測量海水深度的光纖布拉格光柵( FBG) 壓力傳感器

為滿足海洋溫深剖面連續(xù)拖曳測量的要求，測量海水深度的光纖布拉格光柵( FBG) 壓力傳感器是利用 FBG 溫補(bǔ)傳感器來解決交叉敏感問題。由于二者對溫度響應(yīng)時(shí)間不一致，導(dǎo)致在中尺度旋渦、鋒面等溫度驟變海域測試海水壓力時(shí)有所偏差。針對這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了一種新型的雙光纖光柵壓力傳感器，通過在壓力傳感器的中心和邊緣各封裝溫補(bǔ)和壓力光纖光柵( 邊緣光柵不接觸彈性膜片，僅受溫度影響) ，使其對溫度響應(yīng)特性接近一致。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明: 傳感器的溫補(bǔ)和壓力光纖光柵對溫度響應(yīng)時(shí)間分別是 1.45 s 和1.52s，響應(yīng)一致性好。通過海試驗(yàn)證，F(xiàn)BG 壓力傳感器與參考壓力傳感器 ALEC—TD 的相關(guān)系數(shù)高達(dá) 0.9906，基本消除溫度響應(yīng)不一致導(dǎo)致的測量誤差，能夠達(dá)到準(zhǔn)確測量壓力的目的。

海水溫深是海洋環(huán)境監(jiān)測中重要的參數(shù)獲取該參數(shù)常受環(huán)境因素變化的影響，要想獲得海水中各種冷水團(tuán)及中尺度旋渦的溫深剖面信息，傳統(tǒng)使用的投棄式溫度剖面測 量 儀 XBT，由 于 其 傳 感 探 頭 存 在 漏 水 漏 電 的 風(fēng)險(xiǎn)，深度數(shù)據(jù)也容易受海底浪流和溫度變化的影響，計(jì)算誤差較大。而船載拖曳式光纖光柵傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、體積小、本征絕緣及連續(xù)測量和多傳感分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確、細(xì)致刻畫冷水團(tuán)及中尺度旋渦的溫深剖面信息，適合在海洋環(huán)境中的應(yīng)用。

北黃海區(qū)域進(jìn)行了光纖布拉格光柵( fiber Bragg fiber，F(xiàn)BG) 壓力和溫度傳感器拖曳試驗(yàn)研究，并完成 FBG 壓力傳感器和參考壓力傳感器亞力克( ALEC) 的比對測試。通過數(shù)據(jù)的擬合處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn): 當(dāng)在中尺度旋渦、鋒面等溫度驟變海域溫度突然發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)BG 壓力傳感器與參考壓力傳感器 ALEC 的測量偏差會(huì)立即增大，而當(dāng)溫度變化不明顯時(shí)，卻無上述現(xiàn)象。分析原因是由于 FBG 壓力傳感器和 FBG 溫度傳感器對溫度的響應(yīng)時(shí)間不一致，導(dǎo)致 FBG 壓力傳感器測量誤差的產(chǎn)生。

針對傳感器對溫度響應(yīng)不一致的問題，本文主要從3 個(gè)方面進(jìn)行研究:

1) 設(shè)計(jì)出一種新型的雙光纖光柵壓力傳感器，把溫補(bǔ)和壓力光纖光柵平行封裝在傳感器邊緣和中心位置，使它們受到溫度影響一致;

2) 將封裝好的傳感器進(jìn)行溫度和壓力靈敏度標(biāo)定，便于確定傳感器溫度補(bǔ)償后的壓力系數(shù);

3) 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對傳感器進(jìn)行溫度響應(yīng)時(shí)間測試，并通過海試驗(yàn)證，使其與參考壓力傳感器 ALEC 進(jìn)行比測，來驗(yàn)證其溫度響應(yīng)是否一致。

