拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂國濤，徐海東，龍永進(jìn)，婁 凱

（1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；2.中船集團(tuán)第七二六研究所，上海 201108）

0 引 言

21世紀(jì)被稱為“海洋的世紀(jì)”，海水溫度梯度數(shù)據(jù)是海洋調(diào)查、海洋開發(fā)和海洋研究中的重要參數(shù)，為此人們已開發(fā)設(shè)計(jì)了各種形式的海水溫度梯度測量儀器。拋棄式溫度剖面測量系統(tǒng)（Expendable Bathy Thermograph,XBT）是一種通過投放溫度測量探頭，在探頭的快速下降過程中感應(yīng)海水溫度從而測量海水溫度剖面的一次性測量設(shè)備[1]。和常見的溫鹽深測量設(shè)備（Conductivity Temperature Depth,CTD）相比，XBT在使用過程中無需絞車，成本低廉，在測量艦船漂泊或走航狀態(tài)下均可快速測得海水的溫度剖面，具有良好的實(shí)時(shí)性和便捷性，因此在海洋水文調(diào)查和海洋聲學(xué)考察中得到了廣泛的應(yīng)用。

由于供電和成本的原因，XBT通常不使用深度傳感器，深度信息是通過對(duì)探頭的外形設(shè)計(jì)，利用流體力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)的方法歸納出入水后的深度和時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。

將光纖光柵傳感器應(yīng)用于海洋溫深剖面測量的好處是顯而易見的。（1）溫度和深度測量都是通過光柵波長變化得到[2-4]，因此響應(yīng)時(shí)間比較短，對(duì)溫躍層的測量更精確；（2）可直接測量深度信息，而不是用經(jīng)驗(yàn)公式以時(shí)間計(jì)算，減小了深度誤差，也避免了探頭入水姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)測量結(jié)果的影響；（3）數(shù)據(jù)記錄終端無需為測量探頭供電，測量和數(shù)據(jù)傳輸都通過光通信完成，電磁兼容性極好，不易受到干擾。因此，開展將光纖光柵傳感器應(yīng)用到海洋溫深剖面測量的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文基于光柵溫度傳感器和光柵壓力傳感器對(duì)拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了性能測試和數(shù)據(jù)分析，為拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)的持續(xù)深入研究提供參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)主要由拋棄式光纖溫深探頭、光纖光柵高速解調(diào)儀[5]、接口和光纖傳感采集分析軟件組成。其中拋棄式光纖溫深探頭內(nèi)置光纖溫深傳感器，可實(shí)時(shí)測量所處環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)，測量信號(hào)通過光纖由光通信的方式經(jīng)接口傳入光纖光柵解調(diào)儀，經(jīng)解調(diào)后的溫深數(shù)據(jù)在分析軟件上實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.1 傳感器原理與設(shè)計(jì)

1.1.1 光纖光柵傳感器原理

光柵溫度傳感器和光柵壓力傳感器一般都是用布拉格光柵作為溫度和壓強(qiáng)敏感器件。布拉格光柵是一種沿光纖軸向折射率變化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其基本特性是以共振波長為中心的窄帶濾波器。

根據(jù)光纖光柵的耦合模理論，當(dāng)一束寬帶光入射到光纖光柵中時(shí)，折射率的周期性結(jié)構(gòu)使得某特定波長的窄帶光被反射，反射光的波長滿足 Bragg散射條件：

其中：λB為Bragg波長（即反射光的中心波長）；Λ為光柵周期；neff為光纖光柵的有效折射率；

由式（1）可知，光纖光柵反射光的中心波長λB（光纖光柵波長）主要取決于光柵周期Λ和有效折射率neff。當(dāng)光纖光柵感受到外界環(huán)境溫度T或應(yīng)變?chǔ)虐l(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光柵周期和有效折射率的變化，從而引起反射光波長的偏移[6]。因此，通過檢測光纖光柵反射光波長的變化，即可獲知外界溫度或應(yīng)變信息，這就是光纖光柵傳感器的基本原理，如圖2所示，圖中I表示光強(qiáng)。

1.1.2 光纖光柵溫深傳感器設(shè)計(jì)

