和套装在其外部的不锈钢套管(3)组成，所述压力传感子光缆由压力传感光纤(6)和依次套装在其外部的弹簧管(5)和不锈钢丝编织网(4)组成，所述压力传感光纤(6)表面涂覆有聚氨酯压力敏感材料层(7)。
2.根据权利要求1所述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，所述温度传感子光缆中的温度传感光纤(2)设置2～4条。
3.根据权利要求2所述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，所述压力传感子光缆设置两条。
4.根据权利要求3所述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆，其特征是，在温度传感光纤(2)的外周涂覆导热油膏层。
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