CN204855016U - 一种光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头，呈流线型结构，包括头锥、光纤线轴、尾部壳体、尾翼、光纤和光纤传感器。测量探头前部为头锥，后部为尾部壳体，尾部壳体外设置尾翼，尾部壳体内设置光纤线轴，头锥内设置光栅传感器，光纤线轴上缠绕的光纤与光栅传感器连接，从尾部壳体后部伸出的光纤与船上激光发射接收装置连接。光栅传感器的感温光栅和感压光栅由光纤线轴引出的光纤经处理后制成。在感温光栅外部涂敷感温灵敏的材料，形成感温包覆层。感压光栅位于光栅传感器的最前部，使用感压壳体密封住感压光栅。该测量探头利用光栅反射光的波长对温度与光栅应变敏感的特性，在探头下降过程中快速完成温度与深度的测量。该测量探头结构简单、造价低廉、性能稳定、使用方便。

Description

一种光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头

技术领域

本实用新型涉及海洋水文剖面要素探测装置，特别是涉及一种可通过水面船只投放的海洋温度和深度剖面测量探头。

背景技术

海水温度剖面数据，即“温度—深度”关系数据是最基本的海洋环境要素之一，是反映海物理状况的基本量，海水温度剖面数据的快速获取可为海洋调查、海洋科学研究和海洋开发利用提供重要帮助。

船载投弃式温度剖面测量仪由一次性使用的测量探头和船上接收装置组成，测量探头与接收装置通过导线连接。测量探头从船上投放，在快速下降过程中，探头内的温度传感器感应和测量海水温度参数。深度数据通过探头下落速度和时间，代入深度计算公式得到。反映温度剖面的温度—深度数据由船上接收装置自动记录。

现有的投弃式温度剖面测量仪的测量探头直接测量温度数据，而深度数据是通过测量探头下落速度和时间，代入深度计算公式而得到。由于深度计算公式难以反应探头的实际下降速度，因此现有测量探头获取的“温度—深度”关系数据误差较大，难以精确反应实际的温度随深度的变化。

实用新型内容

针对现有投弃式测量探头无法直接测量深度的问题，本实用新型推出一种采用光纤光栅的新型投弃式海洋温度深度剖面测量探头，利用光纤光栅反射波与周围介质温度线性对应测量海水实时温度数据，利用光纤光栅拉伸形变后应变与反射波长的对应关系获得实时深度数据，在探头下降过程中完成温度与深度的采样测量，获取更准确的海水温度剖面数据。

光纤光栅是一种光学无源器件，通过紫外光曝光的方法在光纤芯内产生折射率沿纤芯轴向周期性变化的栅格结构，其谐振峰和谐振谷波长随温度、应力等物理量的变化而线性变化，因此可以进行非光学物理量的测量。具体测量原理如下：

光纤光栅与温度的变化关系如公式(1)所示。

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

式中，λ为光纤光栅反射光谱的中心波长，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，ΔT为周围环境温度变化。从公式(1)中可以看出，温度ΔT与光纤反射波长Δλ之间有线性关系，通过测量光纤光栅反射波长的移动，即可确定环境温度。

对于典型的石英光纤，光纤光栅反射中心波长λ与光栅应变ε之间存在如下关系：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=0.78\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

根据公式(2)，即可由光纤光栅反射波长的移动，确定光栅应变。当光栅应变是受海水压力影响而变化时，可由此获取海水深度数据。

本实用新型所涉及的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头，呈流线型结构，与船上装置连接，包括头锥、尾部壳体、尾翼、光纤线轴、光纤和光栅传感器。测量探头前部为头锥，后部为尾部壳体，头锥和尾部壳体连接一起。头锥中间有沿中轴线设置的孔隙，头锥内设置光栅传感器。尾部壳体外设置尾翼，4个尾翼在尾部壳体外对称设置。尾部壳体内部设置光纤线轴，光纤线轴上缠绕着光纤，光纤与光栅传感器连接。

所述的光纤缠绕在尾部壳体内的光纤线轴上，光纤的一端从尾部壳体后端引出，与船上装置的激光发射接收装置连接；光纤的另一端从光纤线轴上引出，进入头锥内，连接光栅传感器。

所述的光栅传感器包括感温光栅、感压光栅、感温包覆层、感压壳体和传感器支架，感温光栅和感压光栅置于从光纤线轴上引出的光纤的前端，感温光栅和感压光栅由光纤线轴引出的光纤经紫外光曝光而制成，感压光栅位于光栅传感器的最前端。感温光栅外部涂敷感温包覆层，感压光栅由感压壳体密封，感压光栅两端固定在感压壳体上下两端，传感器支架支撑感温包覆层和感温光栅。传感器支架固定在尾部壳体前端的传感器底座上，传感器支架下部与感压壳体粘接在一起。

传感器支架支撑感温包覆层和感温光栅，防止两者在受到海水冲击时发生折弯。传感器支架侧面开有通孔，使感温包覆层在探头工作时与海水保持接触。传感器支架下部与感压壳体粘接在一起，用于固定感压壳体。

