专利名称：一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法
技术领域：
本发明涉 及一种沿深度方向测量海水温度分布情况的方法，属测量技术领域。
背景技术：
海水温度是海洋调查、监测中的重要内容，是海洋水文、气象观测及调查中不可或 缺的技术参数。海水温度剖面的测量对研究海洋科学、海洋环境监测、季节气候预测以及海 洋渔业等有十分重要的实用意义。所谓海水温度剖面测量是指沿深度方向测量海水温度分 布情况，即给出水深和相应深度处的温度信息，长时间实时观测还要给出对应的观测时间。目前，国内外均采用温盐深海洋观测仪(CTD)来测量海水温度剖面，温盐深海洋 观测仪主要由温度、盐度和压力三种传感器配以电子测量线路构成。它将数据采集器、 数据传输单元和电源等电子部件密封在高强度的压力容器内。CTD测温精确度可以达到 0. oorc等级，它通过吊放在不同深度逐点巡测温度、盐度和深度，缺点是不能实现实时和 长时间同步观测温度剖面的变化。中国专利“海水温度测量传感器链”提出了一种多探头阵列型准分布式传感器链 结构，其结构包括温度传感器、压力传感器、浮子、钢缆、吊挂钢柱、承重钢柱和屏蔽电缆线。 其中，灌封式热敏电阻温度传感器镶嵌在浮子上，浮子以5cm至IOOcm间距配置在钢缆上， 钢缆的两端分别用钢缆钢套和钢丝夹子锁定在吊挂钢柱和承重钢柱的钢杯内。压力传感器 固定在测温链下端的承重钢柱的上部，一束33根各50m长的屏蔽电缆线由浮子的中心孔穿 过，作为传输电缆。另外，挪威AANDERAA公司的SEAGUARD传感器链系统采用多探头阵列型准分布式 传感器链结构，可以用来测量溶解氧、电导率、温度、电流、压力和潮汐等海洋环境参数，基 本部件包括传感器链和记录仪。该系统可以采用自容式工作方式，每次投放后开始记录测 量数据，经过一段时间的测量后，打捞出水面，提取记录仪中的存储数据进行分析处理。如 果选配实时采集和通信传输配件也可以实现实时测量。该系统可以设25个测量点，在每个 测量点采用传感器链固定夹具固定传感器，每个夹具中可以固定2个传感器。传感器链总 长可达300米，系统采用灌封式热敏电阻温度传感器。以上两种准分布式传感器链结构虽然克服了 CTD只能逐点巡测而不能实时测量 的缺点，但是温度链体积庞大，不方便使用绞车收放；整个系统的测量节点数量受供电容量 限制，难以满足空间分辨率高(观测节点密集)和测量深度范围大的应用要求；需要考虑海 水中的电绝缘和电信号传输过程中的抗干扰与屏蔽问题。基于光纤光栅原理的分布式光纤传感技术是一种新型的测量技术，具有体积小、 电绝缘性能和抗电磁干扰性能优良等独特优点。采用基于光纤光栅原理的分布式光纤传感 技术实现海水温度剖面测量需要使用特殊的光缆，这种光缆应该能满足耐受海水腐蚀、具 有良好的抗拉和抗压性能、体积小、重量轻、易于布放等特殊要求；另外，由于海流的影响， 光缆并不能保持理想的垂直姿态，其长度和实际的水深并不一致，所以要求海水温度剖面 测量用光缆能同时感知温度和相应的水深信息。但现有光缆并不能满足以上应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，该方法 可以实时和长时间同步观测温度剖面动态变化，所设计传感光缆具有耐海水腐蚀、具有良 好的抗拉和抗压性能、体积小、重量轻、易于布放、不必考虑电绝缘和抗干扰与屏蔽问题等 优点。本发明所称问题是以下述技术方案实现的
一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，它是将直接与海水接触的以一 系列光纤光栅为传感元件的压力传感器串和屏蔽了海水压力的以一系列光纤光栅为传感 元件的温度传感器串组合在一起，构成温度传感器与压力传感器一一对应的传感光缆，测 量时将传感光缆置于海水中，光缆中的温度和压力传感器采集所在位置的水深和水温信 息，利用基于光纤光栅原理的测量系统测量传感光缆中每个温度传感器和压力传感器的布 拉格波长，然后根据各传感器的布拉格波长与海水温度及海水压力之间的函数关系解调出 海水的温度和深度信息，并绘制海水温度剖面曲线。