光纖光柵海水溫度深度檢測系統的製作方法

2023-05-30 10:43:26 1

專利名稱：光纖光柵海水溫度深度檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖光柵傳感、海洋環境監測領域，尤其涉及一種光纖光柵海水溫度 深度檢測系統。
背景技術：
傳統的海水溫度、深度檢測，特別是剖面檢測系統，以船載投放式CTD剖面測量、 拋棄式CTD及組合式溫鹽傳感器鏈測量方式為主。船載投放式需要調查船開到指定地點， 由船用絞車將CTD傳感器勻速吊放水中，完成剖面測量，該方式需要調查船，成本很高，數 據量有限，而且傳感器水密是其難點；拋棄式CTD成本很高，風險較大；組合式溫鹽傳感器 鏈利用CTD傳感器沿主電纜間隔設置並在底部配置數據記錄儀，實現不同深度剖面檢測及 檢測數據的記錄，該方式主電纜與懸掛的多組CTD通過專用模具成型的分支水密電纜接口 連接，成本較高，而且傳感器檢測信號都為電信號，這為水下耐壓、水密處理造成了困難。更 重要的是，由於海洋測量設備工作環境惡劣，水下光纖傳感器鏈受損率很高，傳統CTD檢測 設備成本幾乎全在CTD傳感器上，要想增加水下測量層數，就必須增加CTD傳感器數量，系 統成本會倍數增加，每臺CTD傳感器價格在數萬左右，若遭損壞，損失慘重。光纖光柵是光纖纖芯折射率受到永久的周期性微擾而形成的一種光纖無源器件， 它能將入射光中某一特定波長的光部分或全部反射。反射光中心波長和應變、溫度、壓力物 理量成線性關係，根據這些特性，可將光纖光柵製作成應變、溫度、壓力、加速度等多種傳感 器。由於光纖光柵傳感器具有體積小、不受電磁幹擾、易組成傳感器網等優點，已經在工農 業、軍事等多領域大量應用。

發明內容
本發明目的是提出一種光纖光柵海水溫度深度檢測系統，以彌補現有的利用船載 投放式CTD剖面測量、拋棄式測量及組合式溫鹽鏈測量系統的不足。一種光纖光柵海水溫度深度檢測系統，其特徵在於該系統包括由傳輸光纜連接的 位於水面上的數據處理裝置和位於水下的光纖傳感器鏈；所述的數據處理裝置包括與光源 相連的光纖耦合器，以及與該光纖耦合器相連的波長檢測模塊，且該波長檢測模塊與數據 處理模塊連接；所述的光纖傳感器鏈是兩個以上結構相同的溫度深度傳感探頭通過傳輸光 纜及光纖連接器上下串聯而成，且最頂端的一個溫度深度傳感探頭通過光纖連接器和傳輸 光纜與數據處理裝置中的光纖耦合器連接。上述溫度深度傳感探頭包括位於上、下端蓋之間的底部連接有預壓力調整管的導 壓柱體；該導壓柱體設有縱向的通孔且側面開有通向位於預壓力調整管內的彈性壓力管的 導壓孔；所述的預壓力調整管內下部設有調整蓋且位於呈桶狀結構體的下端蓋的內腔；並 且傳輸光纜自上而下依次穿過上端蓋、導壓柱體、調整蓋和下端蓋，且在上述通孔內設有溫 度光纖光柵，在彈性壓力管與調整蓋之間設有深度光纖光柵。為了使溫度深度傳感探頭穿過傳輸光纜時仍保持良好的密封效果，上述上端蓋、調整蓋和下端蓋穿過傳輸光纜的位置填充有用於密封的橡膠柱。上述彈性壓力管是下端封閉的管狀結構體且固接在導壓柱體下端面上。上述調整蓋可在預壓力調整管內上下移動。考慮到海洋環境監測時測量層數與不同深度剖面檢測的實際需要，上述光纖傳感 器鏈通常包括4 8個溫度深度傳感探頭，且各溫度深度傳感探頭之間的距離在2 10米 範圍內。上述溫度深度傳感探頭內的溫度光纖光柵是兩端膠粘固定、中間彎曲且不受力的 弧狀結構。上述溫度深度傳感探頭內的溫度光纖光柵和深度光纖光柵均為布喇格光纖光柵。上述光纖耦合器和溫度深度傳感探頭之間的傳輸光纜是鎧裝光纜。上述溫度深度傳感探頭之間的傳輸光纜是鎧裝光纜。利用本發明進行海水溫度深度檢測的過程如下由光源發出的寬帶光經光纖耦合 器進入傳輸光纜中，經該光纜傳輸到一系列封裝有光纖光柵的溫度深度傳感探頭中，光纖 光柵會反射回特定波長的光信號，這些光信號包含傳感器所處環境的壓力、溫度信息。