專利名稱：一種采用光纖光柵傳感器的消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海軍反潛技術(shù)、海洋科考領(lǐng)域，主要是一種采用光纖光柵傳感器的消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
國際上生產(chǎn)消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)Expendable profiling system的主要有美國、日本、意大利等國的多家公司。有代表性的是美國的Loclcheed Martin公司的子公司 Sippican的產(chǎn)品，其T4、T7兩型消耗性溫度探頭廣泛應(yīng)用于海軍反潛戰(zhàn)、國際海洋科考等領(lǐng)域。該公司研制消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)已有近五十年的歷史，技術(shù)成熟。其生產(chǎn)的一次性溫度探頭采用熱敏電阻作為測溫器件，缺陷是探頭所處深度是通過探頭的下降時間估算的，而非精確測量的結(jié)果。其經(jīng)驗公式為H = A*t+B*t2式中H為探頭所處深度，t為探頭下降速度，A、B是與探頭質(zhì)量、放線阻力等因素相關(guān)的參數(shù)。國內(nèi)有與該公司產(chǎn)品相似的消耗性溫深剖面測量產(chǎn)品研發(fā)成功，也采用熱敏電阻作為敏感元件，漆包線作為信號線。由于估算探頭深度的經(jīng)驗公式需積累大量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，所以測量精度在短期內(nèi)難以達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。同時消耗性探頭采用的超細(xì)漆包線成本居高不下，制約了該產(chǎn)品的實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是要克服上述技術(shù)的不足，而提供一種同時準(zhǔn)確測量海水溫度、 深度參數(shù)的采用光纖光柵傳感器的消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)，其消耗性探頭可以在行駛中的艦船或飛行器上方便地大量投放，成本較低，具有實用價值。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種采用光纖光柵傳感器的消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)，包括消耗性探頭、發(fā)射器和解調(diào)記錄單元，所述消耗性探頭包括上光纖卷和入水探頭，入水探頭是由入水探頭頭部及尾翼構(gòu)成的流線形外殼內(nèi)組裝下光纖卷、傳感器組件構(gòu)成；解調(diào)記錄單元包括寬帶光源、FP濾波器、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊和電源模塊；入水探頭和解調(diào)記錄單元之間采用光纖作為信號傳輸線，可以通過一根光纖傳輸多路信號，并且傳輸距離可長達(dá)數(shù)十公里而信號損失較小。入水探頭采用雙光纖卷繞制光纖， 下光纖卷和上光纖卷的光纖繞制方向相反，入水探頭在水中下降時兩個光纖卷同時放出光纖，避免入水探頭下降過程中光纖受到的拉力、扭力過大造成光纖折斷等問題。消耗性探頭外形為一個圓柱體，上光纖卷的芯軸A與探頭筒的螺紋連接，下光纖卷通過其芯軸B與入水探頭頭部螺紋連接；在入水探頭的內(nèi)腔固定有光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器，光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵壓力傳感器由光纖串聯(lián)到下光纖卷的一端，下光纖卷的光纖另一端穿過入水探頭的尾翼的內(nèi)腔與上光纖卷的光纖相連，上光纖卷的光纖另一端通過發(fā)射器連接到解調(diào)記錄單元。
