Faser-Bragg-Gitter (FBG) Drucksensor zur Messung der Meerwassertiefe-INNO

Um den Anforderungen einer kontinuierlichen Widerstandsmessung von Meerestemperatur- und Tiefenprofilen gerecht zu werden, das Faser-Bragg-Gitter (FBG) Der Drucksensor zur Messung der Meerwassertiefe nutzt FBG-Temperaturkompensationssensoren, um das Problem der Querempfindlichkeit zu lösen. Aufgrund der Inkonsistenz der Temperaturreaktionszeit zwischen beiden, Es gibt Abweichungen bei der Prüfung des Meerwasserdrucks in Gebieten mit Temperaturschwankungen wie mesoskaligen Wirbeln und Fronten. Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, wurde ein neuer Typ eines Doppelfaser-Bragg-Gitter-Drucksensors entwickelt. Durch die Einkapselung von Temperaturkompensations- und Druckfaser-Bragg-Gittern in der Mitte und am Rand des Drucksensors (Das Randgitter berührt die elastische Membran nicht und wird nur durch die Temperatur beeinflusst), seine Temperaturreaktionseigenschaften sind nahezu konsistent. Die experimentellen Testergebnisse zeigen, dass die Temperaturkompensation und das Druckfaser-Bragg-Gitter des Sensors eine Temperaturreaktionszeit von haben 1.45 s und 1.52 S, jeweils, mit guter Konstanz in der Reaktion. Durch Probefahrten, Es wurde bestätigt, dass der Korrelationskoeffizient zwischen dem FBG-Drucksensor und dem Referenzdrucksensor ALEC-TD so hoch ist wie 0.9906, Dadurch werden Messfehler, die durch inkonsistente Temperaturreaktionen verursacht werden, grundsätzlich eliminiert und eine genaue Druckmessung erreicht.

Temperatur und Tiefe des Meerwassers sind wichtige Parameter bei der Überwachung der Meeresumwelt. Die Erfassung dieses Parameters wird häufig durch Änderungen der Umweltfaktoren beeinflusst. Um die Temperatur- und Tiefenprofilinformationen verschiedener Kaltwassermassen und mesoskaliger Wirbel im Meerwasser zu erhalten, Das traditionell aufgegebene Temperaturprofilmessgerät XBT ist anfällig für Berechnungsfehler, da die Gefahr von Wasserlecks und Undichtigkeiten in seiner Messsonde besteht, und die Tiefendaten werden auch leicht durch Meeresbodenwellen und Temperaturänderungen beeinflusst. Der von Schiffen getragene faseroptische Gittersensor bietet Vorteile wie eine starke Entstörungsfähigkeit, hohe empfindlichkeit, kleine Größe, Eigenisolierung, kontinuierliche Messung, und verteilte Multisensor-Messung. Es kann die Temperatur- und Tiefenprofilinformationen von Kaltwassermassen und mesoskaligen Wirbeln genau und akribisch darstellen, Dadurch eignet es sich für den Einsatz in Meeresumgebungen.

Wir haben Widerstandstests an Faser-Bragg-Gittern durchgeführt (FBG) Druck- und Temperatursensoren in der Region des nördlichen Gelben Meeres, und abgeschlossene Vergleichstests zwischen FBG-Drucksensoren und Referenzdrucksensoren ALEC. Durch Datenanpassungsverarbeitung, Es wurde festgestellt, dass es bei plötzlichen Temperaturänderungen in Meeresgebieten zu mesoskaligen Wirbeln und Fronten kommt, Die Messabweichung zwischen dem FBG-Drucksensor und dem Referenzdrucksensor ALEC nimmt sofort zu. Jedoch, wenn die Temperaturänderung nicht signifikant ist, es gibt kein solches Phänomen. Der Grund für die Analyse ist, dass die Reaktionszeit des FBG-Drucksensors und des FBG-Temperatursensors auf die Temperatur inkonsistent ist, Dies führt zu Messfehlern des FBG-Drucksensors.

