本發(fā)明專利技術(shù)提供的一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鳎涮卣髟谟诎ǚ雷o罩和安裝在防護罩內(nèi)的全光纖溫深傳感器，所述全光纖溫深傳感器包括測量海水溫度的鍍增敏膜的長周期光纖光柵，測量海水深度的光纖布拉格光柵，以實現(xiàn)對海水溫深度剖面的高靈敏度和分別獨立測量。本發(fā)明專利技術(shù)有效避免了傳統(tǒng)電學(xué)類水下傳感器深度測量誤差大、漏電漏水等問題；利用LPG作為測溫單元，提高了現(xiàn)有光纖XBT方法的測溫精度，并合理分配了波譜范圍，實現(xiàn)FBG?LPG的單光路級聯(lián)和同步檢測，提供了一種新型的高精度光纖XBT傳感器。
An expendable seawater temperature profile fiber sensor
The invention provides an expendable seawater temperature depth profile of the fiber sensor, which comprises the protective cover and the protective cover is installed in the all fiber temperature and depth sensor, the optical fiber temperature and depth sensor measurement of seawater temperature coated long period fiber grating sensitization film, measuring water depth of fiber Prague in order to achieve the high sensitivity of the grating, the sea water temperature depth profile and independently measured. The invention effectively avoids the problem of traditional electrical underwater sensor depth measurement error, such as the use of LPG as a Water Leakage leakage; temperature measurement unit, to improve the precision of temperature measurement of existing optical fiber XBT method, and the reasonable allocation of the spectrum, to achieve single path concatenation and synchronization detection FBG LPG, provides a new high precision the XBT optical fiber sensor.
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅?/a>
本專利技術(shù)涉及一種投棄式海水溫深剖面測量領(lǐng)域，特別是涉及一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒ā?br>技術(shù)介紹
船載投棄式溫度剖面測量儀(ExpendableBathyThermograph，XBT)是海洋溫深度測量的重要儀器，對獲得的海洋水文數(shù)據(jù)對于氣候變化、物理海洋學(xué)及軍事研究有重要的意義，因此受到極大關(guān)注。然而，傳統(tǒng)XBT探頭的溫度敏感元件一般采用熱敏電阻，存在嚴重的熱電非線性問題；深度數(shù)據(jù)則是由探頭下落速度和時間代入深度計算公式估算而來，并非精確測量的結(jié)果。由于海流等的影響，探頭在水下的運動具有不可預(yù)測性，計算獲得的深度數(shù)據(jù)與實際深度數(shù)據(jù)往往相差較大。此外，水下探頭內(nèi)置測量電路和電池，存在漏水漏電造成探頭失效的問題。光纖光柵傳感器是利用光纖光柵中心波長與外界環(huán)境參數(shù)成一定的函數(shù)關(guān)系的原理，通過探測波長的變化從而獲得外界環(huán)境參數(shù)的一種傳感器。由于光纖光柵傳感是對光的波長進行檢測，光強起伏對傳感量(波長)沒有影響，抗干擾能力強，靈敏度高，體積小，本征絕緣等優(yōu)點。國家海洋技術(shù)中心提出一種光學(xué)投棄式海洋溫度深度剖面測量探頭，并申請了專利(申請?zhí)枺?01510191680.4)。根據(jù)其說明書中[0005]、[0018]和[0034]段的描述，可以推斷該專利中感溫和感深光柵均采用了光纖布拉格光柵(FiberBraggGratings：FBG)。另外，七一五研究所也提出過一種消耗性光纖溫深探頭(申請?zhí)枺?01110032997.5案件狀態(tài)：逾期視撤失效)，其溫度敏感元件為FBG。典型的FBG溫度靈敏度為10pm/℃，按照±1pm解調(diào)精度計算，基于FBG的溫度傳感器精度僅為±0.1℃。