[发明专利]一种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统

说明书

技术领域

本发明属于海军反潜技术、海洋科考领域，主要是一种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统。

背景技术

国际上生产消耗性温深剖面测量系统Expendable profiling system的主要有美国、日本、意大利等国的多家公司。有代表性的是美国的Lockheed Martin公司的子公司Sippican的产品，其T4、T7两型消耗性温度探头广泛应用于海军反潜战、国际海洋科考等领域。该公司研制消耗性温深剖面测量系统已有近五十年的历史，技术成熟。其生产的一次性温度探头采用热敏电阻作为测温器件，缺陷是探头所处深度是通过探头的下降时间估算的，而非精确测量的结果。其经验公式为：

H＝A*t+B*t²

式中H为探头所处深度，t为探头下降速度，A、B是与探头质量、放线阻力等因素相关的参数。

国内有与该公司产品相似的消耗性温深剖面测量产品研发成功，也采用热敏电阻作为敏感元件，漆包线作为信号线。由于估算探头深度的经验公式需积累大量测试数据进行修正，所以测量精度在短期内难以达到国外同类产品的水平。同时消耗性探头采用的超细漆包线成本居高不下，制约了该产品的实际应用。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种同时准确测量海水温度、深度参数的采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统，其消耗性探头可以在行驶中的舰船或飞行器上方便地大量投放，成本较低，具有实用价值。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种采用光纤光栅传感器的消耗性温深剖面测量系统，包括消耗性探头、发射器和解调记录单元，所述消耗性探头包括上光纤卷和入水探头，入水探头是由入水探头头部及尾翼构成的流线形外壳内组装下光纤卷、传感器组件构成；解调记录单元包括宽带光源、FP滤波器、光电转换模块、信号处理模块和电源模块；入水探头和解调记录单元之间采用光纤作为信号传输线，可以通过一根光纤传输多路信号，并且传输距离可长达数十公里而信号损失较小。入水探头采用双光纤卷绕制光纤，下光纤卷和上光纤卷的光纤绕制方向相反，入水探头在水中下降时两个光纤卷同时放出光纤，避免入水探头下降过程中光纤受到的拉力、扭力过大造成光纤折断等问题。消耗性探头外形为一个圆柱体，上光纤卷的芯轴A与探头筒的螺纹连接，下光纤卷通过其芯轴B与入水探头头部螺纹连接；在入水探头的内腔固定有光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器，光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器由光纤串联到下光纤卷的一端，下光纤卷的光纤另一端穿过入水探头的尾翼的内腔与上光纤卷的光纤相连，上光纤卷的光纤另一端通过发射器连接到解调记录单元。

光纤光栅温度传感器中的光纤光栅封装于高温度膨胀系数的聚合物胶内，光纤光栅A外的包层上设置有散热薄叶片。对光纤光栅温度传感器进行增敏设计，将光纤光栅A封装于高温度膨胀系数的聚合物胶内，使光纤光栅温度传感器的测量精度提高到±0.1℃以上。对光纤光栅温度传感器进行提高响应速度设计，将光纤光栅A进行减薄包层处理，减小光纤光栅A本身的热容量；同时采用散热薄叶片的封装结构，增加光纤光栅温度传感器表面的体积和面积比，加快光纤光栅温度传感器与海水热交换速度，使响应速度不大于100ms。

对光纤光栅压力传感器进行增敏设计，对光纤光栅压力传感器中设置有向光纤光栅B施加一轴向拉力的采用高膨胀系数的弹性片，通过温度系数小的环氧胶对弹性片进行固定。采用高膨胀系数的不锈钢弹性片向光纤光栅B施加一轴向拉力，对弹性片采用温度系数小的环氧胶进行固定，提高光纤光栅压力传感器可靠性和稳定性。

本发明有益的效果是：

(1)采用光纤光栅传感器作为敏感元件，由于光信号可以实现波分复用，所以在消耗性探头内可以集成多路传感器，同时产生随温度、压力等应力变化的波长信号，经解调、计算得出温度、压力等参数的测量值，避免了估算探头深度带来的测量误差。

(2)采用光纤作为信号传输线，可以通过一根光纤传输多路信号，并且传感器和解调仪之间光纤距离可长达数十公里而信号几乎无损失。信号传输的成本降低，从而降低消耗性测量探头的成本。

(3)探头采用双光纤卷绕制光纤，避免了探头下降过程中光纤扭力过大造成光纤折断等问题，可以在驶中的舰船或飞行器上进行投放，从而可以快速地进行大范围的海洋温度剖面测量；入水探头的流体动力特性设计保证探头匀速下降，避免探头下降过快造成的测量误差。

附图说明

图1采用光纤光栅传感器的消耗性剖面测量系统的工作原理框图。

图2解调记录单元的工作原理框图。

图3消耗性探头结构图。