光纖光柵溫度傳感器中的光纖光柵封裝于高溫度膨脹系數(shù)的聚合物膠內(nèi)，光纖光柵A外的包層上設(shè)置有散熱薄葉片。對光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行增敏設(shè)計，將光纖光柵A 封裝于高溫度膨脹系數(shù)的聚合物膠內(nèi)，使光纖光柵溫度傳感器的測量精度提高到士0. rc 以上。對光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行提高響應(yīng)速度設(shè)計，將光纖光柵A進(jìn)行減薄包層處理， 減小光纖光柵A本身的熱容量；同時采用散熱薄葉片的封裝結(jié)構(gòu)，增加光纖光柵溫度傳感器表面的體積和面積比，加快光纖光柵溫度傳感器與海水熱交換速度，使響應(yīng)速度不大于 100ms。對光纖光柵壓力傳感器進(jìn)行增敏設(shè)計，對光纖光柵壓力傳感器中設(shè)置有向光纖光柵B施加一軸向拉力的采用高膨脹系數(shù)的彈性片，通過溫度系數(shù)小的環(huán)氧膠對彈性片進(jìn)行固定。采用高膨脹系數(shù)的不銹鋼彈性片向光纖光柵B施加一軸向拉力，對彈性片采用溫度系數(shù)小的環(huán)氧膠進(jìn)行固定，提高光纖光柵壓力傳感器可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明有益的效果是(1)采用光纖光柵傳感器作為敏感元件，由于光信號可以實現(xiàn)波分復(fù)用，所以在消耗性探頭內(nèi)可以集成多路傳感器，同時產(chǎn)生隨溫度、壓力等應(yīng)力變化的波長信號，經(jīng)解調(diào)、 計算得出溫度、壓力等參數(shù)的測量值，避免了估算探頭深度帶來的測量誤差。(2)采用光纖作為信號傳輸線，可以通過一根光纖傳輸多路信號，并且傳感器和解調(diào)儀之間光纖距離可長達(dá)數(shù)十公里而信號幾乎無損失。信號傳輸?shù)某杀窘档?，從而降低消耗性測量探頭的成本。(3)探頭采用雙光纖卷繞制光纖，避免了探頭下降過程中光纖扭力過大造成光纖折斷等問題，可以在駛中的艦船或飛行器上進(jìn)行投放，從而可以快速地進(jìn)行大范圍的海洋溫度剖面測量；入水探頭的流體動力特性設(shè)計保證探頭勻速下降，避免探頭下降過快造成的測量誤差。


圖1采用光纖光柵傳感器的消耗性剖面測量系統(tǒng)的工作原理框圖。圖2解調(diào)記錄單元的工作原理框圖。圖3消耗性探頭結(jié)構(gòu)圖。圖4光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5光纖光柵壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明本發(fā)明提供的采用光纖光柵傳感器的消耗性剖面測量系統(tǒng)，主要由消耗性探頭1、 發(fā)射器2、解調(diào)記錄單元3三部分組成。其中消耗性探頭1包括入水探頭4、上光纖卷5兩個主要部分，入水探頭4內(nèi)安裝了傳感器組件6和下光纖卷7 ；解調(diào)記錄單元3包括光源模塊8、FP濾波模塊9、光電轉(zhuǎn)換調(diào)模塊10、信號處理模塊11、電源模塊12等主要的功能模塊； 發(fā)射器2是在行駛中的艦船或飛行器上發(fā)射消耗性探頭1的機(jī)械裝置。(1)消耗性探頭1外形為一個圓柱體，上光纖卷5的芯軸A14與探頭筒15的螺紋連接，下光纖卷7通過其芯軸B16與入水探頭頭部17螺紋連接；在入水探頭的內(nèi)腔18固定
