फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग (डीसीएफ) समुद्री जल की गहराई मापने के लिए दबाव सेंसर

To meet the requirements of continuous drag measurement of ocean temperature and depth profiles, the fiber Bragg grating (डीसीएफ) pressure sensor for measuring seawater depth uses FBG temperature compensation sensors to solve the problem of cross sensitivity. Due to the inconsistency in temperature response time between the two, there is a deviation in testing seawater pressure in areas with temperature fluctuations such as mesoscale eddies and fronts. A new type of dual fiber Bragg grating pressure sensor has been designed to address this phenomenon. By encapsulating temperature compensation and pressure fiber Bragg gratings at the center and edge of the pressure sensor (the edge grating does not contact the elastic membrane and is only affected by temperature), इसकी तापमान प्रतिक्रिया विशेषताएँ स्थिरता के करीब हैं. प्रायोगिक परीक्षण के परिणाम बताते हैं कि सेंसर के तापमान मुआवजे और दबाव फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग का तापमान प्रतिक्रिया समय होता है 1.45 रेत 1.52 एस, क्रमश:, प्रतिक्रिया में अच्छी निरंतरता के साथ. समुद्री परीक्षणों के माध्यम से, यह सत्यापित किया गया है कि FBG दबाव सेंसर और संदर्भ दबाव सेंसर ALEC-TD के बीच सहसंबंध गुणांक जितना अधिक है 0.9906, जो मूल रूप से असंगत तापमान प्रतिक्रियाओं के कारण होने वाली माप त्रुटियों को समाप्त करता है और सटीक दबाव माप प्राप्त कर सकता है.

समुद्री पर्यावरण निगरानी में समुद्री जल का तापमान और गहराई महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं. इस पैरामीटर का अधिग्रहण अक्सर पर्यावरणीय कारकों में परिवर्तन से प्रभावित होता है. समुद्री जल में विभिन्न ठंडे जल द्रव्यमानों और मेसोस्केल भंवरों के तापमान और गहराई प्रोफ़ाइल की जानकारी प्राप्त करना, पारंपरिक परित्यक्त तापमान प्रोफ़ाइल मापने वाला उपकरण XBT पानी के रिसाव और इसकी सेंसिंग जांच में रिसाव के जोखिम के कारण गणना त्रुटियों से ग्रस्त है, और गहराई का डेटा समुद्र तल की लहरों और तापमान परिवर्तन से भी आसानी से प्रभावित होता है. शिपबॉर्न टोड फाइबर ऑप्टिक ग्रेटिंग सेंसर में मजबूत हस्तक्षेप-विरोधी क्षमता जैसे फायदे हैं, उच्च संवेदनशीलता, छोटे आकार का, आंतरिक इन्सुलेशन, सतत माप, और मल्टी-सेंसर वितरित माप. यह ठंडे पानी के द्रव्यमान और मेसोस्केल भंवरों के तापमान और गहराई प्रोफ़ाइल जानकारी को सटीक और सावधानीपूर्वक चित्रित कर सकता है, इसे समुद्री वातावरण में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाना.

हमने फ़ाइबर ब्रैग ग्रेटिंग पर ड्रैग परीक्षण किए (डीसीएफ) उत्तरी पीला सागर क्षेत्र में दबाव और तापमान सेंसर, और एफबीजी प्रेशर सेंसर और रेफरेंस प्रेशर सेंसर एएलईसी के बीच तुलनात्मक परीक्षण पूरा किया. डेटा फिटिंग प्रोसेसिंग के माध्यम से, यह पाया गया कि जब समुद्री क्षेत्रों जैसे मेसोस्केल एडीज़ और फ्रंट में तापमान में अचानक बदलाव होता है, एफबीजी प्रेशर सेंसर और रेफरेंस प्रेशर सेंसर एएलईसी के बीच माप विचलन तुरंत बढ़ जाएगा. तथापि, जब तापमान परिवर्तन महत्वपूर्ण नहीं है, ऐसी कोई घटना नहीं है. विश्लेषण का कारण यह है कि एफबीजी दबाव सेंसर और एफबीजी तापमान सेंसर का तापमान पर प्रतिक्रिया समय असंगत है, जिसके परिणामस्वरूप एफबीजी दबाव सेंसर की माप त्रुटियां हुईं.