傳感器的設(shè)計(jì)和封裝

為了滿足高靈敏度、耐水壓和響應(yīng)特性等相關(guān)要求，新型雙 FBG 壓力傳感器采用膜片式的結(jié)構(gòu)增敏技術(shù)。相比傳統(tǒng)封裝方法，存在穩(wěn)定性欠佳、不適合動(dòng)態(tài)測量、高溫容易老化及不易串接等缺點(diǎn)］，膜片式封裝在大量程和高靈敏度實(shí)現(xiàn)上有著良好效果，可以用于動(dòng)態(tài)拖曳測量。雙FBG 壓力傳感器上采用金屬化處理后的光纖光柵，利用激光焊接將它們并行焊接在膜片中心位置和邊緣位置上( 溫補(bǔ)光纖光柵不接觸膜片，只焊接在基座上) 。

光纖光柵傳感器示意與實(shí)物

理論計(jì)算經(jīng)過特殊的封裝，F(xiàn)BG 壓力傳感器的熱光系數(shù)并沒有發(fā)生變化，其熱膨脹導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生了變化。封裝之后溫度和波長的關(guān)系為ΔλB= λB［α + ξ + ( 1 － Pe) ( αsub－ α) ］ΔT ( 1)

而 FBG 壓力傳感器將水壓變化量轉(zhuǎn)換為 FBG 軸向應(yīng)變，通過檢測相應(yīng)的波長變化，還原海水壓強(qiáng)信號的信息。

FBG 諧振波長的改變與光纖軸向應(yīng)變 εf的關(guān)系為［11］Δλ = ( 1 － Pe) λBεf( 2)

式中 λB為諧振波長，Pe為光纖的彈光系數(shù)。

假設(shè)不破壞其中熱平衡，膜片式圓筒封裝的傳感器其管壁的溫度分布均勻，溫度對時(shí)間的微分方程為［10］d Tdt=ΓA( Tf－ T)Vcpρ( 3)

式中 Tf為環(huán)境溫度，T 為金屬管壁溫度，Γ 為水與金屬表面的換熱系數(shù)，A 為金屬膜片管的表面積，ρ，cp，V 分別為金屬外殼管的密度、比熱容和體積。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3． 1 傳感器溫度測試

FBG 傳感器實(shí)驗(yàn)裝置為確定 FBG 壓力傳感器對溫度的敏感程度，對封裝好的傳感器進(jìn)行溫度靈敏度標(biāo)定。標(biāo)定是在恒溫水浴槽內(nèi)進(jìn)行，通過選用 SBE56 來作為參考溫度傳感器。在 2 ～ 35 ℃區(qū)間上選擇 8 個(gè)溫度點(diǎn)，并確定每個(gè)溫度點(diǎn)上的穩(wěn)定時(shí)間不低于 1 h，取各個(gè)穩(wěn)定溫度點(diǎn) 2 min 的平均數(shù)，來確定溫度和波長變化的對應(yīng)關(guān)系，通過用 Origin 數(shù)據(jù)處理軟件的二次擬合得到圖 3，其雙 FBG 壓力傳感器的溫補(bǔ)和壓力光纖光柵溫度靈敏度分別為 29． 11，28． 80 pm/℃ ，擬合線性度Ｒ2均為 0． 999 99。

溫度—波長二次擬合曲線

3． 2 傳感器壓力測試

3． 2． 1 傳感器溫補(bǔ)光纖光柵耐壓測試為了驗(yàn)證傳感器溫補(bǔ)光纖光柵的中心波長是否受到外界壓力的影響，在實(shí)驗(yàn)室對傳感器進(jìn)行壓力標(biāo)定測試。實(shí)驗(yàn)中，使用壓力罐進(jìn)行壓力標(biāo)定，SBE56 溫度傳感器作為參考溫度，共選取 9 個(gè)壓力點(diǎn)分別進(jìn)行加壓和減壓測試，壓力范圍 0 ～ 0． 8 MPa，每次升高 0． 1 MPa。

可以看出: 去掉溫度變化的影響后，傳感器的溫補(bǔ)光纖光柵在 0 ～ 0． 8 MPa 的壓力范圍內(nèi)，其中心波長僅漂移了0． 01 pm，而溫補(bǔ)傳感光纖光柵不在膜片上，是由于參考傳感器 SBE56 的測量誤差才造成的，確定溫補(bǔ)光纖光柵不受外界壓力的影響。對 2 只傳感器的溫度補(bǔ)償光纖進(jìn)行耐壓測試。