上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，所述基于光纤光栅原理的测量 系统由宽带光源、隔离器、可调谐F-P滤波器、光分路器、环行器、光开关、光电检测器、数据 采集卡、光开关驱动装置和计算机组成，所述宽带光源发出的宽带光信号经隔离器射入可 调谐F-P滤波器，经可调谐F-P滤波器后形成的可调谐的窄带光波经光分路器分成多路光 信号，每一路光信号分别经一个环形器和一个光开关进入传感光缆中的一条传感器串中， 各传感器返回的布拉格反射光经光环形器进入光电检测器，被光电检测器转换为电信号后 输入到数据采集卡，数据采集卡将采集的信息送到计算机进行处理；计算机通过光开关驱 动装置控制各光开关的状态；同一条传感器串中的各个光纤光栅采用波分复用技术，其布 拉格反射光中心波长互不相同，分别使用不同的光谱范围，各光纤光栅按特定的波长间隔 分布在宽带光源的工作波谱范围内，测量时可调谐F-P滤波器的控制器提供锯齿波扫描电 压，调节可调谐F-P滤波器透射窄带光波的波长值，使之遍历整个工作波谱范围，传感器串 中光谱范围在可调谐F-P滤波器通带范围内的光纤光栅的反射光强最大，光电检测器输出 最大值时所对应的可调谐F-P滤波器的中心波长即为该光谱范围内的光纤光栅的峰值波 长。上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，具体测量步骤如下a、对每个温度传感器进行实验室温度标定，获得温度传感器的布拉格波长λ B1与 温度τ之间的关系式T = a12 λ Β12 +ail 入 Blb、对每个压力传感器进行实验室温度标定和压力标定通过实验室温度标定，获得压力传感器在参考压力条件下只考虑温度影响的 布拉格波长λΒΤ与海水温度τ之间的关系式λΒΤ = a22T2+a21T+a20,以及压力传感器在 参考温度条件下只考虑压力影响的布拉格波长λΒΡ与海水压力P之间的关系式Ρ =
a2 入 BP2+aI 入 BP+aO其中
为标定系数；C、将传感光缆沿海水深度方向布放于海水中；d、对传感光缆进行测量，得到光缆上每个温度传感器的布拉格波长值λΒ1以及同一位置上的压力传感器的布拉格波长值λ B，然后按下述方法计算该位置海水的温度和深度首先将测得的λΒ1代入式T = a12AB12+ailAB1+a10中，计算传感器所在位置的海水 温度T，继而将计算出的海水温度值T代入式λ BT = a22T2+a21T+a20中，求得该温度下该压力 传感器的对应布拉格波长值λ BT，并由下式求解由于海水温度变化引起的该压力传感器布 拉格波长的变化量Δ λΒΤ:Δ λ ΒΤ = λ ΒΤ_ λ ΒΤ0其中λ ΒΤ0为压力标定时与参考温度对应的压力传感器的布拉格波长值，再根据下式计算只考虑海水压力影响时对应的布拉格波长λ Βρ λ Βρ = λ Β- Δ λ ΒΤ然后将λ Βρ代入下式，求得海水的压力值P P = a2 λ Bp2+ai λ Bp+a0最后根据海水的压力值P求得传感器所在位置的海水深度H :Η = f，其中，y为海 水的比重；e、根据每一对传感器所在位置的海水温度和海水深度，绘制海水温度剖面曲线。上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，所述传感光缆由双扣不锈钢软 管及设于其内的温度传感子光缆和压力传感子光缆组成，所述温度传感子光缆由多条温度 传感器串和套装在其外部的不锈钢防水套管组成，温度传感器串则由多个光纤光栅温度传 感器首尾相连而成；所述压力传感子光缆由多条压力传感器串和套装在其外部的不锈钢丝 编织网组成，压力传感器串则由光纤光栅压力传感器首尾相连而成；所述光纤光栅温度传 感器和光纤光栅压力传感器沿光缆对应布置。上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，所述光纤光栅温度传感器由感 温光纤光栅和套装在其外部的微金属套管组成，所述感温光纤光栅的两端通过塑包紧套传 输光纤与其它光纤光栅温度传感器或测量仪器连接。上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，所述光纤光栅压力传感器由感 压光纤光栅和套装在其外部的不锈钢套管组成，二者之间灌封聚氨酯压敏材料，所述感压 光纤光栅的两端通过塑包紧套传输光纤与其它光纤光栅压力传感器或测量仪器连接，在相 邻两个光纤光栅压力传感器之间以及光纤光栅压力传感器与测量仪器之间的不锈钢丝编 织网内设置有不锈钢抗侧压弹簧。