ファイバーブラッググレーティング (FBG) 海水深測定用圧力センサー-INNO

海水温と深さのプロファイルの継続的な抗力測定の要件を満たすため, ファイバーブラッググレーティング (FBG) 海水深を測定するための圧力センサーは、FBG 温度補償センサーを使用して交差感度の問題を解決します. 両者の温度応答時間に一貫性がないため、, 中規模の渦や前線などの温度変動のある地域では、海水圧力の検査にばらつきがある. 新しいタイプのデュアルファイバーブラッググレーティング圧力センサーは、この現象に対処するために設計されました。. 圧力センサーの中心と端に温度補償と圧力ファイバーブラッググレーティングをカプセル化することにより (エッジグレーティングは弾性膜と接触せず、温度の影響のみを受けます。), its temperature response characteristics are close to consistency. The experimental test results show that the temperature compensation and pressure fiber Bragg grating of the sensor have a temperature response time of 1.45 s and 1.52 s, それぞれ, with good consistency in response. Through sea trials, it has been verified that the correlation coefficient between the FBG pressure sensor and the reference pressure sensor ALEC-TD is as high as 0.9906, which basically eliminates measurement errors caused by inconsistent temperature responses and can achieve accurate pressure measurement.

The temperature and depth of seawater are important parameters in marine environmental monitoring. The acquisition of this parameter is often affected by changes in environmental factors. To obtain the temperature and depth profile information of various cold water masses and mesoscale eddies in seawater, the traditional abandoned temperature profile measuring instrument XBT is prone to calculation errors due to the risk of water leakage and leakage in its sensing probe, and the depth data is also easily affected by seabed waves and temperature changes. The shipborne towed fiber optic grating sensor has advantages such as strong anti-interference ability, 高感度, 小型, intrinsic insulation, continuous measurement, and multi-sensor distributed measurement. It can accurately and meticulously depict the temperature and depth profile information of cold water masses and mesoscale eddies, making it suitable for application in marine environments.

We conducted drag tests on fiber Bragg grating (FBG) pressure and temperature sensors in the North Yellow Sea region, and completed comparative testing between FBG pressure sensors and reference pressure sensors ALEC. Through data fitting processing, it was found that when there is a sudden change in temperature in sea areas such as mesoscale eddies and fronts, the measurement deviation between the FBG pressure sensor and the reference pressure sensor ALEC will immediately increase. しかし, when the temperature change is not significant, there is no such phenomenon. The reason for the analysis is that the response time of the FBG pressure sensor and the FBG temperature sensor to temperature is inconsistent, resulting in measurement errors of the FBG pressure sensor.

In response to the issue of inconsistent temperature response of sensors, この記事では主に3つの側面から調査を行っています:

1) 新しいタイプのデュアルファイバーブラッググレーティング圧力センサーを設計する, 温度補償と圧力ファイバーのブラッググレーティングをセンサーの端と中心に平行にカプセル化, 温度の影響を均一に受けるようにする;

2) パッケージ化されたセンサーの温度および圧力感度を校正して、温度補償後の圧力係数を決定します;

3) 実験室でセンサーの温度応答時間テストを実施し、海洋試験を通じて基準圧力センサー ALEC との整合性を検証します。.

センサーの設計とパッケージング

高感度の要求に応えるために, 耐水圧, 応答特性, the new dual FBG pressure sensor adopts a diaphragm type structure sensitization technology. Compared with traditional packaging methods, membrane packaging has disadvantages such as poor stability, unsuitable for dynamic measurement, easy aging at high temperatures, and difficulty in serial connection. しかし, membrane packaging has good performance in achieving large range and high sensitivity, and can be used for dynamic drag measurement. The dual FBG pressure sensor uses metallized fiber Bragg gratings, which are welded in parallel to the center and edge positions of the membrane using laser welding (temperature compensated fiber Bragg gratings do not contact the membrane, only welded to the base).

Schematic and physical representation of fiber optic grating sensors

After special packaging, FBG圧力センサーの熱光学係数は理論計算では変化しませんでした, しかし、その熱膨張により応力が変化しました. パッケージング後の温度と波長の関係は、Δλ B= λ B です。 [ ある + × + (1-ペ)（αサブ – ある) ］D T (1)

FBG圧力センサーは水圧の変化をFBG軸ひずみに変換します。, 対応する波長の変化を検出することで海水圧力信号の情報を復元します.

FBGの共振波長の変化と光ファイバの軸歪みε fの関係は [11] DL = (1-ペ) λ B e F (2)

式中、λ B は共振波長です。, Pe はファイバーの光学弾性係数です。.

熱バランスが崩れていないと仮定すると、, the temperature distribution on the tube wall of the sensor packaged with a diaphragm cylinder is uniform, and the differential equation of temperature over time is [10] d Tdt= Γ A (Tf-T) Vcp ρ (3)

In the formula, Tf is the ambient temperature, and T is the temperature of the metal tube wall, Γ The heat transfer coefficient between water and metal surface, where A is the surface area of the metal diaphragm tube, ρ， Cp and V are the density, specific heat capacity, and volume of the metal shell tube, それぞれ.

