CN215262211U - 一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器及其系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器及其系统，其包括外壳，刻有光纤光栅的光纤单元，外壳为开口相对设置的两个耐压外壳，光纤单元两端分别穿过两个耐压外壳中心孔并固定连接至两个耐压外壳的端部，光纤单元的栅区处于两个耐压外壳的中间位置，两个耐压外壳内部空腔分别填充有弹性增敏单元，用于固定光纤单元栅区的两端。本实用新型体积小、耐腐蚀、寿命长、结构简单、灵敏度高、操作方便、性能稳定、绿色环保、抗电磁干扰能力强且易于在海洋中组建起大型的压力传感网络。

Description

一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器及其系统

技术领域

本实用新型涉及光电技术领域，尤其涉及一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器以及应用于该传感器的系统。

背景技术

压力是海洋环境监测中的重要参数之一，压力的测量对海洋学、海洋环境监测等有十分重要的意义。

长期以来，用于海洋压力监测的技术手段以电传感器为主。但其在海洋探测的过程中仍存在以下不足：(1)海底环境恶劣，一旦出现海水泄露，将直接导致仪器失灵；(2)在海洋中，电信号传输困难，易受噪声干扰；(3)制作与维护成本高，寿命短，难以组建大型的水下传感网络。

随着光纤技术的成熟和进步，光纤传感技术也得到了迅速发展。光纤传感器中，信号的传感与传输均以光为载体。相比于传统的电传感器，光纤传感器具有耐腐蚀、体积小、寿命长且抗电磁干扰能力强等优点。而光纤光栅传感器是众多光纤传感器中的一种，其栅区的纤芯折射率是沿轴向发生周期性变化的，属于光波长调制型光纤传感器，而且该传感器具备一个相当显著的优势：易于组建起大型的压力传感网络，只需要改变纤芯折射率的大小或折射率的周期，再配合宽带光源使用，即可实现准分布式的压力测量，非常适用于海洋深度定位、桥梁隧道测点压力监测等场景。但裸光纤光栅的灵敏度非常低且结构脆弱，易被破坏，因此，需要设计相关的结构且通过聚合物对其进行增敏和保护。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种体积小、耐腐蚀、寿命长、结构简单、灵敏度高、操作方便、性能稳定、绿色环保、抗电磁干扰能力强且易于在海洋中组建起大型的压力传感网络的用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器。

本实用新型的另一目的是提供一种体积小、耐腐蚀、寿命长、结构简单、灵敏度高、操作方便、性能稳定、绿色环保、抗电磁干扰能力强且易于在海洋中组建起大型的压力传感网络的用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感系统。

为了实现上述主要目的，本实用新型提供的一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器，其包括外壳，刻有光纤光栅的光纤单元，所述外壳为开口相对设置的两个耐压外壳，所述光纤单元两端分别穿过两个所述耐压外壳中心孔并固定连接至两个所述耐压外壳的端部，所述光纤单元的栅区处于两个所述耐压外壳的中间位置，两个所述耐压外壳内部空腔分别填充有弹性增敏单元，用于固定所述光纤单元栅区的两端。

进一步的方案中，第一个所述耐压外壳与第二个所述耐压外壳同轴设置，所述光纤单元两端与两个所述耐压外壳的轴线同心设置。

更进一步的方案中，所述光纤单元包括光纤纤芯、刻写在所述光纤纤芯表面的光纤光栅，以及设于所述光纤纤芯周围的光纤包层。

更进一步的方案中，在所述耐压外壳的端部设有加固接头，在所述光纤单元两端分别穿过两个所述耐压外壳中心孔并固定连接至两个所述耐压外壳的端部后，通过所述加固接头进行固定连接。

更进一步的方案中，所述耐压外壳开口为一中心圆孔，所述耐压外壳端部设有连接固定孔，所述光纤单元两端沿着两个所述耐压外壳的轴向方向分别穿过两个所述耐压外壳的中心圆孔，并固定连接至两个所述耐压外壳的连接固定孔。

更进一步的方案中，两个所述耐压外壳之间通过双头螺杆连接，并通过螺母进行固定。

更进一步的方案中，所述耐压外壳为法兰圆筒。

更进一步的方案中，所述弹性增敏单元为聚合物材料。

更进一步的方案中，两个所述耐压外壳之间留有间隙。

为了实现上述另一目的，本实用新型提供的一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感系统，包括：宽带光源、多个上述的用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器、光电转换装置、数据处理系统、压力显示模块，多个所述光纤光栅压力传感器的传感探头沿着同一光纤进行串联，形成成准分布式光纤压力传感链，所述宽带光源用于发射光源信号通过光纤单元两端的传输光纤进入所述光纤单元的光纤光栅处，所述光电转换装置用于接收所述光纤单元反射的信号，并将该信号发送至所述数据处理系统，通过所述数据处理系统进行信号处理后，输出至所述压力显示模块进行数据显示