感温包覆层由感温灵敏的材料构成，一方面保证光纤的密封性，另一方面也可使感温光栅较快的感受到外界温度变化。

本实用新型所涉及的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头使用时，将从尾部壳体后部伸出的光纤与船上的激光发射接收装置连接，并将测量探头从水面船只投放入水。测量探头入水后，受重力作用开始下降。下降过程中，海水从头锥中间的孔隙冲入探头内部。激光发射接收装置中发射的光线在感温光栅处产生反射和波长偏移，返回船载设备，从偏移的波长中换算出实时温度信息。同时，感压壳体在探头下降过程中受到海水压力作用产生轴向形变，在形变的同时引起感压壳体内部感压光栅的形变，产生应力变化。光纤传输的光线在感压光栅上产生受应变影响的反射光，通过解调该反射光即可换算得到实时深度数据。

本实用新型利用光纤光栅对应变和温度的敏感特性，以及具有的灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、本征绝缘、传输距离远、低成本等优势，采用光纤光栅完成海水温度与深度的实时采样测量，在探头下降过程中获取更准确的海水温度剖面数据，在投弃式海洋剖面快速测量中具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型涉及的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头结构示意图；

图2为图1中的光栅传感器结构示意图。

图中标记说明：

1、头锥2、光栅传感器

3、尾部壳体4、光纤线轴

5、光纤6、尾翼

7、水面船只8、激光发射接收装置

201、感压壳体202、感压光栅

203、感温光栅204、感温包覆层

205、传感器支架

具体实施方式

结合附图对本实用新型的技术方案做进一步说明，图1显示了本实用新型涉及的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头的基本结构。图2为光栅传感器结构示意图。

如图1所示，本实用新型所涉及的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头，呈流线型结构，从船上投放海中，包括头锥1、尾部壳体3、尾翼6、光纤线轴4、光纤5和光栅传感器2。测量探头前部为头锥1，后部为尾部壳体3，头锥1和尾部壳体3连接一起。尾部壳体3外设置4个对称的尾翼6，尾部壳体3内部设置光纤线轴4，头锥1内设置光栅传感器2。光纤线轴4上缠绕的光纤5一端与光栅传感器2连接，光纤5的另一端从尾部壳体3中穿出，并与水面船只7上放置的激光发射接收装置8连接。

如图2所示，本实用新型所涉及的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头的光栅传感器2包括感压壳体201、感压光栅202、感温光栅203、感温包覆层204和传感器支架205。感压光栅202和感温光栅203置于从光纤线轴4上引出的光纤5的前端，由光纤线轴4后部引出的光纤5经处理后而形成。感温光栅203外部涂敷感温灵敏的材料，形成感温包覆层204。感压光栅202位于光栅传感器2的最前端，感压壳体201密封住感压光栅202，由粘接剂将感压光栅202两端固定在感压壳体201上下两端。传感器支架205支撑起感温包覆层204和感温光栅203，防止两者在受到海水冲击时发生折弯，在传感器支架205侧面开有通孔，使感温包覆层204在探头工作时与海水保持接触。传感器支架205固定在尾部壳体3前端的传感器底座上，传感器支架205下部与感压壳体201粘接在一起，用于固定感压壳体201。传感器支架205上部与光纤线轴4底部粘接在一起。

本实用新型涉及的快速测量探头使用时，从尾部壳体3后部伸出的光纤5与激光发射与接收装置8连接，从水面船只7投放探头入水。探头入水后，受重力作用开始下降。下降过程中，海水从头锥1中间的孔隙冲入探头内部。

船载设备在探头入水后，激光发射与接收装置8开始向光纤5中发射激光。激光在感温光栅203处产生反射，反射光返回船载设备，从中解调出实时温度信息。同时，感压壳体201受到海水压力作用产生轴向形变，进而拉动感压光栅202产生轴向形变，从感压光栅202返回的反射光因感压光栅202的形变而发生波长变化，通过解算波长即可换算得到实时深度数据。

Claims (4)

1.一种光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头，呈流线型结构，与船上装置连接，其特征在于；包括头锥、尾部壳体、尾翼、光纤线轴、光纤和光栅传感器，测量探头前部为头锥，后部为尾部壳体，头锥和尾部壳体连接一起，尾部壳体外设置尾翼，尾部壳体内部设置光纤线轴，头锥内设置光栅传感器，光纤线轴上缠绕的光纤与光栅传感器连接。

2.根据权利要求1所述的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头，其特征在于；所述的光栅传感器包括感温光栅、感压光栅、感温包覆层、感压壳体和传感器支架，感温光栅和感压光栅置于从光纤线轴上引出的光纤的前端，感温光栅和感压光栅由光纤线轴引出的光纤经紫外光曝光而制成，感压光栅位于光栅传感器的最前端，感温光栅外部涂敷感温包覆层，感压光栅由感压壳体密封，感压光栅两端固定在感压壳体上下两端，传感器支架支撑感温包覆层和感温光栅。

3.根据权利要求2所述的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头，其特征在于，所述的传感器支架固定在尾部壳体前端的传感器底座上，传感器支架下部与感压壳体粘接在一起，传感器支架侧面开有通孔。

4.根据权利要求1所述的光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头，其特征在于：所述的尾翼为4个，在尾部壳体外对称设置。