标题 | 基于光纤光栅海洋温深传感器的研究 |
范文 | 吴路光+徐元哲+龙顺宇+谢鑫刚![]() ![]() ![]() 摘 要 本文提出了一种新型的光纤光栅海洋监测传感器,可以实现温度和压力的同时测量,且排除温度对压力测量的影响。传感器采用的弹性膜片结构,压力测量光纤直接与膜片连接,膜片在压力作用下产生轴向位移,进而拉动压力测量光纤以实现压力传感;温度测量光纤单独固定,采用的进水腔结构,在保证光纤免受海水冲击的情况下直接与海水接触,实现快速测温,同时实现温度补偿。 关键词 光纤光栅;海洋监測;温深传感器 中图分类号 P7 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2017)188-0062-02 随着国家“一带一路”和海洋战略政策的实施,海洋环境监测越来越重要,监测传感器中最基础的是温盐深(CTD)传感器,其中深度参数通过测量水压得到。光纤光栅对温度和压力都敏感,因此可以采用光纤光栅同时完成温度和压力的测量。温度可以单独测量,而压力的测量会受到温度的影响,因此要消除温度的影响。潘洪亮等[1]提出了一种分程式双灵敏度的光纤光栅压力、温度一体化监测装置。利用分程式的封装结构增大了压力测量范围,实现温度和压力双灵敏度一体化监测,但是该传感器在压力测量中引入了另外的温度传感器作为温度参考,无法做到实时的温度补偿。蔡安等[2]提出了通过引入一根自由状态的光纤光栅来实现温度补偿,但由于两根光纤光栅处于不同的状态,同样无法实现实时补偿温度的变化。何少灵等[3]提出了一种温度实时补偿的高精度光纤光栅压力传感器,可以实现温度的实时补偿,该光纤光栅压力传感器可以应用在温度快速变化的环境中,但是该传感器只能实现压力的测量,不能在海洋监测中同时完成温度和压力的 测量。 本文提出了一种新型的光纤光栅海洋监测传感器,可以实现温度和压力的同时测量,且排除温度对压力测量的影响。 1 原理 基于光纤光栅的海洋温深传感器结构示意图如图1所示。温度和压力测量光纤同时与海水接触,温度会使光纤的反射波长发生改变,通过检测波长变化量就可以计算出温度的改变量,温度测量光纤完成温度测量和压力测量过程中的温度补偿;压力测量基于弹性膜片结构,压力测量光纤直接与弹性膜片连接,膜片的中心位置在海水压力的作用下发生改变,引起压力测量光纤的长度变化,造成其反射波长的改变,通过检测波长变化量就可以计算出压力的改变量。 2 实验与讨论 本文选择两根同型号光纤光栅分别作为温度测量和压力测量光纤,初始反射波长为1 560nm。光纤光栅的栅区长度为10mm,反射率大于80%,边模抑制比大于15dB。实验过程中使用的解调仪型号为MOI130,其波长的检测精度为1pm。 2.1 温度系数确定 首先确定所选两根光纤光栅的温度系数,利用高精度恒温水槽进行温度调整,水槽的温度从0℃调到40℃,调整步长为1℃,记录每个温度下光纤光栅的反射波长,把波长与温度进行拟合,可得光纤光栅的温度一次拟合关系式为 ,拟合曲线如图2所示。 从记录数据可以得出,光纤光栅的温度拟合曲线的误差范围小于0.07%,光纤光栅用于对温度的测量具有很高的线性度。 从图中可以看出温度系数偏小,可以采取在温度测量光纤外加装热膨胀系数大的导热套,以达到提高 值,提高温度测量灵敏度的目的[4]。 2.2 压力系数确定 利用把传感器放置于压力罐内以确定其压力系数,压力罐内的压力从0MPa逐渐加压至100MPa,加压步长为2MPa,记录每个压强下光纤光栅的反射波长,通过计算排除温度对压力测量的影响,之后把压力测量光纤的波长与压强进行拟合,可得光纤光栅的压力一次拟合关系式为 ,如图3所示。 从记录数据可以得出,光纤光栅的压力拟合曲线的误差范围小于0.01%,光纤光栅用于对压力的测量具有很高的线性度。 3 结论 光纤材料属于非金属,性质稳定,不会受到电磁干扰的影响,损耗小,测量精度高,同时体积小,安装灵活,耐腐蚀,可靠性好,很适合海洋的监测。本文提出的基于光纤光栅的海洋温深传感器,能高精度稳定地实现温度和压力的同时测量,且压力测量不受温度变化的影响,值得研究融入海洋监测系统。 参考文献 [1]潘洪亮,董惠娟,张广玉,等.分程式双灵敏度光纤光栅压力温度监测装置的研制[J].中国激光,2013,40(2):158-163. [2]蔡安,印新达,常晓东,等.具有温度补偿的膜片型光纤光栅温度压力传感器[J].传感器与微系统,2013,32(4):98-100. [3]何少灵,郝凤欢,刘鹏飞,等.温度实时补偿的高精度光纤光栅压力传感器[J].中国激光,2015,42(6):166-170. [4]徐元哲,马淑婧,张颖,等.新型封装的光纤光栅温度传感器的研究[J].东北电力大学学报,2012,32(4):83-86. 作者简介:吴路光,海南热带海洋学院。 徐元哲,海南热带海洋学院。 龙顺宇,海南热带海洋学院。 谢鑫刚,海南热带海洋学院。 |
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