由此可见，本实用新型的用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器主要包括耐压外壳、增敏填充物、刻有光纤光栅的光纤单元，海水从两个耐压外壳中间的开口进入到传感器中，在海水压力的作用下，左右两侧耐压外壳内部的增敏填充物将发生弹性变形，进而使刻有光纤光栅的光纤的栅区产生轴向形变，使得通入光纤光栅的光波长发生变化，再通过后续的光电转换装置、数据处理模块等即可得到所测点的海水压力大小。

此外，可将多个上述的传感探头沿着同一光纤进行串联，再配合宽带光源等的使用，即可组建成准分布式光纤压力传感链，在海洋中实现多点压力测量。

所以，本发明具有体积小、耐腐蚀、寿命长、结构简单、灵敏度高、操作方便、性能稳定、绿色环保、抗电磁干扰能力强且易于在海洋中组建起大型的压力传感网络等优良特性，是对现有传统电学海洋传感器件的重要补充，也是海洋传感领域的研究热点。

附图说明

图1是本实用新型一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器实施例的结构示意图。

图2是本实用新型一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器实施例的侧视图。

图3是本实用新型一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器实施例的剖视图。

图4是本实用新型一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器实施例中刻有光纤光栅的光纤单元的原理图。

图5是本实用新型一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感系统实施例的原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器实施例：

参见图1至图4，本实用新型的一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器，其包括外壳，刻有光纤光栅31的光纤单元3，外壳为开口相对设置的两个耐压外壳1，光纤单元3两端分别穿过两个耐压外壳1中心孔并固定连接至两个耐压外壳1的端部，光纤单元3的栅区处于两个耐压外壳1的中间位置，两个耐压外壳1内部空腔分别填充有弹性增敏单元2，用于固定光纤单元3的两端。

在本实施例中，光纤单元3包括光纤纤芯33、刻写在光纤纤芯33表面的光纤光栅31，以及设于光纤纤芯33周围的光纤包层32。其中，刻有光纤光栅31的光纤单元3上的栅区是利用紫外激光在光纤纤芯33上刻写形成的，当光源发出连续宽带的光通过传输光纤进入光栅处时，在中心波长处的窄带光会被反射回去，其他波长的光将继续透射过去。

此外，本实施例的光纤光栅31并不仅仅是裸光纤光栅，若有需要，可在该段光栅区域处涂敷上所需的增敏材料或者保护材料，以达到增敏和保护光纤光栅31的作用。

在本实施例中，第一个耐压外壳1与第二个耐压外壳1同轴设置，光纤单元3两端与两个耐压外壳1的轴线同心设置。

其中，耐压外壳1开口为一中心圆孔，耐压外壳1端部设有连接固定孔，光纤单元3两端沿着两个耐压外壳1的轴向方向分别穿过两个耐压外壳1的中心圆孔，并固定连接至两个耐压外壳1的连接固定孔。

其中，耐压外壳1为法兰圆筒。

可见，本实施例的耐压外壳1必须具有足够的刚度和耐腐蚀性能，以至于不因水压而发生形变及被腐蚀，在耐压外壳1底部设有一中心圆孔便于光纤穿过且其边上设有连接固定孔，以便于传感器的连接。此外，本实施例的耐压外壳1优先采用法兰圆筒的形状，其法兰上的连接固定孔的数量并无限制，可以是2个、3个或4个等，但优先采用3个。当然，附图所示的耐压外壳1形状并不局限于法兰圆筒形状，可根据具体的情况加工成其他的形状，譬如圆柱形状或者长方体形状等。

进一步的，光纤单元3穿过两个耐压外壳1的底部中心孔外侧处，为了防止光纤被破坏(拉断)，可采用相关的措施进行保护，譬如在耐压外壳1底部外端安装连接头或者在光纤与耐压外壳1连接处涂上防水胶等。