布拉格光柵對(duì)溫度敏感，因此采用布拉格光纖光柵制作壓力傳感器時(shí)，不可避免會(huì)存在壓力與溫度交叉敏感問題，即在溫度變化的環(huán)境下，壓力傳感器中光纖光柵中心波長的變化不只包括由壓力敏感膜片形變帶來的波長變化，其中還摻入了由溫度變化所帶來的波長變化[7-9]。

在測量過程中，傳感器中的測壓光柵同時(shí)受溫度和壓力的影響，測溫光柵只受溫度影響，因此在光柵線性范圍內(nèi)，測壓光柵與測溫光柵的波長與壓強(qiáng)、溫度變化存在如下關(guān)系：

式中：λP和λT分別為測壓光柵和測溫光柵的波長，KP1為測壓光柵的壓力系數(shù)，KT1和KT2分別為測壓光柵和測溫光柵的溫度系數(shù)，P和T分別為環(huán)境的壓強(qiáng)和溫度。由式（3）可知，測得λT即可計(jì)算出環(huán)境的溫度。

將式（2）、（3）約去T，可得：

式（5）中λ與P正比。當(dāng)測得λ的值時(shí)，即可計(jì)算出環(huán)境的壓強(qiáng)。

圖1 拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of expendable fiber Bragg grating bathythermograph system

圖2 光纖光柵傳感原理圖與光譜圖Fig.2 Principle diagram of fiber grating sensor and optical spectrum

本文將光柵溫度傳感器與光柵壓力傳感器在小尺度范圍內(nèi)串聯(lián)，采用光纖金屬化激光焊接工藝和溫度實(shí)時(shí)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)封裝，對(duì)光柵溫度傳感器和光柵壓力傳感器分配不同的中心波長，如圖3所示，同時(shí)利用光柵溫度傳感器實(shí)時(shí)測量的溫度信號(hào)對(duì)光柵壓力傳感器提供溫度補(bǔ)償，以去除溫度變化對(duì)光柵壓力傳感器的影響，減小測量誤差，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一根光纖對(duì)溫度和壓強(qiáng)信號(hào)的同時(shí)獲取。將設(shè)計(jì)的光纖光柵溫深傳感器采集數(shù)據(jù)與進(jìn)口 CTD48M 和便攜液壓泵所測得的溫度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測量溫度誤差小于0.1 ℃，壓強(qiáng)誤差小于0.5%FS （FS表示滿量程）。

圖3 光纖光柵溫深傳感器光譜圖Fig.3 Optical spectrum of the fiber grating sensor

1.2 光纖溫深探頭設(shè)計(jì)

拋棄式光纖溫深探頭主要由光柵溫深傳感器、光纖、配重頭、姿態(tài)穩(wěn)定部件、光纖繞制骨架、殼體、接口等部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示（外部殼體未畫出）。一根光纖按長度比例繞在上下兩個(gè)光纖繞制骨架上。其中光柵溫深傳感器、配重頭、姿態(tài)穩(wěn)定部件和下線圈及部分光纖組裝成一體構(gòu)成了入水體，考慮在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探頭入水體整體結(jié)構(gòu)采用流線型和對(duì)稱性設(shè)計(jì)，重心在最下端的配重頭上，傳感器用結(jié)構(gòu)銷固定后再用環(huán)氧灌封，可耐800 m水深的壓力，可保證在水中運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。探頭入水體平時(shí)通過金屬銷固定在外部殼體上，進(jìn)行測量時(shí)拔掉金屬銷，探頭測量體墜入海中。海水不斷從配重頭頭部開口處進(jìn)入，從尾翼尾部開口處流出，光柵溫深傳感器實(shí)時(shí)測量所在位置的海水壓強(qiáng)和溫度。在測量的過程中上下兩個(gè)線圈同時(shí)雙向放線，下線圈光纖隨探頭下降有序放出，上線圈光纖自動(dòng)適應(yīng)船速有序放出，光柵溫深傳感器獲取所處位置的溫度和深度信息通過光纖以光通信的方式傳送至解調(diào)儀，經(jīng)光纖傳感采集分析軟件解析出實(shí)時(shí)溫度和深度數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)的走航測量。

圖4 光纖溫深探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of the fiber optical probe