上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，所述压力传感器串设置2 10 条，光纤光栅压力传感器的不锈钢套管通过套装在其外部的不锈钢外护套与不锈钢丝编织 网连接，不锈钢套管与不锈钢外护套之间设置有传输光纤通道，同一条压力传感器串中感 压光纤光栅的布拉格波长各不相同。上述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，所述温度传感器串设置2 8 条，同一条温度传感器串中感温光纤光栅的布拉格波长各不相同。本发明采用准分布式光纤光栅传感阵列来测量海水的温度和深度，不仅能实现海 水温度剖面的实时同步观测，而且空间分辨率高(即观测节点多)，传感光缆体积小、便于 布放。根据布拉格波长与压力和温度的关系，只要测量温度传感子光缆和压力传感子光缆中各光纤光栅的反射光的波长，就可计算出各点的海水温度和深度。本发明所设计传感光缆的有益效果为双扣不锈钢软管具有良好的抗拉和抗侧压 性能，用于承重以便使光缆投放到设计深度；温度传感子光缆的不锈钢防水套管具有良好 的感温性能同时可使光纤光栅温度传感器与海水隔离(使用时入水终端密封防水)，使之 不受海水压力的影响，保证了温度测量的精度；聚氨酯压敏材料具有较高的压力灵敏度，可 以提高水深测量的空间分辨率，校正光缆因海流而倾斜时对温度剖面测量结果所造成的影 响；不锈钢丝编织网用于抗拉伸和扭曲；不锈钢外护套和抗侧压弹簧用来保护压力传感器 串的传输光纤；光缆中接触海水的部件均采用不锈钢材料，抗腐蚀性好。本发明中的测量系统采用光纤光栅空分复用和波分复用相结合的解调技术来测量各光纤光栅传感器的布拉格波长，可以获得更大的复用数目，降低对光源谱宽和检测通 道数量的要求，从而降低成本；能够同时测量海水的温度和深度，实现海水温度剖面实时同 步观测，而且所用传感器链体积小，使用方便，可靠性和测量灵敏度高。
下面结合附图对本发明作进一步详述。图1是本发明所设计传感光缆的横剖结构图；图2是本发明所设计传感光缆的纵剖结构图；图3是相邻传感器连接示意图；图4是传感器串布置图；图5是光纤光栅结构示意图；图6是光纤光栅反射谱示例；图7是光纤光栅透射谱示例；图8是受外界场影响时FBG光谱偏移示意图；图9是本发明中基于光纤光栅原理的测量系统图；图10是波分复用的FBG反射谱示意图。图中各标号为1、不锈钢防水套管；2、双扣不锈钢软管；3、金属焊接点；4、不锈 钢丝编织网；5、不锈钢外护套；6、压力传感器串中的塑包紧套传输光纤；7、感压光纤光栅； 8、聚氨酯压敏材料；9、不锈钢套管；10、微金属套管；11、胶粘剂；12、抗侧压弹簧；13、感温 光纤光栅；14、温度传感器串中的塑包紧套传输光纤；15、微型光纤接头热缩管；16、光纤光 栅压力传感器；Tl、第一条温度传感器串；T2、第二条温度传感器串；T3、第三条温度传感器 串；T4、第四条温度传感器串；Pl P6、第一 第六条压力传感器串。文中所用符号λ B1、温度传感器的布拉格波长；T、海水温度；λ BT、压力传感器在 参考压力条件下只考虑海水温度影响对应的布拉格波长；λ BP、压力传感器在参考温度条件 下只考虑海水压力影响对应的布拉格波长；P、海水压力；a
12' aIl ‘ aIO a22' a21' a20' a2 ‘ ai ‘ aO 为
标定系数；Δ λ ΒΤ、由于海水温度变化引起的压力传感器布拉格波长的变化量；λ BTO、压力标 定时与参考温度对应的压力传感器的布拉格波长值；H、海水深度；γ、海水的比重。
具体实施例方式参看图1、图2，本发明所设计传感光缆由双扣不锈钢软管2、温度传感子光缆和压力传感子光缆组成。温度传感子光缆由不锈钢防水套管1和温度传感器串组成。温度传感器串由多个光纤光栅温度传感器通过塑包紧套传输光纤首尾相连熔接 而成；光纤光栅温度传感器由感温光纤光栅13和微金属套管10组成，在光纤光栅温度传感 器两端用胶粘剂11将引出的塑包紧套传输光纤14和微金属套管10进行固定粘接(参看 图2)。压力传感子 光缆包括不锈钢丝编织网4、不锈钢外护套5和压力传感器串；压力传 感器串由光纤光栅压力传感器16通过塑包紧套传输光纤6首尾相连熔接而成；光纤光栅压 力传感器16包括感压光纤光栅7、聚氨酯压敏材料8、不锈钢套管9 ；压力传感器串的传输 光纤6外面套装抗侧压弹簧12。