在本实施例中，在耐压外壳1的端部设有加固接头6，在光纤单元3两端分别穿过两个耐压外壳1中心孔并固定连接至两个耐压外壳1的端部后，通过加固接头6进行固定连接。可见，本实施例的加固接头6主要用于加固传感器两端耐压外壳1伸出的光纤，防止接口处的光纤被破坏。当然，本实施例不仅限于加固接头6，可以采用防水接头结构，也可采用固定胶水等。

在本实施例中，两个耐压外壳1之间通过双头螺杆4连接，并通过螺母5进行固定。其中，在两个耐压外壳1之间留有间隙。可见，本实施例的双头螺杆4及配套螺母5优先选用高强度高刚度的不锈钢的国家标准双头螺杆及螺母，用于连接并固定左右两侧的耐压外壳1。双头螺杆4中间的轴径要比耐压外壳1上的连接固定孔的直径大，以至于左右两侧内压外壳的中间留有一定宽度的间隙。

在本实施例中，弹性增敏单元2为聚合物材料。可见，本实施例的增敏填充物需具有一定的弹性和较高的粘性，即在外界压力作用下能够发生一定的形变，且带动光纤光栅31发生轴向形变，起到增敏和保护光纤光栅31的作用。作为优选，在本实施例中弹性增敏单元2优先采用聚合物材料。

具体的，本实施例的一种面向海洋的新型光纤光栅31压力传感器包括耐压外壳1，弹性增敏单元2，刻有光纤光栅31的光纤单元3，双头螺杆4、螺母5及加固接头6。其中，该传感器包含了两个耐压外壳1，该两个耐压外壳1的开口相对；刻有光纤光栅31的光纤单元3分别穿过两个耐压外壳1的底部中心孔，并与其同心，而刻有光纤光栅31的光纤单元3上的栅区处于左右两侧耐压外壳1的中间位置处；弹性增敏单元2分别填充到两侧耐压外壳1的体内，用于固定光纤光栅31栅区的两端；双头螺杆4以及螺母5用于连接固定两侧的耐压外壳1。

进一步的，该传感器的两个法兰圆筒开口相对并通过三个双头螺杆4以及配套螺母5连接固定。刻有光纤光栅31的光纤单元3沿着两个法兰圆筒的轴向方向分别穿过其底部中心圆孔并与其同心，而刻有光纤光栅31的光纤单元3上的栅区处于左右两侧法兰圆筒的中间位置处，增敏填充物分别填充到两侧法兰圆筒的内部，用于固定光纤光栅31的两端。

进一步的，本实施例的法兰圆筒优先采用高强度、高刚度、耐腐蚀且易加工的Q235钢进行加工制造，加工的内孔直径拟为15mm，深度拟为25mm，壁厚拟为3mm，法兰圆筒上的连接固定孔直径拟为3mm，厚度拟为3mm。在该法兰圆筒的底部中心处加工出一通孔，直径拟为1mm，以便于光纤穿过，其法兰上的连接固定孔的加工数量并无限制，可以是2个、3个或4个等，但优先采用3个。

进一步的，本实施例的弹性增敏单元2优先采用具有较高弹性的聚合物材料，一般为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种高分子有机硅化合物，具有生理惰性和良好的化学稳定性且无毒无臭。该聚合物材料在法兰圆筒中填充时要确保光纤不能弯曲且不能填满法兰圆筒，应与法兰圆筒开口端面处留有一定的高度，约为5-8mm。

进一步的，本实施例的刻有光纤光栅31的光纤单元3上的光纤光栅31拟采用光纤布拉格光栅，又名为光纤Bragg光栅。该光栅的特点是纤芯上的折射率是沿着轴向方向等周期分布的，当光源发出连续宽带的光通过传输光纤进入光栅处时，满足布拉格光栅波长条件的窄带光会被反射回去，其他波长的光将继续透射过去。该光纤布拉格光栅应被固定在左右两侧法兰圆筒的中间处，不能发生弯曲，而在栅区外部的两端光纤分别通过左右两侧法兰圆筒的底部中心孔并被两侧法兰圆筒内部填充的聚合物材料给固定住。可根据具体情况在光纤布拉格光栅区域内也涂敷上一定厚度的聚合物材料，以防止光栅被外部环境破坏。

进一步的，本实施例的双头螺杆4及配套螺母5优先选用高强度高刚度的不锈钢的国家标准双头螺杆4及螺母5。双头螺杆4中间的轴径应比两侧法兰圆筒上的连接固定孔直径稍大，直径拟为4mm，长度拟为10mm，两端的螺纹直径拟为M3，配套螺母5的孔径拟为M3。