सेंसर की असंगत तापमान प्रतिक्रिया के मुद्दे के जवाब में, यह आलेख मुख्य रूप से तीन पहलुओं पर शोध करता है:

1) एक नए प्रकार का डुअल फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग प्रेशर सेंसर डिज़ाइन करें, सेंसर के किनारे और केंद्र के समानांतर तापमान क्षतिपूर्ति और दबाव फाइबर ब्रैग झंझरी को समाहित करना, ताकि वे तापमान से समान रूप से प्रभावित हों;

2) तापमान क्षतिपूर्ति के बाद दबाव गुणांक निर्धारित करने के लिए पैक किए गए सेंसर के तापमान और दबाव संवेदनशीलता को कैलिब्रेट करें;

3) प्रयोगशाला में सेंसर पर तापमान प्रतिक्रिया समय परीक्षण करें और समुद्री परीक्षणों के माध्यम से संदर्भ दबाव सेंसर एएलईसी के साथ इसकी स्थिरता को सत्यापित करें.

सेंसर का डिज़ाइन और पैकेजिंग

उच्च संवेदनशीलता की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, जल दबाव प्रतिरोध, और प्रतिक्रिया विशेषताएँ, नया डुअल एफबीजी प्रेशर सेंसर एक डायाफ्राम प्रकार संरचना संवेदीकरण तकनीक को अपनाता है. पारंपरिक पैकेजिंग विधियों की तुलना में, झिल्ली पैकेजिंग में खराब स्थिरता जैसे नुकसान हैं, गतिशील माप के लिए अनुपयुक्त, उच्च तापमान पर आसान उम्र बढ़ना, और सीरियल कनेक्शन में कठिनाई. तथापि, झिल्ली पैकेजिंग में बड़ी रेंज और उच्च संवेदनशीलता प्राप्त करने में अच्छा प्रदर्शन होता है, और इसका उपयोग गतिशील ड्रैग मापन के लिए किया जा सकता है. डुअल एफबीजी प्रेशर सेंसर धातुयुक्त फाइबर ब्रैग झंझरी का उपयोग करता है, जिन्हें लेजर वेल्डिंग का उपयोग करके झिल्ली के केंद्र और किनारे की स्थिति के समानांतर वेल्ड किया जाता है (तापमान क्षतिपूर्ति फाइबर ब्रैग झंझरी झिल्ली से संपर्क नहीं करती है, केवल आधार पर वेल्ड किया गया).

फाइबर ऑप्टिक ग्रेटिंग सेंसर का योजनाबद्ध और भौतिक प्रतिनिधित्व

विशेष पैकेजिंग के बाद, एफबीजी दबाव सेंसर का थर्मल ऑप्टिकल गुणांक सैद्धांतिक गणना में नहीं बदला, लेकिन इसके थर्मल विस्तार के कारण तनाव में बदलाव आया. पैकेजिंग के बाद तापमान और तरंग दैर्ध्य के बीच संबंध Δλ B= λ B है [ ए + एक्स + (1-पे)( α उप – ए) ］डी टी (1)

एफबीजी प्रेशर सेंसर पानी के दबाव में परिवर्तन को एफबीजी अक्षीय तनाव में परिवर्तित करता है, और संबंधित तरंग दैर्ध्य परिवर्तन का पता लगाकर समुद्री जल दबाव संकेत की जानकारी पुनर्स्थापित करता है.

एफबीजी के गुंजयमान तरंग दैर्ध्य और ऑप्टिकल फाइबर के अक्षीय तनाव में परिवर्तन ε एफ का संबंध है [11] डीएल = (1-पे) λ बी ई एफ (2)

सूत्र में λ B गुंजयमान तरंग दैर्ध्य है, और पे फाइबर का लोचदार ऑप्टिकल गुणांक है.