光纤光栅压力传感器16的不锈钢套管9、不锈钢外护套5、 不锈钢丝编织网4三者在金属焊接点3处被焊接在一起，抗侧压弹簧12和不锈钢丝编织网 4周期性焊接在一起，这种焊接结构保证由不锈钢丝编织网4承受压力传感器串的重量，而 传输光纤6只承受其自重。参看图3，两传感器之间的塑包紧套传输光纤之间的熔接点采用微型光纤接头热 缩管15保护(图中只给出了相邻两个光纤光栅压力传感器16之间的连接方式，光纤光栅 温度传感器之间的连接方式与此相同)。参看图4，光缆中的两种传感器(光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器)在 整个待测海水深度范围内按一定的间距(即空间分辨率)分布，且一一对应。为了与测量系 统中的光源、解调单元的波谱范围相匹配，传感器串设置成若干条，各条分别通过传输光纤 与测量仪器连接。本实施例中，图4中测量范围为300米水深，按5米的空间分辨率考虑， 共需要60个光纤光栅温度传感器和60个光纤光栅压力传感器。每个传感器串中传感器的 个数由测量系统中的光源、解调单元的波谱范围和传感器的波长偏移范围等参数决定。图 4中温度传感器串分为4条(Tl T4)，每条包括15个温度传感器；压力传感器串分为6条 (Pl P6)，每条设置10个压力传感器。每条传感器串中传感光栅的布拉格波长变化范围 应与测量系统中的光源、解调单元的波谱范围相匹配。本实施例中，光缆外径12 20mm，抗拉能力最大可达3000牛顿，光缆长度350米。 双扣不锈钢软管2由厚度为0. 2 0. 3mm的钢带制成。温度传感子光缆的不锈钢防水套 管1外直径约3mm，厚0. 2mm ；光纤光栅温度传感器的微金属管10，内径为1mm，厚0. 2mm, 长20mm，可以是不锈钢或其它导热性能好而硬度高的金属，用于保护感温光纤光栅并使其 形态稳定。微金属管10和温度子光缆的不锈钢防水套管1之间可用导热硅胶粘接，用于增 敏。压力传感子光缆的不锈钢外护套5内径8 10mm，厚0. 2mm,长20mm ；压力传感器的不 锈钢套管9外径6 8mm，厚0. 2mm,长20mm ；不锈钢丝编织网4采用直径0. 2mm的不锈钢线 材编织而成；抗侧压弹簧12采用直径Imm的不锈钢丝密绕制成。塑包紧套传输光纤6 (或 14)的直径为0. 6 0. 9mm ；微型光纤接头保护热缩管15长23mm，外直径约1. 5mm。压力传 感子光缆的灵敏度比裸光纤光栅提高2 3个数量级。本发明所用传感光缆的盘缆弯曲半径最小可达50cm，便于光缆布放。制作光缆时，温度传感器串中的塑包紧套传输光纤14沿光缆长度方向间隔粘结 固定在不锈钢防水套管1内壁上；压力传感器串中的塑包紧套传输光纤6沿光纤长度方向 间隔性和不锈钢丝编织网4、不锈钢抗侧压弹簧12用胶粘剂粘结固定在一起。各间隔性粘 接固定点之间的传输光纤留有余长，其一为了保护传输光纤免受过度长度的光纤自重带来的重力损坏；其二传输光纤保持松弛状态可以去除因光纤自重引入的光栅轴向干扰应变。本发明所采用的光缆中的传感元件是光纤布拉格光栅(FBG)。光纤光栅是利用掺 杂光纤的光敏性制作而成的。紫外光照射形成的干涉条纹被光敏光栅记录下来，光纤的折 射率随紫外光光强的空间分布发生相应变化，形成布拉格光栅。如图5所示，当入射光谱经 过FBG时，被光栅反射回一单色光(反射光谱)，其余光透射。图5中A为光栅周期。图 6、图7分别为由测量系统测得的中心波长为1527. 95nm光栅的反射谱和透射谱。当海水的温度或压力引起光纤光栅结构参数A和折射率改变时，会导致布拉格 波长的变化，也就是说光纤光栅反射波中心波长的变化反映了海水温度的变化或压力变 化，其影响情况如图8所示。FBG布拉格波长与压力和温度的关系可以通过实验室标定来获 得。对于光栅温度传感器，由于不锈钢套管屏蔽了海水压力的影响，其光纤光栅的布拉格波 长只受海水温度的影响，所以只需要进行温度标定，获得传感表达式T = a12 入 B12+an 入 B1+a10(1)其中a12，an, a10为光栅温度传感器的温度传感标定系数。对于压力传感器，其光纤光栅的布拉格波长同时受海水温度和海水压力的影响， 所以需要进行参考压力条件下温度标定和参考温度条件下压力标定。