傳感器壓力標(biāo)定測試由于傳感器的壓力和溫補(bǔ)光纖光柵都并行封裝在傳感器上，在不受壓力的情況下，它們的中心波長受溫度影響變壓力傳感器中溫度補(bǔ)償光纖光柵的耐壓測試化量是一致的。因此，當(dāng)受外界壓力時(shí)，傳感器可以通過自身的溫補(bǔ)光纖光柵中心波長變化量，來對壓力光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

為了確定壓力傳感器靈敏度，即所測壓力值與溫補(bǔ)過的壓力光纖光柵中心波長的對應(yīng)關(guān)系，需要進(jìn)行壓力標(biāo)定測試，加壓過程和上述一樣。通過 Origin 數(shù)據(jù)處理軟件擬合表明: 靈敏度達(dá) 959． 017 pm/MPa，其線性擬合度 Ｒ2為 0． 999 9，重復(fù)性好，適用于較高海水壓力測量。

FBG 壓力傳感器的波長—壓力二次擬合曲線一般用于海洋測試的 FBG 壓力傳感器，1 MPa 對應(yīng)海水深度大約為 100 m。當(dāng) FBG 壓力傳感器沒有進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，其 環(huán) 境 溫 度 每 變 化 1℃ ，其 自 身 波 長 漂 移 量 為28． 80 pm，F(xiàn)BG 壓力傳感器靈敏度為 959 pm / MPa，相應(yīng)壓力變化為 0． 030 MPa，深度誤差可達(dá)到 3． 0 m。因此，在壓力測量過程中，為減小測量誤差，對 FBG 壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確溫度補(bǔ)償是極其必要的，解決響應(yīng)時(shí)間不一致問題則是本文主要研究目的。

傳感器溫度響應(yīng)時(shí)間測試將 FBG 壓力及其溫補(bǔ)傳感器從冷水槽迅速移至高溫水浴槽，通過溫度解調(diào)儀來實(shí)時(shí)監(jiān)測其溫度變化量。根據(jù)溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)的方法，響應(yīng)時(shí)間即達(dá)到穩(wěn)定溫度所需時(shí)間的 63． 2 % 。如圖 6 所示，傳感器的溫補(bǔ)光纖的響應(yīng)時(shí)間為 1． 45 s，而壓力光纖的響應(yīng)時(shí)間為 1． 52 s，它們之間響應(yīng)時(shí)間差為 0． 07 s，基本接近一致。表明: 新設(shè)計(jì)的雙光纖光柵壓力傳感器的溫度響應(yīng)特性良好，基本消除了傳感器響應(yīng)不一致而帶來傳感器測量誤差的影響。

海試驗(yàn)證在 2017 年 7 月，在黃海海域進(jìn)行拖曳實(shí)驗(yàn)后，通過Original數(shù)據(jù)處理軟件得到圖 7，傳感器的溫補(bǔ)光纖光柵和壓力光纖光柵對溫度響應(yīng)時(shí)間一致，即使在溫度突然變化圖 6 FBG 壓力傳感器溫度響應(yīng)時(shí)間情況下，也能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確為 FBG 壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度響應(yīng)不一致帶來測量誤差影響已經(jīng)基本消除，傳感器和 ALEC 之間相關(guān)性系數(shù)高達(dá) 0． 990 6。

FBG 壓力傳感器和 ALEC 的數(shù)據(jù)曲線

本文針對 FBG 壓力及其溫補(bǔ)傳感器的溫度響應(yīng)不一致問題進(jìn)行了研究。通過新設(shè)計(jì)封裝的雙光纖光柵壓力傳感器，使溫度響應(yīng)時(shí)間接近一致。先對傳感器進(jìn)行溫度和壓力靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，確定傳感器溫度補(bǔ)償后的壓力系數(shù)。

經(jīng)過響應(yīng)時(shí)間測試，傳感器的溫補(bǔ)光纖光柵和壓力光纖光柵對溫度響應(yīng)時(shí)間分別為 1． 45 s 和 1． 52 s。通過海試驗(yàn)證，傳感器對溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性良好，基本消除壓力傳感器的應(yīng)變—溫度交叉敏感問題所帶來影響。滿足海洋溫深剖面測量的要求，對于海洋環(huán)境的研究有著重要意義。