1.3 光纖光柵高速解調(diào)儀

根據(jù)拋棄式光纖溫深儀研制項(xiàng)目需求并結(jié)合未來研究方向，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站與北京希卓公司合作開發(fā)了一套光纖光柵高速解調(diào)儀，適用于光纖光柵溫度、應(yīng)變、壓強(qiáng)、流量等多種類型的光纖光柵傳感器信號(hào)解調(diào)和傳感數(shù)據(jù)的采集[10]。解調(diào)儀采用220 V、50 Hz供電，功耗≤40 W，與計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，具有8個(gè)測量通道，掃描頻率范圍1～1 000 Hz，內(nèi)置校準(zhǔn)波長參考模塊，輸出光信號(hào)功率范圍為0～?20 dB，可探測的輸入光信號(hào)功率為?70 dB，波長測量范圍1 525～1 565 nm，波長分辨率為0.1 pm。

1.4 光纖繞制、熔接工藝

光纖的物理特性和傳統(tǒng)漆包線不同，比如硬度，可彎曲度等。一般光纖都外包防護(hù)套，直徑比較大，裸光纖直徑比較小但容易折斷，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，在裸光纖上覆蓋一層用紫外光固化的彈性涂料，裸光纖加涂覆層后既能保持較小的直徑，又不易折斷，且具有一定的抗拉能力，滿足拋棄式光纖溫深探頭的使用需求。光纖繞制完成后，在上下線圈各套用一個(gè)大小合適的彈性網(wǎng)，這樣繞制好的光纖既不會(huì)散開又不會(huì)影響放線。

光柵溫深傳感器與光纖端子之間通過一根長長的光纖相連，光纖溫深探頭通過光纖端子連接到解調(diào)儀。項(xiàng)目組采用藤倉62C+光纖熔接機(jī)，首先將光柵溫深傳感器固定后與光纖熔接，待光纖繞制完成后，再將光纖末端從上線圈穿出，與光纖端子附帶的光纖熔接。

2 系統(tǒng)測試結(jié)果

拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)開發(fā)完成后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了溫度測量和壓強(qiáng)測量測試。利用精密恒溫水槽提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境，將計(jì)量過的 CTD與光纖溫深探頭放置于恒溫水槽中，待溫度穩(wěn)定后，分別記錄CTD溫度測量值和光纖溫深探頭所測溫度數(shù)據(jù)，如圖5所示。以CTD測量值為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算溫度測量誤差，測試結(jié)果如表1所示。

圖5 探頭的溫度測量對(duì)比測試示意圖Fig.5 Comparative test for temperature measurement of the probe

表1 探頭的溫度測量數(shù)據(jù)表Table 1 Data sheet for temperature measurement of the probe

將壓力計(jì)（便攜式油壓泵）兩端分別與計(jì)量過的數(shù)字壓力表和光纖溫深探頭相連，分別記錄數(shù)字壓力表顯示的壓強(qiáng)數(shù)值和光纖溫深探頭所測壓強(qiáng)數(shù)值（環(huán)境溫度為20.0℃），如圖6所示，以數(shù)字壓力表顯示壓強(qiáng)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算測量誤差。

經(jīng)壓強(qiáng)與深度換算后，拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)深度測量結(jié)果如表2所示。

圖6 探頭的壓力測量對(duì)比測試示意圖Fig.6 Comparative test for pressure measurement of the probe

由測試結(jié)果可以看出，拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)溫度測量精度在±0.15℃范圍之內(nèi)，深度測量精度在±0.5%FS范圍之內(nèi)，與傳統(tǒng)拋棄式溫度剖面測量系統(tǒng)（XBT）相比，由于深度為光柵壓力傳感器直接測量獲得，而不是根據(jù)探頭在水中下降規(guī)律計(jì)算獲得，故深度測量精度有了較大的提高。

表2 探頭的深度測量測試表Table 2 Data sheet for depth measurement of the probe

3 結(jié) 論

本文基于光柵溫度傳感器和光柵壓力傳感器對(duì)拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，光纖溫深探頭采用流線型和對(duì)稱性的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探索了光纖表面處理方法和繞制工藝，并對(duì)設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了性能測試和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)拋棄式溫深測量設(shè)備相比，拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)深度測量精度有了較大的提高，為以后拋棄式光纖溫深儀系統(tǒng)的深入研究提供參考依據(jù)。