其温度标定的传感公 式为ABT = a22T2+a21T+a20(2)其中a22，a21, a20为压力传感器的温度传感标定系数。压力传感器的压力标定传感表达式为P = a2 A Bp2+ai A Bp+a0(3)其中a2，ai，a0为压力传感器的压力传感标定系数。测量时在同一空间位置放置一个光栅温度传感器和一个压力传感器，先测得光栅 温度传感器的布拉格波长值XB1，由公式(1)即可求解海水的温度值T。将温度传感器的测 量值T代入公式(2)求解该温度时压力传感器的布拉格波长值XBT。进一步求解海水温度 变化引起的布拉格波长的变化量△入BT A 入 BT =入 BT_ 入 BT0(4)其中X ■为压力标定时参考温度对应的光栅布拉格波长值。设测得的压力传感器的布拉格波长值为\ B，则只考虑海水压力影响所对应的波 长值为A Bp = A B- A A BT(5)再依据公式(3)可以求解海水的压力值P。最后根据海水的压力值P求得传感器所在位置的海水深度H :H = |，其中，y为海 水的比重。为了实现海水温度剖面的测量，测量时将光缆沿垂直深度方向放入海水中，光缆 中沿深度放置的光纤温度和压力传感器用于测量所在位置的水深和水温信息。由于FBG的 长度远远小于空间分辨率，所以每个FBG可以看成是一个测量点。通过测量所有测量点的 海水温度或压力，就可以实现分布式海水温度剖面测量。利用本方法测量海水温度剖面时采用光纤光栅空分复用和波分复用相结合的解调技术。测量系统如图9所示，主要由宽带光源、隔离器、可调谐F-P(Fabry-Perot，法布 里-珀罗)滤波器、F-P滤波器控制器、光分路器、环行器、光开关、光电检测器、数据采集卡、 光开关驱动装置、计算机组成。FBG01 FBG91为传感光缆中光纤光栅传感器串0 9的第 一个传感光栅。其中的计算机为工控机，也可以采用其它的微处理器替代。在图9中，宽带光源发出的光经隔离器(只允许光单方向传播)射入可调谐F-P 滤波器，再经光分路器、光环形器、光开关进入传感光缆中的四个传感器串；传感器串返回 的布拉格反射光经光开关、光环形器进入光电检测器，被光电检测器转换为电信号后经数 据采集卡输入到计算机进行数据处理，解调出海水的温度和深度信息，并绘制温度-深度 关系曲线(即海水温度剖面分布曲线)。同一条传感器串中的各个光纤光栅采用的是波分复用技术，其中心波长互不相 同，分别在不同的光谱范围内变化。各传感光栅按一定的波长间隔分布在宽带光源的工作 波谱范围内。图10中显示出了 12个光纤光栅波谱分布示例。F-P滤波器是Fabry-Perot 多光束干涉原理的窄带光滤波器，只有通带范围内的光才能满足相长干涉条件，具有最大 的透射光强。可调谐F-P滤波器的控制器提供锯齿波扫描电压，不同的电压值唯一对应一 个峰值透射波长值，在一个扫描周期内F-P滤波器的通带透射光遍历整个工作波谱范围。 宽带光源经可调谐F-P滤波器后变为可调谐的窄带光波入射传感器串，传感器串中波谱范 围在F-P滤波器通带范围内的光纤光栅的反射光强最大，因此光电检测器输出最大值时所 对应的F-P滤波器的中心波长即为该波谱范围内的光纤光栅的峰值波长。在一个锯齿波电 压周期内，传感器串中的所有光纤光栅的峰值波长被扫描检测一遍。多个传感器串利用空分复用的原理共用一个检测通道(图9中一个检测器构成一 个检测通道)，利用光开关的切入时刻可以区分不同传感器串的测量信息，各传感器串可以 拥有相同的波谱范围。在图9所示的实施例系统中，首先将光缆中四条温度传感器串接入 四个检测通道，然后控制光开关将四条压力传感器串接入四个检测通道，最后控制两个1x4 光开关将其余两条压力传感器串接入两个检测通道。系统中各主要器件型号宽带光源DL-BX9-CS5169A ；可调谐F_P滤波器FFP_TF2 ；光分路器S (WI) C-1X2-1550-2-E ；光电检测器高灵敏度PIN光电检测器；数据采集卡PCI6133 ；光开 关；PRMS-12T1L1222 和 PRMS-14M1L1222 ；环形器PI0C3-15-P-2_1-1 ；F-P 滤波器控制器 FFP-C ；隔离器PIIS1-121122 ；光开关驱动装置0902FSW-DEM0。本发明中光缆的主要制作步骤包括①筛选光纤(本实施例中约5米)，在光纤的中部采用相位掩模法刻写温度传感光 栅，如图1所示，将光栅进行微金属管封装，引出光纤进行紧包套塑并和微金属管粘接，构 成光栅温度传感器。