Als Reaktion auf das Problem der inkonsistenten Temperaturreaktion von Sensoren, In diesem Artikel werden hauptsächlich drei Aspekte untersucht:

1) Entwerfen Sie einen neuen Typ eines Doppelfaser-Bragg-Gitter-Drucksensors, Kapselung der Temperaturkompensations- und Druckfaser-Bragg-Gitter parallel zum Rand und zur Mitte des Sensors, so dass sie gleichmäßig von der Temperatur beeinflusst werden;

2) Kalibrieren Sie die Temperatur- und Druckempfindlichkeit des verpackten Sensors, um den Druckkoeffizienten nach der Temperaturkompensation zu bestimmen;

3) Führen Sie Temperatur-Reaktionszeittests am Sensor im Labor durch und überprüfen Sie seine Übereinstimmung mit dem Referenzdrucksensor ALEC durch Seeversuche.

Design und Verpackung von Sensoren

Um den Anforderungen einer hohen Empfindlichkeit gerecht zu werden, Wasserdruckbeständigkeit, und Antworteigenschaften, Der neue Dual-FBG-Drucksensor nutzt eine Sensibilisierungstechnologie mit Membranstruktur. Im Vergleich zu herkömmlichen Verpackungsmethoden, Membranverpackungen haben Nachteile wie eine schlechte Stabilität, für dynamische Messungen ungeeignet, leichte Alterung bei hohen Temperaturen, und Schwierigkeiten bei der seriellen Verbindung. Jedoch, Membranverpackungen bieten eine gute Leistung bei der Erzielung einer großen Reichweite und einer hohen Empfindlichkeit, und kann zur dynamischen Widerstandsmessung verwendet werden. Der duale FBG-Drucksensor verwendet metallisierte Faser-Bragg-Gitter, die mittels Laserschweißen parallel zur Mittel- und Randlage der Membran verschweißt werden (Temperaturkompensierte Faser-Bragg-Gitter berühren die Membran nicht, nur mit der Basis verschweißt).

Schematische und physikalische Darstellung faseroptischer Gittersensoren

Nach spezieller Verpackung, Der thermisch-optische Koeffizient des FBG-Drucksensors änderte sich in theoretischen Berechnungen nicht, aber seine thermische Ausdehnung verursachte eine Spannungsänderung. Die Beziehung zwischen Temperatur und Wellenlänge nach dem Verpacken beträgt Δλ B= λ B [ A + X + (1-Pe)(α Sub – A) ~D T (1)

Der FBG-Drucksensor wandelt die Änderung des Wasserdrucks in eine axiale FBG-Dehnung um, und stellt die Informationen des Meerwasserdrucksignals wieder her, indem es die entsprechende Wellenlängenänderung erkennt.

Änderungen der Resonanzwellenlänge von FBG und der axialen Dehnung optischer Fasern ε Die Beziehung von f ist [11] Dl = (1-Pe) λ B e F (2)

In der Formel ist λ B die Resonanzwellenlänge, und Pe ist der elastische optische Koeffizient der Faser.

Vorausgesetzt, dass das thermische Gleichgewicht nicht gestört ist, Die Temperaturverteilung an der Rohrwand des mit einem Membranzylinder verpackten Sensors ist gleichmäßig, und die Differentialgleichung der Temperatur über der Zeit ist [10] d Tdt= Γ A (Tf-T) Vcp ρ (3)

In der Formel, Tf ist die Umgebungstemperatur, und T ist die Temperatur der Metallrohrwand, Γ Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Wasser und Metalloberfläche, Dabei ist A die Oberfläche des Metallmembranrohrs, R， Cp und V sind die Dichte, spezifische Wärmekapazität, und Volumen des Metallmantelrohrs, jeweils.

