一種基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜的製作方法

2023-05-24 20:50:11

專利名稱：一種基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於沿深度方向測量海水溫度分布情況的光纜，屬測量技術 領域。
背景技術：
海水溫度是海洋調查、監測中的重要內容，是海洋水文、氣象觀測及調查中不可或 缺的技術參數。海水溫度剖面的測量對研究海洋科學、海洋環境監測、季節氣候預測以及海 洋漁業等有十分重要的實用意義。所謂海水溫度剖面測量是指沿深度方向測量海水溫度分 布情況，即給出水深和相應深度處的溫度信息，長時間實時觀測還要給出對應的觀測時間。國內外用於海水溫度剖面測量的主要設備是溫鹽深海洋觀測儀(CTD)，儀器主要 由溫度、鹽度和壓力三種傳感器配以電子測量線路構成。它將數據採集器、數據傳輸單元和 電源等電子部件密封在高強度的壓力容器內。CTD測溫精確度可以達到0. OOrc等級，它通 過吊放在不同深度逐點巡測溫度、鹽度和深度，缺點是不能實現實時和長時間同步觀測溫 度剖面的變化。中國專利CN2154470Y
公開日為1994年1月26日、名稱為「海水溫度測量傳感器 鏈」的專利提出了一種多探頭陣列型準分布式傳感器鏈結構，其結構包括溫度傳感器、壓力 傳感器、浮子、鋼纜、吊掛鋼柱、承重鋼柱和屏蔽電纜線。其中，灌封式熱敏電阻溫度傳感器 鑲嵌在浮子上，浮子以5cm至IOOcm間距配置在鋼纜上，鋼纜的兩端分別用鋼纜鋼套和鋼絲 夾子鎖定在吊掛鋼柱和承重鋼柱的鋼杯內。壓力傳感器固定在測溫鏈下端的承重鋼柱的上 部，一束33根各50m長的屏蔽電纜線由浮子的中心孔穿過，作為傳輸電纜。另外，挪威AANDERAA公司的SEAGUARD傳感器鏈系統採用多探頭陣列型準分布式 傳感器鏈結構，可以用來測量溶解氧、電導率、溫度、電流、壓力和潮汐等海洋環境參數，基 本部件包括傳感器鏈和記錄儀。該系統可以採用自容式工作方式，每次投放後開始記錄測 量數據，經過一段時間的測量後，打撈出水面，提取記錄儀中的存儲數據進行分析處理。如 果選配實時採集和通信傳輸配件也可以實現實時測量。該系統可以設25個測量點，在每 個測量點採用傳感器鏈固定夾具固定傳感器，每個夾具中可以固定2個傳感器。傳感器鏈 總長可達300米，系統採用灌封式熱敏電阻溫度傳感器。以上兩種準分布式傳感器鏈結構雖然克服了 CTD只能逐點巡測而不能實時測量 的缺點，但是溫度鏈體積龐大，不方便使用絞車收放；整個系統的測量節點數量受供電容量 限制，難以滿足空間解析度高(觀測節點密集)和測量深度範圍大的應用要求；需要考慮海 水中的電絕緣和電信號傳輸過程中的抗幹擾與屏蔽問題；只能測量固定的空間點位置溫度 和深度信息，不能實現空間真正意義上的連續分布式測量。分布式光纖布裡淵傳感技術是一種新型的測量技術，具有隻需一次測量即可獲取 沿整個光纖被測場的連續分布信息、測量精度高、定位準確、傳感距離遠等獨特優點。採用 分布式光纖布裡淵傳感技術實現海水溫度剖面測量需要使用特殊的光纜，這種光纜應該能 滿足耐受海水腐蝕、具有良好的抗拉和抗壓性能、體積小、重量輕、易於布放等特殊要求；另 外，由於海流的影響，光纜並不能保持理想的垂直姿態，其長度和實際的水深並不一致，所以要求海水溫度剖面測量用光纜能同時感知溫度和相應的水深信息。但現有光纜並不能滿 足以上應用需求。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種體積小，使用方便，可靠性和測量靈敏度高，並且 能夠給出海水剖面的連續溫度場分布的基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜。本實用新型所稱目的是以下述技術方案實現的一種基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，由雙扣不鏽鋼軟管及其 內部的溫度傳感子光纜和壓力傳感子光纜組成，所述溫度傳感子光纜由溫度傳感光纖和套 裝在其外部的不鏽鋼套管組成，所述壓力傳感子光纜由壓力傳感光纖和依次套裝在其外部 的彈簧管和不鏽鋼絲編織網組成，所述壓力傳感光纖表面塗覆有聚氨酯壓力敏感材料層。上述基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，所述溫度傳感子光纜中 的溫度傳感光纖設置2 4條。上述基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，所述壓力傳感子光纜設 置兩條。上述基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，在溫度傳感光纖的外周 塗覆導熱油膏層。本實用新型將先進的分布式光纖布裡淵傳感技術應用於海水溫度剖面的實時監 測，測量時將光纜垂直放入海水中，然後從光纖的一端發送光脈衝，由於光纖布裡淵散射信 號的頻移是溫度和應變(對應不同海水深度的靜壓力)的函數，測量光纖不同位置布裡淵 散射的頻移，即可實現海水溫度和壓力分布的測量。使用本光纜測量海水溫度可以很好地 解決現有溫度鏈存在的體積龐大、不能實現連續監測的問題，並且可以給出海水剖面的連 續溫度場分布。雙扣不鏽鋼軟管具有良好的抗拉和抗側壓性能，用於承重以便使光纜下放 到設計深度，易於布放；採用不鏽鋼套管具有良好的感溫性能同時抗海水壓力，使用時入水 終端密封防水，使溫度傳感光纖不受應力影響，提高溫度測量的精度；聚氨酯壓力敏感材料 具有較高的壓力靈敏度，用於水深測量時可以改善空間解析度，校正光纜因海流而傾斜對 於測溫結果的影響。彈簧管和不鏽鋼絲編織網用於增強光纖的機械強度；備用多條溫度傳 感光纖和壓力傳感子光纜可以提高光纜的可靠性，延長光纜的使用壽命。光纖以外的其它 部分均採用不鏽鋼金屬結構，易於晾乾，抗腐蝕。本實用新型具有耐海水腐蝕、具有良好的抗拉和抗壓性能、體積小、重量輕、易於 布放、採用光信號傳輸不必考慮海水中的電絕緣和電信號傳輸過程中的抗幹擾與屏蔽問 題、可以實時和長時間同步觀測溫度剖面動態變化、空間點連續測量的完全分布式、可以同 時測量溫度和海水深度等優點，特別適用於海水溫度剖面的實時連續測量。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳述。


圖1是本實用新型的剖面圖；圖2是布裡淵溫度和應變測量原理三維曲線圖(圖中顯示了當溫度階梯變化時，
4沿150m傳感光纖的布裡淵散射譜，表現出布裡淵譜的中心頻率(布裡淵頻移)隨溫度變化 的偏移)。圖中各標號為1、雙扣不鏽鋼軟管，2、溫度傳感光纖，3、不鏽鋼套管，4、不鏽鋼絲 編織網，5、彈簧管，6、壓力傳感光纖，7、聚氨酯壓力敏感材料層。
具體實施方式
本光纜適用於光纖布裡淵原理的海水溫度剖面測量系統，系統基於布裡淵光時域 反射(BOTDR)或布裡淵光時域分析(BOTDA)測量原理測量時將布裡淵頻移檢測儀器安 裝在海洋浮標、船舶或海上石油平臺，將傳感光纜垂直放入海水中，從光纖的一端發送光脈 衝，在光纖介質中產生布裡淵散射光，溫度和壓力都會引起布裡淵散射光的頻移變化，圖2 為一種實施例(沿光纖長度的溫度分布按5個區間呈階梯形變化，相應於各區間的峰值光 強處的布裡淵頻移各不相同)。海水的深度由海水的靜水壓測量值來體現，本實施例中由壓 力傳感子光纜獲得。海水的溫度由溫度傳感子光纜獲得。