反射 回來的光信號經過傳輸光纜進入光纖耦合器的另一個通道臂，然後經波長檢測模塊解調出 波長的變化量，並由內含相關軟體的數據處理模塊計算出壓力、溫度值。由此可見，所有溫度深度傳感探頭共用一套水上數據處理裝置，如需增加水下測 量層數，只需增加水下溫度深度傳感探頭即可，它的成本很低，增加探頭的數量對系統成本 增加很小，而不像傳統CTD檢測系統，成本主要在CTD傳感器，增加水下測量層數，就必須增 加CTD傳感器數量，成本會迅速倍數增加；數據處理裝置是監測系統的核心，安裝在水面上 不會輕易遭到破壞，溫度深度傳感探頭成本較低，即使破壞，損失也很小，這樣有效地克服 了傳統CTD鏈剖面檢測的缺陷。水面下的光纖傳感器鏈為全光學器件，檢測信號為光信號， 避開了傳統檢測系統電信號造成的水密、耐壓等技術難題；探頭體積小、重量輕，連接方式 是通過連接器完成，運輸、安裝、調試、維護都很方便。本發明結構簡單、安全可靠、使用方便，易於擴展測量深度與層數，且測量信號穩 定，效果明顯。本發明利用光纖光柵傳感探頭為全光學器件，易於組成傳感器網絡進行剖面 檢測的優點，實現了海洋垂直剖面海水的溫度深度檢測。光纖光柵傳感探頭水下工作安全 可靠，檢測信號為光信號，避開了傳統的電信號檢測設備水密、耐壓等技術難題；本發明採 用光纖光柵波分復用原理，便於擴展，如需測量層數只需增加傳感探頭數量；重要設備都在 水上，便於保護和維護，水下傳感探頭成本低，即使遭破壞，損失也較小。


圖1是本發明的總體結構組成示意圖。圖2是本發明的溫度深度傳感探頭的結構示意圖。圖3是本發明的溫度深度傳感探頭的分解結構示意圖。其中，1.數據處理裝置、2.光纖傳感器鏈、3.波長檢測模塊、4.數據處理模塊、 5.光源、6.光纖耦合器、7.傳輸光纜、8.光纖連接器、9、溫度深度傳感探頭、10.上端蓋、 11.橡膠柱、12.導壓柱體、13.溫度光纖光柵、14.導壓孔、15.彈性壓力管、16.預壓力調整 管、17.深度光纖光柵、18.調整蓋、19.下端蓋、20.通孔。
具體實施例方式如圖1所示，本發明包括由傳輸光纜7連接的位於水面上的數據處理裝置1和位 於水下的光纖傳感器鏈2 ；所述的數據處理裝置1包括與光源5相連的光纖耦合器6，以及 與該光纖耦合器6相連的波長檢測模塊3，且該波長檢測模塊3與數據處理模塊4連接；所 述的光纖傳感器鏈2是兩個以上結構相同的溫度深度傳感探頭9通過傳輸光纜7及光纖連 接器8上下串聯而成，且最頂端的一個溫度深度傳感探頭9通過光纖連接器8和傳輸光纜 7與數據處理裝置1中的光纖耦合器6連接。圖2、3所示，上述溫度深度傳感探頭9包括位於上、下端蓋10、19之間的底部連接 有預壓力調整管16的導壓柱體12 ；該導壓柱體12設有縱向的通孔20且側面開有通向位 於預壓力調整管16內的彈性壓力管15的導壓孔14 ；所述的預壓力調整管16內下部設有 調整蓋18且位於呈桶狀結構體的下端蓋19的內腔；並且傳輸光纜7自上而下依次穿過上 端蓋10、導壓柱體12、調整蓋18和下端蓋19，且在上述通孔20內設有溫度光纖光柵13，在 彈性壓力管15與調整蓋18之間設有深度光纖光柵17。如圖2、3所示，為了使溫度深度傳感探頭9穿過傳輸光纜7時仍保持良好的密封 效果，上述上端蓋10、調整蓋18和下端蓋19穿過傳輸光纜7的位置填充有用於密封的橡膠 柱11。如圖2、3所示，上述彈性壓力管15是下端封閉的管狀結構體且可以採用焊接等方 式固接在導壓柱體12下端面上。如圖2所示，上述調整蓋18可在預壓力調整管16內沿上下移動。考慮到海洋環境監測時測量層數與不同深度剖面檢測的實際需要，上述光纖傳感 器鏈2通常包括4 8個溫度深度傳感探頭9，且各溫度深度傳感探頭9之間的距離在2 10米範圍內。如圖2、3所示，上述溫度深度傳感探頭9內的溫度光纖光柵13是兩端膠粘固定、 中間彎曲且不受力的弧狀結構。上述溫度深度傳感探頭9內的溫度光纖光柵13和深度光纖光柵17均為布喇格光 纖光柵。上述光纖耦合器6和溫度深度傳感探頭9之間的傳輸光纜7，以及溫度深度傳感探 頭9之間的傳輸光纜均為是鎧裝光纜。