3 Experimentelle Tests

3.1 Prüfung der Sensortemperatur

Der Versuchsaufbau des FBG-Sensors wird verwendet, um die Empfindlichkeit des FBG-Drucksensors gegenüber der Temperatur zu bestimmen, und die Temperaturempfindlichkeitskalibrierung wird am verpackten Sensor durchgeführt. Die Kalibrierung erfolgt in einem Wasserbad mit konstanter Temperatur, Verwendung von SBE56 als Referenztemperatursensor. Wählen 8 Temperaturpunkte im Bereich von 2-35 ℃, und stellen Sie sicher, dass die stabile Zeit an jedem Temperaturpunkt nicht weniger als beträgt 1 Stunde. Nehmen Sie den Durchschnitt jedes stabilen Temperaturpunkts für 2 Minuten, um den entsprechenden Zusammenhang zwischen Temperatur- und Wellenlängenänderungen zu bestimmen. Figur 3 wird durch quadratische Anpassung mit der Datenverarbeitungssoftware Origin erhalten. Die Temperaturkompensation und die Temperaturempfindlichkeit des Druckfaser-Bragg-Gitters des dualen FBG-Drucksensors sind 29.11 Und 28.80 Uhr/℃, jeweils, und die passende Linearität R2 ist 0.999 99 99.

Quadratische Anpassungskurve der Temperaturwellenlänge

3.2 Sensordruckprüfung

3.2.1 Temperaturkompensierter Faser-Bragg-Gitter-Spannungsfestigkeitstest des Sensors. Um zu überprüfen, ob die Mittenwellenlänge des temperaturkompensierten Faser-Bragg-Gitters des Sensors durch externen Druck beeinflusst wird, Im Labor werden am Sensor Druckkalibrierungstests durchgeführt. Im Experiment, Zur Druckkalibrierung wurde ein Druckbehälter verwendet, Als Referenztemperatur wurde der Temperatursensor SBE56 verwendet. Insgesamt 9 Für Druck- und Druckreduzierungstests wurden Druckpunkte ausgewählt, mit einem Druckbereich von 0-0.8 MPa und jede Erhöhung von 0.1 MPa.

Es ist ersichtlich, dass nach Entfernung des Einflusses von Temperaturänderungen, Das temperaturkompensierte faseroptische Gitter des Sensors liegt im Druckbereich von 0-0.8 MPa, mit einer Herzwellenlängendrift von nur 0.01 Uhr. Das temperaturkompensierte faseroptische Sensorgitter befindet sich nicht auf der Membran, was durch den Messfehler des Referenzsensors SBE56 verursacht wird. Es wurde festgestellt, dass das temperaturkompensierte Glasfasergitter nicht durch äußeren Druck beeinflusst wird. Führen Sie einen Spannungsfestigkeitstest an den optischen Fasern zur Temperaturkompensation von zwei Sensoren durch.

Kalibrierungstest für den Sensordruck: Durch die parallele Verpackung des druck- und temperaturkompensierten Faser-Bragg-Gitters des Sensors auf dem Sensor, Ihre Zentralwellenlängen werden durch die Temperatur beeinflusst, ohne dass sie einem Druck ausgesetzt sind. Die Druckfestigkeitsprüfung des temperaturkompensierten Faser-Bragg-Gitters im Drucksensor ist konsistent. daher, wenn es äußerem Druck ausgesetzt wird, Der Sensor kann die Temperatur des Druckfaser-Bragg-Gitters durch die Änderung der Mittenwellenlänge seines eigenen temperaturkompensierten Faser-Bragg-Gitters kompensieren.

Um die Empfindlichkeit des Drucksensors zu bestimmen, das heißt, die Entsprechung zwischen dem gemessenen Druckwert und der Mittenwellenlänge des temperaturkompensierten Druckfaser-Bragg-Gitters, Es ist ein Druckkalibrierungstest erforderlich, und der Druckaufbauprozess ist derselbe wie oben. Die Anpassung mithilfe der Datenverarbeitungssoftware Origin zeigt, dass die Empfindlichkeit erreicht wird 959.017 pm/MPa, mit einer linearen Anpassung R2 von 0.999 9. Es verfügt über eine gute Wiederholgenauigkeit und eignet sich zur Messung von hohem Meerwasserdruck.