利用布裡淵頻移檢測儀測量各子 光纜沿光纖長度方向各散射點的頻移數值。測量公式為vB1 ⑴=vB1 (Tr) [l+CvT1 (T-Tr) ](1)νΒ2 (Τ, P) = vB2 (Tr，Pr) [l+CvP (P-Pr) +CvT2 (T-Tr) ] (2)；其中，T、P分別代表溫度、壓力；Tr、Pr分別為參考溫度、參考壓力；Vbi(T) ^P vB1 (Tr) 分別為溫度子光纜在溫度τ和 ；時的對應布裡淵頻移；對於溫度傳感子光纜，由於採用不 鏽鋼套管屏蔽了海水壓力帶來的應變，布裡淵頻移只和溫度相關，Cvn為溫度子光纜的溫度 傳感係數；vB2(T，P)和vB2(Tr，Pr)分別為壓力子光纜在溫度Τ、壓力P和參考溫度、參考壓力 時的對應布裡淵頻移；Cvt2、(；ρ分別為壓力子光纜的溫度和壓力傳感係數。通過對系統進行 實驗室定標來確定係數CvT1、CvT2, CvP。具體標定過程如下(1)實驗室溫度標定取傳感光纜樣品(本實施例中不少於15米)放入溫控裝置 進行常壓(參考壓力)下溫度值定標，首先調節溫控裝置到35°C，然後以設定的溫度間隔 遞減，直到_2°C。溫度的標定間隔依據實際的測量要求來確定，本實施例中依據300米海 水的溫度梯度分布規律，設定系列標定溫度值35°C，250C，15°C，5°C，-2°C。這裡取參考溫 度為25°C。採用布裡淵頻移檢測儀器測出對應各溫度點T下溫度傳感光纖的布裡淵頻移 vB1 (T)，同一溫度點下測量多次從而對標定數據(νΒ1(Τ)，Τ)的多次測量值進行平均以獲得 更好的重複性和精度，將各溫度值T及其對應的布裡淵頻移vB1 (T)平均值依據公式(1)進 行線性擬合求解係數Cvn ；由於常壓下測量，公式(2)中P-K = 0，採用布裡淵頻移檢測儀 器測出對應各溫度點T下壓力傳感光纖的布裡淵頻移vB2 (T，Pr)，同一溫度點下測量多次從 而對標定數據(νΒ2(Τ，Ρ》，Τ)的多次測量值進行平均以獲得更好的重複性和精度，將各溫度 值T及其對應的布裡淵頻移vB2 (T，P》平均值依據公式(2)進行線性擬合求解係數CvT2.(2)實驗室壓力標定取傳感光纜樣品(本實施例中不少於15米)放入壓力調 節容器進行常溫(參考溫度)下壓力值定標，首先調節壓力值為OMPa，然後以設定的壓力 間隔遞增，直到3MPa。標定間隔依據實際的測量要求來確定，本實施例中設定系列標定值 OMPa, 0. 5MPa, IMPa, 1. 5MPa，2MPa，2. 5MPa，3MPa。由於常溫下測量，公式(2)中 Τ- ； = 0，採 用布裡淵頻移檢測儀器測出對應各壓力P點下壓力傳感光纖的布裡淵頻移νΒ2 (Tr，P)，同一壓力點下測量多次從而對標定數據(vB20；，P)，P)的多次測量值進行平均以獲得更好的重 復性和精度，將各壓力值P及其對應的布裡淵頻移VB2 (Tr，P)平均值依據公式⑵進行線性 擬合求解係數Cvp.實際測量時，在t = 0時刻從傳感光纖的一端發送光脈衝，從t = 0開始在光的發 送端可以接收到一系列的反向散射脈衝回波。通過測定這些脈衝回波與輸入光脈衝之間的 時間間隔便可以確定光纖中相應的散射點位置，該位置反映散射點與入射光之間的光纖長 度。採用布裡淵頻移檢測儀器測出溫度傳感子光纜沿光纖長度分布的脈衝回波的布裡淵頻 移vB1 (T)，由實驗室標定溫度係數Cvn，依據公式(1)即可求解沿光纖長度的溫度分布。對 於壓力傳感子光纜，其布裡淵頻移包括兩部分溫度變化引入的頻移和靜水壓引入的頻移。 將溫度傳感子光纜測得的沿光纜長度的溫度分布數值、採用布裡淵頻移檢測儀器測出的壓 力傳感子光纜沿光纖長度分布的脈衝回波的布裡淵頻移VB2 (T，P)、實驗室標定係數Cvt2和 Cvp代入公式(2)，求解沿光纖長度的靜水壓力分布，壓力對應水深的關係通常100米對應 IMPa，進而獲得沿光纖長度的海水深度信息。