4有光纖光柵溫度傳感器19和光纖光柵壓力傳感器20，兩光纖光柵傳感器由光纖13串聯(lián)到下光纖卷7的一端，下光纖卷7的光纖13另一端穿過入水探頭尾翼21的內(nèi)腔18與上光纖卷5的光纖13相連，上光纖卷5的光纖13另一端通過發(fā)射器2連接到解調(diào)記錄單元3。(2)為使高精度光纖光柵溫度傳感器19和光纖光柵壓力傳感器20可靠工作及測量信號通過光纖13穩(wěn)定傳輸至解調(diào)記錄單元3，消耗性探頭1的設(shè)計需保證入水探頭4姿態(tài)穩(wěn)定、勻速下降，同時光纖13在下降過程中受力不大于其最大抗拉強(qiáng)度。為了保證入水探頭在水中近似勻速下降，入水探頭4在水中下降過程中受到的和力F及重力G，浮力P，水阻力Q應(yīng)滿足下式，F(xiàn) = G-P-Q = 0根據(jù)不同需求，消耗性探頭1繞制的光纖13長度不同，因而探頭直徑大小不同。確定探頭外形尺寸后計算浮力P，水阻力Q，調(diào)整入水探頭頭部17的材質(zhì)以滿足上式要求。實際應(yīng)用中由于使用環(huán)境不同需根據(jù)試驗結(jié)果對探頭外形及配重材料進(jìn)行微調(diào)。為使入水探頭4在下降過程中基本保持垂直姿態(tài)下行，入水探頭4的外形設(shè)計成類似水滴形，符合水動力學(xué)特性；其流線型外形有利于減小水阻力，尾翼21有利于探頭水中姿態(tài)的穩(wěn)定。(3)解調(diào)記錄單元3的信號處理模塊11由硬件電路和解算處理軟件組成。硬件電路是以DSP芯片為核心的高速信號處理電路，軟件根據(jù)光信號波長變化計算出傳感器對應(yīng)的外界溫度、壓力通過計算得到深度等應(yīng)力信息。解調(diào)記錄單元配置以態(tài)網(wǎng)口和USB 口，以便利用通用PC機(jī)對測量過進(jìn)行控制。軟件的人機(jī)接口模塊可根據(jù)外部接口命令將測量數(shù)據(jù)實時傳送到通用PC機(jī)的顯示設(shè)備，以溫深剖面曲線或數(shù)據(jù)文件形式供測量人員觀察分析，還可根據(jù)外部接口命令對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、對比、打印、導(dǎo)出等操作。(4)傳感器組件6包括以光纖布拉格光柵為核心傳感元件的光纖光柵溫度傳感器 19和光纖光柵壓力傳感器20。利用光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)波分復(fù)用的特性，在消耗性探頭1內(nèi)集成多路傳感器形成傳感器組件6，同時進(jìn)行溫度、壓力等參數(shù)的測量。光纖光柵是通過輻照手段使光纖內(nèi)部產(chǎn)生永久性的折射率周期性變化的一種全光纖器件。對于光纖布拉格光柵(FBG)，反射波長隨應(yīng)變和溫度變化而變化。反射波長相對變化量和應(yīng)變與溫度變化的關(guān)系式為Δ λΒ/λΒ = (l-pe) ε+(α+ ξ ) ΔΤ式中，λ 光纖光柵中心波長，Δ λ 波長變化量，ε為軸向應(yīng)變，為有效彈光系數(shù)，α為光柵的熱膨脹系數(shù)，ξ為光柵熱光系數(shù)，Δ T為溫度變化量。為了使光纖光柵溫度傳感器19能滿足消耗性剖面測量系統(tǒng)的應(yīng)用需求，需要進(jìn)行增敏設(shè)計和提高響應(yīng)速度設(shè)計。增敏設(shè)計的方案是將光纖光柵Α23封裝于高溫度膨脹系數(shù)的聚合物膠M內(nèi)，溫度的變化使得聚合物膠24膨脹，并帶動光纖光柵Α23的柵體進(jìn)行拉伸，從而同步改變光纖光柵Α23的應(yīng)變和溫度，共同產(chǎn)生同向反射波長變化，達(dá)到增敏目的。提高響應(yīng)速度的方案包括兩方面的工作。首先對光纖光柵Α23進(jìn)行減薄包層25處理， 減小光纖光柵Α23本身的熱容量；同時采用散熱薄葉片沈的封裝結(jié)構(gòu)，增加傳感器表面的體積和面積比，加快傳感器與海水熱交換速度。光纖光柵壓力傳感器20采用不銹鋼外殼27封裝，光纖光柵B^用環(huán)氧膠觀固定。當(dāng)光纖光柵壓力傳感器20置于水中時，水壓作用在彈性片30上使其發(fā)生形變，彈性片30向光纖光柵似9施加一軸向拉力，引起光纖光柵似9反射波長的漂移。