यह मानते हुए कि तापीय संतुलन बाधित नहीं हुआ है, डायाफ्राम सिलेंडर के साथ पैक किए गए सेंसर की ट्यूब दीवार पर तापमान वितरण एक समान है, और समय के साथ तापमान का अंतर समीकरण है [10] डी टीडीटी= Γ ए (टीएफ-टी) वीसीपी ρ (3)

सूत्र में, Tf परिवेश का तापमान है, और टी धातु ट्यूब की दीवार का तापमान है, Γ पानी और धातु की सतह के बीच गर्मी हस्तांतरण गुणांक, जहां A धातु डायाफ्राम ट्यूब का सतह क्षेत्र है, आर， Cp और V घनत्व हैं, विशिष्ट गर्मी की क्षमता, और धातु खोल ट्यूब की मात्रा, क्रमश:.

3 प्रायोगिक परीक्षण

3.1 सेंसर तापमान परीक्षण

एफबीजी सेंसर प्रायोगिक सेटअप का उपयोग तापमान के प्रति एफबीजी दबाव सेंसर की संवेदनशीलता निर्धारित करने के लिए किया जाता है, और तापमान संवेदनशीलता अंशांकन पैक किए गए सेंसर पर किया जाता है. अंशांकन एक स्थिर तापमान वाले जल स्नान में किया जाता है, संदर्भ तापमान सेंसर के रूप में SBE56 का उपयोग करना. चुनना 8 की सीमा में तापमान बिंदु 2-35 ℃, और सुनिश्चित करें कि प्रत्येक तापमान बिंदु पर स्थिर समय से कम न हो 1 घंटा. प्रत्येक स्थिर तापमान बिंदु का औसत लें 2 तापमान और तरंग दैर्ध्य परिवर्तनों के बीच संबंधित संबंध निर्धारित करने के लिए मिनट. आकृति 3 ओरिजिन डेटा प्रोसेसिंग सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके द्विघात फिटिंग के माध्यम से प्राप्त किया जाता है. दोहरे एफबीजी दबाव सेंसर का तापमान मुआवजा और दबाव फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग तापमान संवेदनशीलता है 29.11 और 28.80 अपराह्न/℃, क्रमश:, और फिटिंग रैखिकता R2 है 0.999 99 99.

तापमान तरंग दैर्ध्य द्विघात फिटिंग वक्र

3.2 सेंसर दबाव परीक्षण

3.2.1 Sensor Temperature Compensated Fiber Bragg Grating Voltage Withstand Test In order to verify whether the center wavelength of the sensor’s temperature compensated fiber Bragg grating is affected by external pressure, pressure calibration tests are conducted on the sensor in the laboratory. In the experiment, a pressure tank was used for pressure calibration, and the SBE56 temperature sensor was used as the reference temperature. कुल 9 pressure points were selected for pressure and pressure reduction tests, with a pressure range of 0-0.8 MPa and each increase of 0.1 एमपीए.

It can be seen that after removing the influence of temperature changes, the temperature compensated fiber optic grating of the sensor is within the pressure range of 0-0.8 एमपीए, with a heart wave length drift of only 0.01 pm. The temperature compensated sensing fiber optic grating is not on the membrane, which is caused by the measurement error of the reference sensor SBE56. It is determined that the temperature compensated fiber optic grating is not affected by external pressure. Perform a voltage withstand test on the temperature compensation optical fibers of two sensors.

Sensor pressure calibration test: Due to the parallel packaging of the pressure and temperature compensated fiber Bragg grating of the sensor on the sensor, their center wavelengths are affected by temperature without being subjected to pressure. The pressure resistance testing of the temperature compensated fiber Bragg grating in the pressure sensor is consistent. इसलिए, when subjected to external pressure, सेंसर अपने स्वयं के तापमान क्षतिपूर्ति फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग के केंद्र तरंग दैर्ध्य में परिवर्तन द्वारा दबाव फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग के तापमान की भरपाई कर सकता है.

