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测量海水深度的光纤布拉格光栅( FBG) 压力传感器

为满足海洋温深剖面连续拖曳测量的要求,测量海水深度的光纤布拉格光栅( FBG) 压力传感器是利用 FBG 温补传感器来解决交叉敏感问题。由于二者对温度响应时间不一致,导致在中尺度旋涡、锋面等温度骤变海域测试海水压力时有所偏差。针对这一现象,设计出了一种新型的双光纤光栅压力传感器,通过在压力传感器的中心和边缘各封装温补和压力光纤光栅( 边缘光栅不接触弹性膜片,仅受温度影响) ,使其对温度响应特性接近一致。实验测试结果表明: 传感器的温补和压力光纤光栅对温度响应时间分别是 1.45 s 和1.52s,响应一致性好。通过海试验证,FBG 压力传感器与参考压力传感器 ALEC—TD 的相关系数高达 0.9906,基本消除温度响应不一致导致的测量误差,能够达到准确测量压力的目的。

海水温深是海洋环境监测中重要的参数获取该参数常受环境因素变化的影响,要想获得海水中各种冷水团及中尺度旋涡的温深剖面信息,传统使用的投弃式温度剖面测 量 仪 XBT,由 于 其 传 感 探 头 存 在 漏 水 漏 电 的 风险,深度数据也容易受海底浪流和温度变化的影响,计算误差较大。而船载拖曳式光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高、体积小、本征绝缘及连续测量和多传感分布式测量等优点,能够准确、细致刻画冷水团及中尺度旋涡的温深剖面信息,适合在海洋环境中的应用。

北黄海区域进行了光纤布拉格光栅( fiber Bragg fiber,FBG) 压力和温度传感器拖曳试验研究,并完成 FBG 压力传感器和参考压力传感器亚力克( ALEC) 的比对测试。通过数据的拟合处理,结果发现: 当在中尺度旋涡、锋面等温度骤变海域温度突然发生变化时,FBG 压力传感器与参考压力传感器 ALEC 的测量偏差会马上增大,而当温度变化不明显时,却无上述现象。分析原因是由于 FBG 压力传感器和 FBG 温度传感器对温度的响应时间不一致,导致 FBG 压力传感器测量误差的产生。

针对传感器对温度响应不一致的问题,本文主要从3 个方面进行研究:

1) 设计出一种新型的双光纤光栅压力传感器,把温补和压力光纤光栅平行封装在传感器边缘和中心位置,使它们受到温度影响一致;

2) 将封装好的传感器进行温度和压力灵敏度标定,便于确定传感器温度补偿后的压力系数;

3) 在实验室内对传感器进行温度响应时间测试,并通过海试验证,使其与参考压力传感器 ALEC 进行比测,来验证其温度响应是否一致。

传感器的设计和封装

为了满足高灵敏度、耐水压和响应特性等相关要求,新型双 FBG 压力传感器采用膜片式的结构增敏技术。相比传统封装方法,存在稳定性欠佳、不适合动态测量、高温容易老化及不易串接等缺点],膜片式封装在大量程和高灵敏度实现上有着良好效果,可以用于动态拖曳测量。双FBG 压力传感器上采用金属化处理后的光纤光栅,利用激光焊接将它们并行焊接在膜片中心位置和边缘位置上( 温补光纤光栅不接触膜片,只焊接在基座上) 。

光纤光栅传感器示意与实物

理论计算经过特殊的封装,FBG 压力传感器的热光系数并没有发生变化,其热膨胀导致应力发生了变化。封装之后温度和波长的关系为ΔλB= λB[α + ξ + ( 1 - Pe) ( αsub- α) ]ΔT ( 1)

而 FBG 压力传感器将水压变化量转换为 FBG 轴向应变,通过检测相应的波长变化,还原海水压强信号的信息。

FBG 谐振波长的改变与光纤轴向应变 εf的关系为[11]Δλ = ( 1 - Pe) λBεf( 2)

式中 λB为谐振波长,Pe为光纤的弹光系数。

假设不破坏其中热平衡,膜片式圆筒封装的传感器其管壁的温度分布均匀,温度对时间的微分方程为[10]d Tdt=ΓA( Tf- T)Vcpρ( 3)