3 Experimental testing

3.1 Sensor temperature testing

The FBG sensor experimental setup is used to determine the sensitivity of the FBG pressure sensor to temperature, and temperature sensitivity calibration is performed on the packaged sensor. Calibration is carried out in a constant temperature water bath, SBE56を基準温度センサーとして使用. 選択 8 の範囲内の温度ポイント 2-35 ℃, 各温度点での安定時間が少なくとも 1 時間. 各安定温度点の平均を取る 2 温度と波長の変化の間の対応関係を決定するのに数分. 形 3 Origin データ処理ソフトウェアを使用した 2 次フィッティングによって取得されます。. デュアル FBG 圧力センサーの温度補償と圧力ファイバーブラッググレーティングの温度感度は次のとおりです。 29.11 そして 28.80 午後/℃, それぞれ, フィッティング直線性 R2 は次のようになります。 0.999 99 99.

温度波長二次フィッティング曲線

3.2 センサー圧力テスト

3.2.1 センサーの温度補償型ファイバーブラッググレーティングの耐電圧試験センサーの温度補償型ファイバーブラッググレーティングの中心波長が外圧の影響を受けるかどうかを検証するため, 圧力校正テストは実験室でセンサーに対して実施されます。. 実験では, 圧力タンクを圧力校正に使用しました, SBE56 温度センサーを基準温度として使用しました。. 合計 9 加圧および減圧テストのために圧力ポイントが選択されました, の圧力範囲で 0-0.8 MPaと各増加 0.1 MPa.

温度変化の影響を取り除くと、, センサーの温度補償された光ファイバーグレーティングは、次の圧力範囲内にあります。 0-0.8 MPa, 心臓の波長のドリフトはわずか 0.01 午後. 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. したがって, when subjected to external pressure, センサーは、それ自体の温度補償されたファイバーブラッググレーティングの中心波長の変化によって、圧力ファイバーブラッググレーティングの温度を補償できます。.

圧力センサーの感度を決定するには, つまり, 圧力測定値と温度補償圧力ファイバーブラッググレーティングの中心波長との対応関係, 圧力校正テストが必要です, 加圧プロセスは上記と同じです. Origin データ処理ソフトウェアを使用したフィッティングでは、感度が次の値に達していることがわかります。 959.017 pm/MPa, 線形フィット R2 の場合 0.999 9. 再現性が良く、高い海水圧の測定に適しています。.

FBG圧力センサーの波長圧力二次フィッティング曲線は、海洋試験におけるFBG圧力センサーに一般的に使用されます。, どこ 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 午後. The sensitivity of the FBG pressure sensor is 959 pm/MPa, and the corresponding pressure change is 0.030 MPa. The depth error can reach 3.0 メートル. したがって, 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, 温度復調器を通じてその温度変化をリアルタイムで監視します. 温度センサーの動的応答校正方法による, 応答時間は 63.2% 安定した温度に達するまでに必要な時間. 図に示すように 6, センサーの温度補償ファイバーの応答時間は 1.45 s, 一方、圧力ファイバーの応答時間は 1.52 s, 応答時間の差は 0.07 彼らの間にある, それは基本的に一貫しています. これは、新しく設計されたデュアルファイバーブラッググレーティング圧力センサー優れた温度応答特性を備えており、一貫性のないセンサー応答によって引き起こされるセンサー測定誤差の影響を基本的に排除します。.

7月に 2017, 黄海海域で曳航実験を行った後, 形 7 オリジナルのデータ処理ソフトウェアを通じて取得されました. センサーの温度補償ファイバーブラッググレーティングと圧力ファイバーブラッググレーティングの温度応答時間は同じです. 図の急激な温度変化の場合でも 6, FBG圧力センサーはリアルタイムで温度を正確に補正できます. 温度応答のばらつきによる測定誤差を根本的に解消, センサーと ALEC の間の相関係数は次のように高くなります。 0.9906.

FBG圧力センサーとALECのデータ曲線

この記事では、FBG 圧力センサーと温度補償センサーの一貫性のない温度応答の問題を調査します。. 新しいデュアルファイバーブラッググレーティング圧力センサーを設計およびパッケージ化することにより、, 温度応答時間はほぼ一定です. 初め, センサーの温度と圧力感度を校正して、温度補償後の圧力係数を決定します.

応答時間テスト後, センサーの温度補償ファイバーブラッググレーティングと圧力ファイバーブラッググレーティングの温度応答時間は、 1.45 s and 1.52 s, それぞれ. Through sea trials, センサーは温度に対する良好な動的応答特性を備えていることが確認されています。, 圧力センサーにおけるひずみ温度交差感度の影響を基本的に排除. 海洋温度と深さのプロファイル測定の要件を満たすことは、海洋環境の研究にとって非常に重要です。.