水面上的數據處理裝置1是整個檢測系統的主體，包括波長檢測模塊3、數據處理 模塊4、光源5和光纖耦合器6，系統的絕大部分成本集中於此。水面下的光纖傳感器鏈2 是一條測量鏈，其各個溫度深度傳感探頭9體積小、重量輕、成本很低，因此增加測量層數， 只需增加溫度深度傳感探頭9的數量，對系統成本增加很小。實施例1數據處理裝置1和光纖傳感器鏈2的結構如圖1所示，溫度深度傳感探頭9的結 構如圖2、3所示。數據處理裝置1中的光源5可以採用基於摻鉺光纖的光吸收再激發的光纖寬帶光 源，其譜寬範圍為1520 1580nm，屬寬譜光源，具有輸出光譜穩定、受環境影響小、易於傳 感系統耦合等優點。數據處理裝置1中的波長檢測模塊3可以採用BaySpec公司的WaveCaptureTMFBGA
5波長檢測模塊，它具有超央速響應時間、無運動部件、低功耗、寬動態範圍、低成本等優點。數據處理裝置1中的光纖耦合器6和水下溫度深度傳感探頭9之間的傳輸光纜7， 以及溫度深度傳感探頭9之間的傳輸光纜7均採用直徑為3. 5mm,厚0. 4mm的不鏽鋼鎧裝光 纜，有抗壓，抗拉，耐腐蝕等特點，能夠在海水中長期使用，可有效地保護內中的光纖。如圖2、3所示，上述溫度深度傳感探頭9內的傳輸光纜7，帶有均為布喇格光纖光 柵的溫度光纖光柵13與深度光纖光柵17，分別進行溫度敏感檢測與壓力敏感檢測，進而可 將壓力換算為深度；溫度深度傳感探頭9上下兩端預留有連接光纖，便於與其他傳感探頭 連接。其中，溫度光纖光柵13兩端可通過環氧膠固定在導壓柱體12的通孔20中，保持 溫度光纖光柵13中間處於自由彎曲狀態，即呈不受力的弧狀結構，只對溫度敏感，它的上 端經橡膠柱11密封固定在上端蓋10中，且上端蓋10外留出一段引出光纖以便於與其它溫 度深度傳感探頭9連接；導壓柱體12側面開有導壓孔14通向焊接在導壓柱體12下端面 的彈性壓力管15 ；深度光纖光柵17上端也可通過環氧膠固定在彈性壓力管15上，下端經 橡膠柱11固定在調整蓋18上，通過調節調整該18在預壓力調整管16中的位置(如通過 螺紋進行上下位置調整)，給深度光纖光柵17加一預拉力，從而提高檢測的靈敏度；深度光 纖光柵17下端經調整該18而穿過下端蓋19，並通過橡膠柱11固定，並外留出一段引出光 纖便於與其它溫度深度傳感探頭9連接。由於溫度光纖光柵13的兩端固定，中間自由不受 力，所以其反射波長的變化量僅與外界溫度量有關，故通過解調其光柵反射波長變化量，即 可測量溫度；深度光纖光柵17可固定在彈性壓力管15的底端，它既對壓力敏感，也對溫度 敏感，不過由於其與溫度光纖光柵13處於同一環境中，故由溫度引起的波長變化很容易被 去除，進而檢測出因壓力變化而引起的光柵反射波長的變化量，並換算成深度。光源5發出的寬譜光經傳輸光纖7通過光纖耦合器6後，經傳輸光纖7，自上而下 依次進入由光纖連接器8和溫度深度傳感探頭9串聯組成的水下傳感器鏈2中(其中光纖 連接器8可採用現有設備)；包含各個傳感探頭周圍環境的深度、溫度信息的各個光纖光柵 特定波長的反射光信號，由經過傳輸光纖7進入光纖耦合器6的另一個通道，而進入波長檢 測模塊3，由波長檢測模塊3解調出來各個溫度深度傳感探頭9中傳感光纖光柵的波長的變 化量，再經數據處理模塊4由相關軟體計算、解調出光纖傳感器周圍的壓力、溫度信息，並 進行保存和傳輸(其中相關軟體可採用本領域中常用的軟體)。光纖光柵溫度深度檢測系統對所有溫度深度傳感探頭9中的光纖光柵由測量值 的變化量引起的布喇格反射波長的變化量進行編碼，一般單個光纖光柵的反射波長帶寬約 為0. 3nm。因此，在所述寬譜光源的可用波長範圍內，給溫度深度傳感探頭9的每一個傳感 光柵分配一個獨特的波長區間，利用寬譜光源照射此光纖傳感器鏈2中的所有光纖光柵， 使各個光柵的反射峰在各自的波長區間內變化，最後用波長檢測模塊3檢測出所有光柵的 複合光譜，根據預先劃定的區間從中找出各個光柵的波長漂移值，從而實現多個布喇格光 柵的復用。