②如图3所示，将多个光栅温度传感器首尾相连熔接成一串构成光栅温度传感器 串。熔接点采用微型光纤接头热缩管保护。③对温度传感器串中的每个光栅温度传感器进行温度标定。取光栅温度传感器 放入温控装置进行常压(参考压力)下温度值定标，首先调节温控装置到35°C，然后以设 定的温度间隔递减，直到_2°C。温度的标定间隔依据实际的测量要求来确定，本实施例中 依据300米海水的温度梯度分布规律，设定系列标定温度值35°C，25°C，15°C，5°C，_2°C。采用图9测量系统测量各温度点对应的布拉格波长值，对每个温度点进行多次测量， 将多次测量获得的标定数据(布拉格波长值、温度值T)进行平均以获得更好的重复 性。对平均后的标定数据进行拟合，可以采用线性拟合(算法简单)，也可以采用多项式 拟合算法(精确度更好)。本实施例中采用2阶多项式拟合算法得传感表达式为!\ =
ai2 入 Bi2+aii 入 Bi+aio，a12, an, a10.④将多条温度传感器串构成阵列(图4中为4条)，并外包不锈钢套管，构成温度 子光缆。不锈钢套管入水终端进行防水密封。⑤筛选光纤(本实施例中约5米)，在光纤的中部采用相位掩模法刻写压力传感光 栅，将光栅两端的引出光纤进行紧包套塑，然后封装不锈钢套管，并灌封聚氨酯压力敏感材 料，制成压力传感器。⑥将多个光栅压力传感器首尾相连熔接成一串构成压力传感器串。熔接点采用微 型光纤接头热缩管保护。⑦对压力传感器串中的每个压力传感器进行温度标定和压力标定。实验室温度标定取压力传感器放入温控装置进行常压(参考压力)下温度值定 标，首先调节温控装置到35°C，然后以设定的温度间隔递减，直到_2°C。温度的标定间隔依 据实际的测量要求来确定，本实施例中依据300米海水的温度梯度分布规律，设定系列标 定温度值35°C，25°C，15°C，5°C，_2°C。采用图9测量系统测量各温度点对应的布拉格波长 值XBT。对每个温度点进行多次测量，将多次测量获得的标定数据(布拉格波长值XBT、温 度值T)进行平均以获得更好的重复性。对平均后的标定数据进行拟合，可以采用线性拟合 (算法简单)，也可以采用多项式拟合算法(精确度更好)。本实施例中采用2阶多项式拟 合算法得传感表达式为X BT = a22T2+a21T+a2(1，存储标定系数a22，a21, a20.实验室压力标定取压力传感器放入压力调节容器进行常温(参考温度)下压力 值定标，首先调节压力值为OMPa，然后以设定的压力间隔递增，直到3MPa。标定间隔依据 实际的测量要求来确定，本实施例中设定系列标定值0MPa，0. 5MPa，lMPa，l. 5MPa，2MPa， 2.5MPa，3MPa。采用图9传感系统测量各压力点对应的布拉格波长值X BP。对每个压力点 进行多次测量，将多次测量获得的标定数据(布拉格波长值入皿，压力值朽进行平均以获 得更好的重复性。对平均后的标定数据进行拟合，可以采用线性拟合(算法简单)，也可以 采用多项式拟合算法(精确度更好)。本实施例中采用2阶多项式拟合算法得传感表达式 力P = ￡12 入 M^+Eii 入 Bp+￡tQ，a2, aj, a0.⑧将步骤⑤ ⑦制成的多条压力传感器串构成阵列(图4中为6串)，其它传感 器串的传输光纤置于当前传感器串各传感器的不锈钢外护套和不锈钢套管之间。不锈钢套 管9屏蔽了横向水压，使压力传感光栅只响应水压带来的轴向压缩形变。传输光纤束外套 不锈钢弹簧，然后外包不锈钢丝网，不锈钢丝网和不锈钢外护套、不锈钢弹簧焊接，用于承 受传感器阵列的重力。⑨将压力子光缆和温度子光缆绞绕成一体以便改善抗弯曲能力，然后外包双扣不 锈钢软管制成本传感光缆。注意先将温度传感子光缆轻微绞绕，再将压力传感子光缆顺势 缠绕，防备损坏压力子光缆的不锈钢弹簧。步骤① ③和步骤⑤ ⑦还可以采用第二种实施方案光纤拉制过程中在裸光纤 上直接写入光栅，接着进行涂覆。然后进行封装和紧包套塑，从而可避免光纤受到额外的损伤，保证光栅的良好强度和完整性。可在线自动地在一根光纤上写入反射波长不同的一系 列光纤光栅。使用这种方法，光栅传感器之间不存在熔接点，直接生产传感器串，制造工艺 简单，使连续大批量生产光纤光栅成为可能，可提高光纤光栅性能的稳定性。但要求具有专 业生产线。注意此种方案对传感器串进行标定时，标定过程中要注意平放，以免因承受过多 传感器重力而损坏紧套传输光纤。