进一步的，本实施例的加固接头6主要用于加固传感器两端耐压外壳1伸出的光纤，防止接口处的光纤被破坏，可以采用防水接头结构，也可采用固定胶水等。本实施例采用固定胶进行接口加固。

一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感系统实施例：

参见图5，本实用新型提供的一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感系统，其包括宽带光源20、多个上述的用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器、光电转换装置30、数据处理系统40、压力显示模块50，多个光纤光栅31压力传感器的传感探头沿着同一光纤进行串联，形成成准分布式光纤压力传感链10，宽带光源20用于发射光源信号通过光纤单元3两端的传输光纤进入光纤单元3的光纤光栅31处，光电转换装置30用于接收光纤单元3反射的信号，并将该信号发送至数据处理系统40，通过数据处理系统40进行信号处理后，输出至压力显示模块50进行数据显示。

由此可见，本实用新型的用于海洋环境的新型光纤光栅31压力传感器主要包括耐压外壳1、增敏填充物、刻有光纤光栅31的光纤单元3，海水从两个耐压外壳1中间的开口进入到传感器中，在海水压力的作用下，左右两侧耐压外壳1内部的增敏填充物将发生弹性变形，进而使刻有光纤光栅31的光纤的栅区产生轴向形变，使得通入光纤光栅31的光波长发生变化，再通过后续的光电转换装置30、数据处理模块等即可得到所测点的海水压力大小。

此外，可将多个上述的传感探头沿着同一光纤进行串联，再配合宽带光源等的使用，即可组建成准分布式光纤压力传感链，在海洋中实现多点压力测量。

所以，本发明具有体积小、耐腐蚀、寿命长、结构简单、灵敏度高、操作方便、性能稳定、绿色环保、抗电磁干扰能力强且易于在海洋中组建起大型的压力传感网络等优良特性，是对现有传统电学海洋传感器件的重要补充，也是海洋传感领域的研究热点。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于，包括：

外壳，刻有光纤光栅的光纤单元，所述外壳为开口相对设置的两个耐压外壳，所述光纤单元两端分别穿过两个所述耐压外壳中心孔并固定连接至两个所述耐压外壳的端部，所述光纤单元的栅区处于两个所述耐压外壳的中间位置，两个所述耐压外壳内部空腔分别填充有弹性增敏单元，用于固定所述光纤单元栅区的两端。

2.根据权利要求1所述的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于：

第一个所述耐压外壳与第二个所述耐压外壳同轴设置，所述光纤单元两端与两个所述耐压外壳的轴线同心设置。

3.根据权利要求1所述的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于：

所述光纤单元包括光纤纤芯、刻写在所述光纤纤芯表面的光纤光栅，以及设于所述光纤纤芯周围的光纤包层。

4.根据权利要求1所述的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于：

在所述耐压外壳的端部设有加固接头，在所述光纤单元两端分别穿过两个所述耐压外壳中心孔并固定连接至两个所述耐压外壳的端部后，通过所述加固接头进行固定连接。

5.根据权利要求2所述的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于：

所述耐压外壳开口为一中心圆孔，所述耐压外壳端部设有连接固定孔，所述光纤单元两端沿着两个所述耐压外壳的轴向方向分别穿过两个所述耐压外壳的中心圆孔，并固定连接至两个所述耐压外壳的连接固定孔。

6.根据权利要求1至5任一项所述的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于：

两个所述耐压外壳之间通过双头螺杆连接，并通过螺母进行固定。

7.根据权利要求5所述的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于：

所述耐压外壳为法兰圆筒。

8.根据权利要求1至5任一项所述的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于：

所述弹性增敏单元为聚合物材料。

9.根据权利要求6所述的新型光纤光栅压力传感器，其特征在于：

两个所述耐压外壳之间留有间隙。

10.一种用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感系统，其特征在于，包括：

宽带光源、多个如权利要求1至9任一项所述的用于海洋环境的新型光纤光栅压力传感器、光电转换装置、数据处理系统、压力显示模块，多个所述光纤光栅压力传感器的传感探头沿着同一传输光纤进行串联，形成成准分布式光纤压力传感链，所述宽带光源用于发射光源信号通过光纤单元两端的传输光纤进入所述光纤单元的光纤光栅处，所述光电转换装置用于接收所述光纤单元反射的信号，并将该信号发送至所述数据处理系统，通过所述数据处理系统进行信号处理后，输出至所述压力显示模块进行数据显示。

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