對光纖光柵B29 反射波長進(jìn)行檢測即可測量傳感器受到的靜壓力。重點對光纖光柵壓力傳感器20的彈性片30及固定方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高傳感器封裝的可靠性和穩(wěn)定性。光纖光柵壓力傳感器20壓力P與波長的對應(yīng)關(guān)系滿足以下公式P= ( η +K) ( λ B0+ Δ λ J式中η為光纖光柵的效彈光系數(shù)，K為傳感器封裝后的壓力靈敏度。λΒ(ι為光纖光柵中心波長，Δ λ 波長變化量。為了更好地解決溫度、壓力交叉敏感問題，需溫度、壓力同時測量，在軟件解調(diào)時可采用矩陣解算方法。進(jìn)行溫深剖面測量時，將艦船或飛行器艙室內(nèi)的解調(diào)記錄單元3與通用PC機(jī)用電纜相連，發(fā)射器2通過光纜與解調(diào)記錄單元3連接。打開解調(diào)記錄軟件界面，設(shè)置探頭類型、 經(jīng)緯度、測量時間等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)入測量狀態(tài)。將消耗性探頭1安裝在發(fā)射器2上，連接兩段光纖13的連接器。打開消耗性探頭1的探頭筒15的下端蓋22，入水探頭4攜帶光纖光柵溫度傳感器 19和光纖光柵壓力傳感器20及下光纖卷7沿探頭筒15內(nèi)壁滑出，上光纖卷5與探頭筒15 滯留在艦船或飛行器上的發(fā)射器2內(nèi)，光纖13仍與解調(diào)記錄單元3相連；入水探頭4在自身重力作用下產(chǎn)生一定的入水初速度，水后受到重力、浮力和水阻力的綜合作用，當(dāng)入水探頭4受力平衡時，將保持勻速下降。入水探頭4在下降的過程中，纏繞在上光纖卷5、下光纖卷7的光纖13同時放線。解調(diào)記錄單元3的寬帶光源8產(chǎn)生寬帶光柵光譜信號，經(jīng)發(fā)射器 2、上光纖卷5、下光纖卷7的傳輸光纖13傳輸至入水探頭4內(nèi)的傳感器組件6，由光纖光柵溫度傳感器19和光纖光柵壓力傳感器20受到溫度、壓力等應(yīng)力影響發(fā)生波長改變的光信號，光信號又經(jīng)下光纖卷7、上光纖卷2、發(fā)射器2的傳輸光纖13傳回解調(diào)記錄單元3的FP 波器9，其具備較窄的光譜寬度，F(xiàn)P濾波器9在鋸齒波調(diào)制31及PZT控制器32的作用下進(jìn)行波長掃描。當(dāng)FP濾波器9中心波長與光纖光柵的中心波長相吻合時可以輸出最強(qiáng)的激光功率，因此通過光電探測器33和峰值搜索34可以得到觸發(fā)35 —個峰值電壓輸出。在溫度和壓力等物理量的作用下，傳感器的布拉格光柵中心波長隨之變化，作用于FP濾波器 9的掃描電壓也隨之變化，通過對電壓變化的檢測可以解調(diào)出傳感光柵的波長變化，再通過與FP濾波器9相配套的FP標(biāo)準(zhǔn)具36進(jìn)行波長校準(zhǔn)，可以得到精確的光纖光柵波長值，將檢測到的波長值經(jīng)過AD采樣37送入波長解算及記錄電路38，由軟件按解算公式計算出光纖光柵溫度傳感器19和光纖光柵壓力傳感器20所處位置的溫度及深度值。電源12模塊為解調(diào)記錄單元3內(nèi)的各功能模塊供電。測量結(jié)束時光纖13拉斷，入水探頭4沉入水下。 更換消耗性探頭1可開始下一次測量。解調(diào)記錄單元3的軟件可接受外部接口命令，按指定方式實時顯示溫深曲線，也可以根據(jù)以前存儲的數(shù)據(jù)顯示溫深曲線；可按外部接口命令指定的路徑導(dǎo)出一定批次的測量數(shù)據(jù)、測量時間等相關(guān)信息；可以進(jìn)行兩組以上測量數(shù)據(jù)對比顯示，計算測量誤差；支持溫深曲線、測量數(shù)據(jù)打印輸出。軟件采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)需求進(jìn)行功能擴(kuò)展。