本发明的测量步骤为(一 )、实际测量前，先连接好系统各部件，检查系统是否工作正常。( 二)、确保系统性能良好的情况下，通过光缆布放系统将传感光缆沿深度方向布 放。(三)、光缆布放完毕则可以正式开始海水温度剖面的实时测量。先控制四个光开 关，将四条温度传感器串接入四个检测通道，采用图9测量系统测量各温度传感器的布拉 格波长值，依据公式(1)计算各传感器光纤光栅传感元件所在位置的海水温度T。(四)、控制光开关将四条压力传感器串接入四个检测通道，采用图9测量系统测 量各压力传感器的布拉格波长值XB，将步骤(三)的计算结果(温度传感器的测量值)代 入公式(2)求解海水温度为T时和该温度传感器相同空间位置的压力传感器的布拉格波 长值XBT，进一步依据公式(4)求解海水温度变化引起的压力传感器的布拉格波长变化量 A XBT，依据公式(5)求解只考虑海水压力影响时对应的布拉格波长XBP，依据公式(3)可 以求解该空间位置的海水压力值P，最后根据海水的压力值P求得传感器所在位置的海水
深度H:H = |，其中，Y为海水的比重。(五)、控制两个1x4光开关将其余两个压力传感器串接入两个检测通道。按步骤 (四)求解。(六)、依据步骤(三) (五)所得结果绘制温度-深度关系曲线(即海水剖面 温度分布曲线)，并由计算机完成打印报表、数据传输等功能。
权利要求
一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，其特征是，它是将直接与海水接触的以一系列光纤光栅为传感元件的压力传感器串和屏蔽了海水压力的以一系列光纤光栅为传感元件的温度传感器串组合在一起，构成温度传感器与压力传感器一一对应的传感光缆，测量时将传感光缆置于海水中，光缆中的温度和压力传感器采集所在位置的水深和水温信息，利用基于光纤光栅原理的测量系统测量传感光缆中每个温度传感器和压力传感器的布拉格波长，然后根据各传感器的布拉格波长与海水温度及海水压力之间的函数关系解调出海水的温度和深度信息，并绘制海水温度剖面曲线。
2.根据权利要求1所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，其特征是，所述 基于光纤光栅原理的测量系统由宽带光源、隔离器、可调谐F-P滤波器、光分路器、环行器、 光开关、光电检测器、数据采集卡、光开关驱动装置和计算机组成，所述宽带光源发出的宽 带光信号经隔离器射入可调谐F-P滤波器，经可调谐F-P滤波器后形成的可调谐的窄带光 波经光分路器分成多路光信号，每一路光信号分别经一个环形器和一个光开关进入传感光 缆中的一条传感器串中，各传感器返回的布拉格反射光经光环形器进入光电检测器，被光 电检测器转换为电信号后输入到数据采集卡，数据采集卡将采集的信息送到计算机进行处 理；计算机通过光开关驱动装置控制各光开关的状态；同一条传感器串中的各个光纤光栅 采用波分复用技术，其布拉格反射光中心波长互不相同，分别使用不同的光谱范围，各光纤 光栅按特定的波长间隔分布在宽带光源的工作波谱范围内，测量时可调谐F-P滤波器的控 制器提供锯齿波扫描电压，调节可调谐F-P滤波器透射窄带光波的波长值，使之遍历整个 工作波谱范围，传感器串中光谱范围在可调谐F-P滤波器通带范围内的光纤光栅的反射光 强最大，光电检测器输出最大值时所对应的可调谐F-P滤波器的中心波长即为该光谱范围 内的光纤光栅的峰值波长。
3.根据权利要求2所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，其特征是，具体 测量步骤如下a、对每个温度传感器进行实验室温度标定，获得温度传感器的布拉格波长与温度 T之间的关系式T = a12 A B12+ail 入 B1b、对每个压力传感器进行实验室温度标定和压力标定通过实验室温度标定，获得压力传感器在参考压力条件下只考虑温度影响的布拉格波 长X BT与海水温度T之间的关系式X BT = a22T2+a21T+a20,以及压力传感器在参考温度条件 下只考虑压力影响的布拉格波长、bp与海水压力P之间的关系式P = a2 X BP2+ai A BP+a0其中为标定系数；c、将传感光缆沿海水深度方向布放于海水中；d、对传感光缆进行测量，得到光缆上每个温度传感器的布拉格波长值以及同一位 