最終由以上測量值繪製出溫度-深度曲線。利用本實用新型光纜的姿態還可以給出沿海水深度方向的洋流分布情況，光纖長 度和壓力子光纜測定的海水深度之間的關係即反映光纜的姿態。本實用新型的主要製作步驟包括 1、溫度傳感光纖2塗覆導熱油膏(在提高溫度靈敏度的同時減少光纖磨損)，然後 包覆不鏽鋼套管3，製成溫度傳感子光纜；2、將壓力傳感光纖6塗覆聚氨酯壓力敏感材料層7，然後外包彈簧管5和不鏽鋼絲 編織網4，製成壓力傳感子光纜(兩條)；3、將三條子光纜絞繞成一體以便改善抗彎曲能力，然後外包雙扣不鏽鋼軟管1，制 成本實用新型光纜。注意先將溫度傳感子光纜輕微絞繞，再將兩條壓力傳感子光纜順勢纏 繞，防備損壞聚氨酯壓力敏感材料層7。本實施例中光纜外徑為10 12mm，抗拉能力最大可達3000牛頓，光纜長度可達 350米。雙扣不鏽鋼軟管1由厚度為0. 2 0. 3mm的鋼帶製成。溫度傳感子光纜的不鏽鋼 套管3外直徑約3mm，厚0. 2mm。壓力傳感子光纜塗覆的壓力敏感材料要求低楊氏模量和較 高泊松比(本實施例中分別為8*107Pa和0.4)。壓力傳感子光纜的靈敏度比裸纖提高了 2 3個數量級。不鏽鋼絲編織網(4)採用直徑0. 2mm的不鏽鋼線材編織而成；抗側壓彈 簧管(5)採用直徑Imm的不鏽鋼絲密繞製成。具體實施時，將溫度傳感子光纜中的溫度傳感光纖2沿軸線方向在光纖整個長度 範圍內按一定的間隔點和不鏽鋼套管3內壁粘接，保證粘接點之間的光纖處於自由鬆弛的 狀態。壓力子光纜的各部件也選擇間隔點粘接，由不鏽鋼絲編織網4承受子光纜的自重。
權利要求一種基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，其特徵是，它由雙扣不鏽鋼軟管(1)及其內部的溫度傳感子光纜和壓力傳感子光纜組成，所述溫度傳感子光纜由溫度傳感光纖(2)和套裝在其外部的不鏽鋼套管(3)組成，所述壓力傳感子光纜由壓力傳感光纖(6)和依次套裝在其外部的彈簧管(5)和不鏽鋼絲編織網(4)組成，所述壓力傳感光纖(6)表面塗覆有聚氨酯壓力敏感材料層(7)。
2.根據權利要求1所述基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，其特徵 是，所述溫度傳感子光纜中的溫度傳感光纖(2)設置2 4條。
3.根據權利要求2所述基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，其特徵 是，所述壓力傳感子光纜設置兩條。
4.根據權利要求3所述基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，其特徵 是，在溫度傳感光纖(2)的外周塗覆導熱油膏層。
專利摘要一種基於光纖布裡淵散射原理的海水溫度剖面測量光纜，它由雙扣不鏽鋼軟管及其內部的溫度傳感子光纜和壓力傳感子光纜組成，所述溫度傳感子光纜由溫度傳感光纖和套裝在其外部的不鏽鋼套管組成，所述壓力傳感子光纜由壓力傳感光纖和依次套裝在其外部的彈簧管和不鏽鋼絲編織網組成，所述壓力傳感光纖表面塗覆有聚氨酯壓力敏感材料層。本實用新型體積小，使用方便，可靠性和測量靈敏度高，並且能夠給出海水剖面的連續溫度場分布，特別適用於海水溫度剖面的實時連續測量。
文檔編號G02B6/44GK201765352SQ20102019304
公開日2011年3月16日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者尚秋峰, 張靜, 李星蓉, 李永倩 申請人:華北電力大學(保定)