權利要求
一種光纖光柵海水溫度深度檢測系統，其特徵在於該系統包括由傳輸光纜(7)連接的位於水面上的數據處理裝置(1)和位於水下的光纖傳感器鏈(2)；所述的數據處理裝置(1)包括與光源(5)相連的光纖耦合器(6)，以及與該光纖耦合器(6)相連的波長檢測模塊(3)，且該波長檢測模塊(3)與數據處理模塊(4)連接；所述的光纖傳感器鏈(2)是兩個以上結構相同的溫度深度傳感探頭(9)通過傳輸光纜(7)及光纖連接器(8)上下串聯而成，且最頂端的一個溫度深度傳感探頭(9)通過光纖連接器(8)和傳輸光纜(7)與數據處理裝置(1)中的光纖耦合器(6)連接。
2.如權利要求1所述的溫度深度檢測系統，其特徵在於上述溫度深度傳感探頭(9)包 括位於上、下端蓋(10、19)之間的底部連接有預壓力調整管(16)的導壓柱體(12)；該導 壓柱體(12)設有縱向的通孔(20)且側面開有通向位於預壓力調整管(16)內的彈性壓力 管(15)的導壓孔(14)；所述的預壓力調整管(16)內下部設有調整蓋(18)且位於呈桶狀 結構體的下端蓋(19)的內腔；並且傳輸光纜(7)自上而下依次穿過上端蓋(10)、導壓柱體 (12)、調整蓋(18)和下端蓋(19)，且在上述通孔(20)內設有溫度光纖光柵(13)，在彈性壓 力管(15)與調整蓋(18)之間設有深度光纖光柵(17)。
3.如權利要求2所述的光纖光柵海水溫度深度檢測系統，其特徵在於上述上端蓋 (10)、調整蓋(18)和下端蓋(19)穿過傳輸光纜(7)的位置填充有用於密封的橡膠柱(11)。
4.如權利要求2所述的溫度深度檢測系統，其特徵在於上述彈性壓力管(15)是下端封 閉的管狀結構體且固接在導壓柱體(12)下端面上。
5.如權利要求2所述的溫度深度檢測系統，其特徵在於上述調整蓋(18)在預壓力調整 管(16)內上下移動。
6.如權利要求1所述的溫度深度檢測系統，其特徵在於上述光纖傳感器鏈(2)包括 4 8個溫度深度傳感探頭(9)，且各溫度深度傳感探頭(9)之間的距離在2 10米範圍 內。
7.如權利要求2所述的光纖光柵海水溫度深度檢測系統，其特徵在於上述溫度深度傳 感探頭(9)內的溫度光纖光柵(13)是兩端膠粘固定、中間彎曲且不受力的弧狀結構。
8.如權利要求2所述的溫度深度檢測系統，其特徵在於上述溫度深度傳感探頭(9)內 的溫度光纖光柵(13)和深度光纖光柵(17)均為布喇格光纖光柵。
9.如權利要求1所述的光纖光柵海水溫度深度檢測系統，其特徵在於上述光纖耦合器 (6)和溫度深度傳感探頭(9)之間的傳輸光纜(7)是鎧裝光纜。
10.如權利要求1所述的光纖光柵海水溫度深度檢測系統，其特徵在於上述溫度深度 傳感探頭(9)之間的傳輸光纜(7)是鎧裝光纜。
全文摘要
一種光纖光柵海水溫度深度檢測系統，包括由傳輸光纜連接的數據處理裝置和水下光纖傳感器鏈；數據處理裝置包括與光源相連的光纖耦合器，以及與該光纖耦合器相連的波長檢測模塊，且該波長檢測模塊與數據處理模塊連接；所述的光纖傳感器鏈是兩個以上結構相同的溫度深度傳感探頭通過傳輸光纜及光纖連接器上下串聯而成。光纖傳感器鏈通常包括間距在2～10米範圍內的4～8個溫度深度傳感探頭。本發明結構簡單、安全可靠、使用方便，易於擴展測量深度與層數，檢測信號為光信號，避開了傳統的電信號檢測設備水密、耐壓等技術難題，且測量信號穩定，效果明顯。溫度深度傳感探頭體積小、重量輕，通過連接器完成連接，運輸、安裝、調試、維護都很方便。
文檔編號G01F23/292GK101975627SQ201010525640
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月30日 優先權日2010年10月30日
發明者劉世萱, 王昌, 趙力, 閆星魁, 陳世哲, 齊勇 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所