式中 Tf为环境温度,T 为金属管壁温度,Γ 为水与金属表面的换热系数,A 为金属膜片管的表面积,ρ,cp,V 分别为金属外壳管的密度、比热容和体积。

3 实验测试

3. 1 传感器温度测试

FBG 传感器实验装置为确定 FBG 压力传感器对温度的敏感程度,对封装好的传感器进行温度灵敏度标定。标定是在恒温水浴槽内进行,通过选用 SBE56 来作为参考温度传感器。在 2 ~ 35 ℃区间上选择 8 个温度点,并确定每个温度点上的稳定时间不低于 1 h,取各个稳定温度点 2 min 的平均数,来确定温度和波长变化的对应关系,通过用 Origin 数据处理App的二次拟合得到图 3,其双 FBG 压力传感器的温补和压力光纤光栅温度灵敏度分别为 29. 11,28. 80 pm/℃ ,拟合线性度R2均为 0. 999 99。

温度—波长二次拟合曲线

3. 2 传感器压力测试

3. 2. 1 传感器温补光纤光栅耐压测试为了验证传感器温补光纤光栅的中心波长是否受到外界压力的影响,在实验室对传感器进行压力标定测试。实验中,使用压力罐进行压力标定,SBE56 温度传感器作为参考温度,共选取 9 个压力点分别进行加压和减压测试,压力范围 0 ~ 0. 8 MPa,每次升高 0. 1 MPa。

可以看出: 去掉温度变化的影响后,传感器的温补光纤光栅在 0 ~ 0. 8 MPa 的压力范围内,其中心波长仅漂移了0. 01 pm,而温补传感光纤光栅不在膜片上,是由于参考传感器 SBE56 的测量误差才造成的,确定温补光纤光栅不受外界压力的影响。对 2 只传感器的温度补偿光纤进行耐压测试。

传感器压力标定测试由于传感器的压力和温补光纤光栅都并行封装在传感器上,在不受压力的情况下,它们的中心波长受温度影响变压力传感器中温度补偿光纤光栅的耐压测试化量是一致的。因此,当受外界压力时,传感器可以通过自身的温补光纤光栅中心波长变化量,来对压力光纤光栅进行温度补偿。

为了确定压力传感器灵敏度,即所测压力值与温补过的压力光纤光栅中心波长的对应关系,需要进行压力标定测试,加压过程和上述一样。通过 Origin 数据处理App拟合表明: 灵敏度达 959. 017 pm/MPa,其线性拟合度 R2为 0. 999 9,重复性好,适用于较高海水压力测量。

FBG 压力传感器的波长—压力二次拟合曲线一般用于海洋测试的 FBG 压力传感器,1 MPa 对应海水深度大约为 100 m。当 FBG 压力传感器没有进行温度补偿时,其 环 境 温 度 每 变 化 1℃ ,其 自 身 波 长 漂 移 量 为28. 80 pm,FBG 压力传感器灵敏度为 959 pm / MPa,相应压力变化为 0. 030 MPa,深度误差可达到 3. 0 m。因此,在压力测量过程中,为减小测量误差,对 FBG 压力传感器进行实时准确温度补偿是极其必要的,解决响应时间不一致问题则是本文主要研究目的。

传感器温度响应时间测试将 FBG 压力及其温补传感器从冷水槽迅速移至高温水浴槽,通过温度解调仪来实时监测其温度变化量。根据温度传感器动态响应校准的方法,响应时间即达到稳定温度所需时间的 63. 2 % 。如图 6 所示,传感器的温补光纤的响应时间为 1. 45 s,而压力光纤的响应时间为 1. 52 s,它们之间响应时间差为 0. 07 s,基本接近一致。表明: 新设计的双光纤光栅压力传感器的温度响应特性良好,基本消除了传感器响应不一致而带来传感器测量误差的影响。

海试验证在 2017 年 7 月,在黄海海域进行拖曳实验后,通过Original数据处理App得到图 7,传感器的温补光纤光栅和压力光纤光栅对温度响应时间一致,即使在温度突然变化图 6 FBG 压力传感器温度响应时间情况下,也能实时准确为 FBG 压力传感器进行温度补偿,温度响应不一致带来测量误差影响已经基本消除,传感器和 ALEC 之间相关性系数高达 0. 990 6。

FBG 压力传感器和 ALEC 的数据曲线

本文针对 FBG 压力及其温补传感器的温度响应不一致问题进行了研究。通过新设计封装的双光纤光栅压力传感器,使温度响应时间接近一致。先对传感器进行温度和压力灵敏度进行标定,确定传感器温度补偿后的压力系数。

经过响应时间测试,传感器的温补光纤光栅和压力光纤光栅对温度响应时间分别为 1. 45 s 和 1. 52 s。通过海试验证,传感器对温度动态响应特性良好,基本消除压力传感器的应变—温度交叉敏感问题所带来影响。满足海洋温深剖面测量的要求,对于海洋环境的研究有着重要意义。

关键词:

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