置上的压力传感器的布拉格波长值，然后按下述方法计算该位置海水的温度和深度首先将测得的、bi代入式T = a12 X B12+an A B1+a10中，计算传感器所在位置的海水温度 T，继而将计算出的海水温度值T代入式XBT = a22T2+a21T+a20中，求得该温度下该压力传感 器的对应布拉格波长值XBT，并由下式求解由于海水温度变化引起的该压力传感器布拉格 波长的变化量A XBT:A 入 BT —入 BT_ 入 BT0其中xBTO为压力标定时与参考温度对应的压力传感器的布拉格波长值，再根据下式计算只考虑海水压力影响时对应的布拉格波长XBP 入BP =人B_ A入BT然后将、BP代入下式，求得海水的压力值P P = a2 A,入 BP+a0最后根据海水的压力值P求得传感器所在位置的海水深度H:H = |，其中，y为海水的 比重；e、根据每一对传感器所在位置的海水温度和海水深度，绘制海水温度剖面曲线。
4.根据权利要求3所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，其特征是，所述 传感光缆由双扣不锈钢软管(2)及设于其内的温度传感子光缆和压力传感子光缆组成，所 述温度传感子光缆由多条温度传感器串和套装在其外部的不锈钢防水套管(1)组成，温度 传感器串则由多个光纤光栅温度传感器首尾相连而成；所述压力传感子光缆由多条压力传 感器串和套装在其外部的不锈钢丝编织网(4)组成，压力传感器串则由光纤光栅压力传感 器(16)首尾相连而成；所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器(16)沿光缆对应 布置。
5.根据权利要求4所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，其特征是，所述 光纤光栅温度传感器由感温光纤光栅(13)和套装在其外部的微金属套管(10)组成，所述 感温光纤光栅(13)的两端通过塑包紧套传输光纤与其它光纤光栅温度传感器或测量仪器 连接。
6.根据权利要求5所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，其特征是，所述 光纤光栅压力传感器由感压光纤光栅(7)和套装在其外部的不锈钢套管(9)组成，二者之 间灌封聚氨酯压敏材料(8)，所述感压光纤光栅(7)的两端通过塑包紧套传输光纤与其它 光纤光栅压力传感器或测量仪器连接，在相邻两个光纤光栅压力传感器(16)之间以及光 纤光栅压力传感器(16)与测量仪器之间的不锈钢丝编织网内设置有不锈钢抗侧压弹簧。
7.根据权利要求6所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，其特征是，所述 压力传感器串设置2 10条，光纤光栅压力传感器的不锈钢套管(9)通过套装在其外部的 不锈钢外护套(5)与不锈钢丝编织网(4)连接，不锈钢套管(9)与不锈钢外护套(5)之间 设置有传输光纤通道，同一条压力传感器串中感压光纤光栅(7)的布拉格波长各不相同。
8.根据权利要求7所述基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，其特征是，所述 温度传感器串设置2 8条，同一条温度传感器串中感温光纤光栅(13)的布拉格波长各不 相同。
全文摘要
一种基于光纤光栅原理的海水温度剖面测量方法，它是将压力传感器串和温度传感器串组合在一起，构成温度传感器与压力传感器相对应的传感光缆，测量时将传感光缆置于海水中，光缆中的温度和压力传感器采集所在位置的水深和水温信息，利用基于光纤光栅原理的测量系统测量传感光缆中每个温度传感器和压力传感器的布拉格波长，然后根据各传感器的布拉格波长与海水温度及海水压力之间的函数关系解调出海水的温度和深度信息，并绘制海水温度剖面曲线。本发明能够实现海水温度剖面实时同步观测，可靠性和测量灵敏度高，所用传感光缆体积小、耐海水腐蚀、便于布放。
文档编号G01B11/22GK101858796SQ20101017448
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者何玉均, 尚秋峰, 李永倩, 范寒柏 申请人:华北电力大学(保定)