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)目的是提供一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鳎钥朔F(xiàn)有技術(shù)的上述不足。一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鳎涮卣髟谟诎ǚ雷o罩和安裝在防護罩內(nèi)的全光纖溫深傳感器，所述全光纖溫深傳感器包括測量海水溫度的鍍增敏膜的長周期光纖光柵(Longperiodfibergratings：LPG)，測量海水深度的FBG，以實現(xiàn)對海水溫深度剖面的高靈敏度和分別獨立測量；利用光纖熔接機依次將光纖端面反射鏡、鍍增敏膜的LPG、FBG以及下纖軸一端進行連接，并分別在鍍增敏膜的LPG與FBG的兩側(cè)選擇連接點，通過連接點將上述光纖海水溫深度核心敏感元件粘接在固定支架的突出部上，所述下纖軸另一端與上纖軸一端相連；上纖軸另一端與3dB耦合器相連，3dB耦合器的另外兩個端口分別與寬帶光源和高精度光纖光柵快速解調(diào)模塊相連；所述LPG的增敏膜是先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜以對增敏膜進行防氧化保護；上述光FBG和LPG的波段范圍分別設(shè)計為1510～1550nm和1550～1590nm，有效避免了FBG和LPG間的信道串?dāng)_。為防止光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵之間出現(xiàn)包層模式再耦合的現(xiàn)象，兩器件間距應(yīng)大于2cm；光纖端面反射鏡的反射率在30-90％為宜。所述全光纖探頭保護罩為流線型設(shè)計，并帶3片尾翼。本專利技術(shù)中，LPG的周期為幾十到幾百微米，能夠?qū)?dǎo)波中某頻段的光耦合到光纖包層中損耗掉，是一種透射型光纖器件。從模式耦合機理來看，F(xiàn)BG是前向傳輸?shù)幕Ｅc后向傳輸?shù)囊浑A各次芯模之間的耦合；而LPG是前向傳輸?shù)幕Ｅc同向的一階各次包層模式之間的耦合。因此LPG對于溫度、應(yīng)力、外界折射率等環(huán)境參數(shù)的敏感性要遠高于一般的光纖光柵。本專利技術(shù)的投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鞑捎肔PG進行溫度測量，以獲得測量精度高、速度快的效果。LPG耦合的相位匹配條件βco-βcl(p)＝2π/Λ(1)其中βco和βcl(p)分別為光纖傳輸基模HE11和包層模HE1p的傳播常數(shù)，Λ為光柵的周期。由于導(dǎo)模和包層模的傳播常數(shù)都是波長的函數(shù)，所以在LPG中，導(dǎo)模可以和幾個包層模在不同波長滿足相位匹配條件，從而使得光波可以從導(dǎo)模被耦合到幾個包層模，而耦合到包層模的功率將很快衰減掉。在寬帶光源入射的條件下，輸出光譜上將出現(xiàn)以相位匹配波長(又稱耦合波長)為中心的多個吸收峰。由式(1)可以推得耦合峰中心波長的計算公式：λLP＝(nco-ncl)Λ(2)式中：λLP為LPG基模與包層模耦合時的諧振波長，nco、ncl分別為基模和包層模的有效折射率。其傳感的基礎(chǔ)是其耦合諧振峰中心波長隨外界參數(shù)(環(huán)境溫度、應(yīng)力、折射率等)變化而移動。根據(jù)耦合模理論，LPG的相位匹配條件滿足式(1)，其中纖芯和包層有效折射率及光柵周期都是溫度的函數(shù)，方程兩邊同時取溫度的微分可得LPG的溫度靈敏度表達式其中，為1階包層模式的第m次諧振波長；為纖芯基模有效折射率；為1階m次包層模式的有效折射率；Λ為LPG的周期。本專利技術(shù)的FBG深度測量原理基于耦合模式理論，當(dāng)滿足相位匹配條件時，光柵的布喇格波長為λB＝2neffΛ(4)式中：λB為布喇格波長；neff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵周期。寬譜光源入射光纖后，經(jīng)過FBG會有波長λB的光返回，其他的光將透射。外界的被測量引起FBG溫度、應(yīng)力變化時都會導(dǎo)致反射的中心波長的變化，接收端解調(diào)出受調(diào)制的波長變化就可以檢測到被測量。式中：分別為光纖的熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)和彈光系數(shù)。深度檢測是由壓力檢測通過一定的關(guān)系轉(zhuǎn)換過來的。溫度不變時，光纖光柵只受軸向應(yīng)變作用，中心反射波長相對變化為式中：Pe＝neff2[P12-μ(P11+P12)]/2為光纖的有效彈光系數(shù)；μ為纖芯材料的泊松比；P11和P12為彈光系數(shù)；neff為光纖傳播模式的有效折射率。本專利技術(shù)目的是提供一種投棄式光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鳎钥朔鹘y(tǒng)XBT的不足，提高現(xiàn)有光學(xué)類方法的測量精度。從測量精度的角度分析，本專利中提出利用LPG和FBG分別制得海水溫度和深度傳感器，其溫度和深度精度分別達0.003℃和0.1％F.S.