Die quadratische Anpassungskurve des Wellenlängendrucks von FBG-Drucksensoren wird im Allgemeinen für FBG-Drucksensoren bei Meerestests verwendet, Wo 1 MPa entspricht einer Tiefe von ca 100 Meter im Meerwasser. Wenn der FBG-Drucksensor nicht temperaturkompensiert ist, für jeden 1 ℃ Änderung der Umgebungstemperatur, seine eigene Wellenlängendrift ist 28.80 Uhr. Die Empfindlichkeit des FBG-Drucksensors beträgt 959 pm/MPa, und die entsprechende Druckänderung ist 0.030 MPa. Der Tiefenfehler kann reichen 3.0 M. daher, im Prozess der Druckmessung, Es ist äußerst wichtig, eine Echtzeit- und genaue Temperaturkompensation an FBG-Drucksensoren durchzuführen, um Messfehler zu reduzieren, und die Lösung des Problems der inkonsistenten Antwortzeit ist das Hauptforschungsziel dieses Artikels.

Der Temperatur-Reaktionszeittest des Sensors bewegt den FBG-Druck und seinen Temperaturkompensationssensor schnell vom Kaltwassertank in das Hochtemperatur-Wasserbad, und überwacht seine Temperaturänderung in Echtzeit über einen Temperaturdemodulator. Nach der Methode der dynamischen Reaktionskalibrierung für Temperatursensoren, Die Reaktionszeit beträgt 63.2% der Zeit, die benötigt wird, um eine stabile Temperatur zu erreichen. Wie in der Abbildung gezeigt 6, Die Ansprechzeit der temperaturkompensierenden Faser des Sensors beträgt 1.45 S, während die Reaktionszeit der Druckfaser beträgt 1.52 S, mit einem Reaktionszeitunterschied von 0.07 s zwischen ihnen, was grundsätzlich konsistent ist. Dies deutet darauf hin, dass das neu gestaltete Dual Faser-Bragg-Gitter-Drucksensor verfügt über gute Temperaturreaktionseigenschaften und eliminiert grundsätzlich die Auswirkungen von Sensormessfehlern, die durch inkonsistente Sensorreaktionen verursacht werden.

Im Juli 2017, nachdem Schleppexperimente im Gebiet des Gelben Meeres durchgeführt wurden, Figur 7 wurde mit Original-Datenverarbeitungssoftware erhalten. Das Temperaturkompensations-Faser-Bragg-Gitter und das Druck-Faser-Bragg-Gitter des Sensors haben die gleiche Temperaturansprechzeit. Auch bei plötzlichen Temperaturänderungen im Bild 6, Der FBG-Drucksensor kann die Temperatur in Echtzeit präzise kompensieren. Der durch inkonsistente Temperaturverhalten verursachte Messfehler wurde grundsätzlich eliminiert, und der Korrelationskoeffizient zwischen Sensor und ALEC ist so hoch wie 0.9906.

Datenkurven des FBG-Drucksensors und ALEC

In diesem Artikel wird das Problem der inkonsistenten Temperaturreaktion von FBG-Druck- und Temperaturkompensationssensoren untersucht. Durch die Entwicklung und Verpackung eines neuen Doppelfaser-Bragg-Gitter-Drucksensors, Die Temperaturreaktionszeit liegt nahe an der Konsistenz. Erste, Kalibrieren Sie die Temperatur- und Druckempfindlichkeit des Sensors, um den Druckkoeffizienten nach der Temperaturkompensation zu bestimmen.

Nach dem Test der Reaktionszeit, Das Temperaturkompensations-Faser-Bragg-Gitter und das Druck-Faser-Bragg-Gitter des Sensors haben Temperaturansprechzeiten von 1.45 s und 1.52 S, jeweils. Durch Probefahrten, Es wurde bestätigt, dass der Sensor über gute dynamische Reaktionseigenschaften auf die Temperatur verfügt, Im Wesentlichen wird der Einfluss der Dehnungstemperatur-Querempfindlichkeit in Drucksensoren eliminiert. Die Erfüllung der Anforderungen der Messung der Meerestemperatur und des Tiefenprofils ist für die Untersuchung der Meeresumwelt von großer Bedeutung.