दबाव सेंसर की संवेदनशीलता निर्धारित करने के लिए, वह है, मापा दबाव मान और तापमान क्षतिपूर्ति दबाव फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग के केंद्र तरंग दैर्ध्य के बीच पत्राचार, दबाव अंशांकन परीक्षण आवश्यक है, और दबाव डालने की प्रक्रिया उपरोक्त के समान ही है. ओरिजिन डेटा प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करके फिटिंग से पता चलता है कि संवेदनशीलता पहुंचती है 959.017 अपराह्न/एमपीए, एक रैखिक फिट R2 के साथ 0.999 9. इसमें अच्छी पुनरावृत्ति क्षमता है और यह उच्च समुद्री जल दबाव को मापने के लिए उपयुक्त है.

एफबीजी दबाव सेंसर के तरंग दैर्ध्य दबाव द्विघात फिटिंग वक्र का उपयोग आमतौर पर समुद्री परीक्षण में एफबीजी दबाव सेंसर के लिए किया जाता है, कहाँ 1 MPa corresponds to a depth of approximately 100 meters in seawater. When the FBG pressure sensor is not temperature compensated, for every 1 ℃ change in ambient temperature, its own wavelength drift is 28.80 pm. The sensitivity of the FBG pressure sensor is 959 अपराह्न/एमपीए, and the corresponding pressure change is 0.030 एमपीए. The depth error can reach 3.0 एम. इसलिए, in the process of pressure measurement, it is extremely necessary to perform real-time and accurate temperature compensation on FBG pressure sensors in order to reduce measurement errors, and solving the problem of inconsistent response time is the main research objective of this article.

The temperature response time test of the sensor quickly moves the FBG pressure and its temperature compensation sensor from the cold water tank to the high temperature water bath, and monitors its temperature change in real time through a temperature demodulator. According to the method of dynamic response calibration for temperature sensors, the response time is 63.2% of the time required to reach a stable temperature. As shown in Figure 6, the response time of the temperature compensating fiber of the sensor is 1.45 एस, while the response time of the pressure fiber is 1.52 एस, with a response time difference of 0.07 s between them, which is basically consistent. This indicates that the newly designed dual fiber Bragg grating pressure sensor has good temperature response characteristics and basically eliminates the impact of sensor measurement errors caused by inconsistent sensor responses.

जुलाई में 2017, after towing experiments were conducted in the Yellow Sea area, आकृति 7 was obtained through Original data processing software. The temperature compensation fiber Bragg grating and pressure fiber Bragg grating of the sensor have the same temperature response time. Even in the case of sudden temperature changes in Figure 6, the FBG pressure sensor can accurately compensate for temperature in real time. The measurement error caused by inconsistent temperature response has been basically eliminated, and the correlation coefficient between the sensor and ALEC is as high as 0.9906.

Data curves of FBG pressure sensor and ALEC

This article investigates the issue of inconsistent temperature response of FBG pressure and temperature compensation sensors. By designing and packaging a new dual fiber Bragg grating pressure sensor, the temperature response time is close to consistency. पहला, calibrate the temperature and pressure sensitivity of the sensor to determine the pressure coefficient after temperature compensation.

After response time testing, the temperature compensation fiber Bragg grating and pressure fiber Bragg grating of the sensor have temperature response times of 1.45 रेत 1.52 एस, क्रमश:. समुद्री परीक्षणों के माध्यम से, it has been verified that the sensor has good dynamic response characteristics to temperature, basically eliminating the impact of strain temperature cross sensitivity in pressure sensors. Meeting the requirements of ocean temperature and depth profile measurement is of great significance for the study of marine environment.

फाइबर ऑप्टिक तापमान सेंसर, बुद्धिमान निगरानी प्रणाली, चीन में वितरित फाइबर ऑप्टिक निर्माता