，且其數(shù)據(jù)均為測量數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)XBT深度數(shù)據(jù)為估算的問題；利用LPG作為測溫單元(以鍍膜增敏的LPG為測溫元件)，比七一五研究所和國家海洋技術(shù)中心方案(以FBG為測溫元件)的靈敏度高2個數(shù)量級，對溫度剖面的測量更加精準。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實用性角度分析，實際工程應(yīng)用中，傳感器需要安裝在現(xiàn)場甚至野外，而光源和解調(diào)儀等設(shè)備一般都會在專門的控制室，兩者之間通常都有一定距離，本專利技術(shù)能夠使用上述需求。而在大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)中，更不宜采用傳統(tǒng)透射光路方案，否則光路數(shù)量將會加倍，造成資源浪費，施工難度大的問題。從上述技術(shù)方案可以看出，本專利技術(shù)具有以下有益效果：針對傳統(tǒng)XBT和現(xiàn)有光纖XBT測量方法存在的技術(shù)問題，本專利技術(shù)提出一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鳎蠢霉饫w光柵作為海水溫深度敏感元件，其中以鍍增敏膜的LPG作為海水溫度敏感元件，提高了溫度測量靈敏度；以FBG作為海水深度敏感元件，獲得了深度的直接測量值，探頭制作簡單，成本低廉，為海水溫深剖面探測提供了一種新的技術(shù)手段。本專利與傳統(tǒng)XBT技術(shù)相比較，具體優(yōu)勢和創(chuàng)造性體現(xiàn)在：提出利用LPG和FBG級聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)同步測量海水溫度和深度，其溫度和深度精度分別達0.01℃和0.1％F.S.，且其數(shù)據(jù)均為測量數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)XBT深度數(shù)據(jù)為估算的問題。但是LPG測溫的引進存在交叉敏感、靈敏度有待提高和透射光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，具體解決方本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鳎涮卣髟谟诎ǚ雷o罩和安裝在防護罩內(nèi)的全光纖溫深傳感器(1)，所述全光纖溫深傳感器(1)包括測量海水溫度的鍍增敏膜的長周期光纖光柵(11)，測量海水深度的光纖布拉格光柵(12)，以實現(xiàn)對海水溫深度剖面的高靈敏度和分別獨立測量；利用光纖熔接機依次將光纖端面反射鏡(13)、鍍增敏膜的長周期光纖光柵(11)、光纖布拉格光柵(12)以及下纖軸(16)一端進行連接，并分別在鍍增敏膜的長周期光纖光柵(11)與光纖布拉格光柵(12)的兩側(cè)選擇連接點(15)，通過連接點(15)將上述光纖海水溫深度核心敏感元件粘接在固定支架(14)的突出部上，所述下纖軸(16)另一端與上纖軸(34)一端相連；上纖軸(34)另一端與3dB耦合器(33)相連，3dB耦合器(33)的另外兩個端口分別與寬帶光源(31)和高精度光纖光柵快速解調(diào)模塊(32)相連；所述長周期光纖光柵(11)的增敏膜是先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜以對增敏膜進行防氧化保護；所述光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵的波段范圍分別設(shè)計為1510～1550nm和1550～1590nm，有效避免了光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵間的信道串?dāng)_。...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅鳎涮卣髟谟诎ǚ雷o罩和安裝在防護罩內(nèi)的全光纖溫深傳感器(1)，所述全光纖溫深傳感器(1)包括測量海水溫度的鍍增敏膜的長周期光纖光柵(11)，測量海水深度的光纖布拉格光柵(12)，以實現(xiàn)對海水溫深度剖面的高靈敏度和分別獨立測量；利用光纖熔接機依次將光纖端面反射鏡(13)、鍍增敏膜的長周期光纖光柵(11)、光纖布拉格光柵(12)以及下纖軸(16)一端進行連接，并分別在鍍增敏膜的長周期光纖光柵(11)與光纖布拉格光柵(12)的兩側(cè)選擇連接點(15)，通過連接點(15)將上述光纖海水溫深度核心敏感元件粘接在固定支架(14)的突出部上，所述下纖軸(16)另一端與上纖軸(34)一端相連；上纖軸(34)另一端與3dB耦合器(33)相連，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙強，陳世哲，張繼明，張可可，劉世萱，閆星魁，
申請(專利權(quán))人：山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：山東,37
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