除上述實施例外，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種采用光纖光柵傳感器的消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)，包括消耗性探頭(1)、發(fā)射器⑵和解調(diào)記錄單元(3)，其特征是所述消耗性探頭⑴包括上光纖卷(5)和入水探頭 G)，入水探頭(4)是由入水探頭頭部(17)及尾翼構(gòu)成的流線形外殼內(nèi)組裝下光纖卷 (7)、傳感器組件(6)構(gòu)成；解調(diào)記錄單元C3)包括寬帶光源(8)、FP濾波器(9)、光電轉(zhuǎn)換模塊(10)、信號處理模塊(11)和電源模塊(12)；入水探頭⑷和解調(diào)記錄單元(3)之間采用光纖(1 作為信號傳輸線，入水探頭(4)采用雙光纖卷繞制光纖(13)，下光纖卷(7)和上光纖卷( 的光纖(1 繞制方向相反；消耗性探頭(1)外形為一個圓柱體，上光纖卷(5) 的芯軸A (14)與探頭筒(1 的螺紋連接，下光纖卷(7)通過其芯軸B (16)與入水探頭頭部(17)螺紋連接；在入水探頭的內(nèi)腔(18)固定有光纖光柵溫度傳感器(19)和光纖光柵壓力傳感器(20)，光纖光柵溫度傳感器(19)和光纖光柵壓力傳感器00)由光纖(1 串聯(lián)到下光纖卷(7)的一端，下光纖卷(7)的光纖(1 另一端穿過入水探頭的尾翼的內(nèi)腔(18)與上光纖卷(5)的光纖13相連，上光纖卷(5)的光纖(1 另一端通過發(fā)射器(2)連接到解調(diào)記錄單元(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用光纖光柵傳感器的消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)，其特征是光纖光柵溫度傳感器(19)中的光纖光柵封裝于高溫度膨脹系數(shù)的聚合物膠04) 內(nèi)，光纖光柵AO； )外的包層0 上設(shè)置有散熱薄葉片06)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用光纖光柵傳感器的消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)，其特征是對光纖光柵壓力傳感器OO)中設(shè)置有向光纖光柵W29)施加一軸向拉力的采用高膨脹系數(shù)的彈性片(30)，通過溫度系數(shù)小的環(huán)氧膠08)對彈性片(30)進(jìn)行固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用光纖光柵傳感器的消耗性溫深剖面測量系統(tǒng)，包括消耗性探頭、發(fā)射器和解調(diào)記錄單元，消耗性探頭包括上光纖卷和入水探頭，入水探頭是由入水探頭頭部及尾翼構(gòu)成的流線形外殼內(nèi)組裝下光纖卷、傳感器組件構(gòu)成；解調(diào)記錄單元包括寬帶光源、FP濾波器、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊和電源模塊；入水探頭和解調(diào)記錄單元之間采用光纖作為信號傳輸線，入水探頭采用雙光纖卷繞制光纖，下光纖卷和上光纖卷的光纖繞制方向相反。本發(fā)明有益的效果是解決了消耗性探頭成本居高不下的問題，采用光纖光柵傳感器作為敏感元件，避免了估算探頭深度帶來的測量誤差。探頭采用雙光纖卷繞制光纖，避免了探頭下降過程中光纖扭力過大造成光纖折斷等問題。
文檔編號G01B11/22GK102169026SQ20101062117
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者李東明, 桑衛(wèi)兵, 歐陽昭暐, 相冰, 程浩, 葛輝良, 謝勇, 陳清浪 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所