Grade de fibra Bragg (FBG) sensor de pressão para medir a profundidade da água do mar-INNO

Para atender aos requisitos de medição contínua de arrasto da temperatura do oceano e perfis de profundidade, a grade de Bragg de fibra (FBG) sensor de pressão para medir a profundidade da água do mar usa sensores de compensação de temperatura FBG para resolver o problema de sensibilidade cruzada. Devido à inconsistência no tempo de resposta de temperatura entre os dois, há um desvio nos testes de pressão da água do mar em áreas com flutuações de temperatura, como redemoinhos e frentes de mesoescala. Um novo tipo de sensor de pressão de rede Bragg de fibra dupla foi projetado para resolver esse fenômeno. Ao encapsular redes de Bragg de fibra de pressão e compensação de temperatura no centro e na borda do sensor de pressão (a grade de borda não entra em contato com a membrana elástica e é afetada apenas pela temperatura), suas características de resposta à temperatura estão próximas da consistência. Os resultados dos testes experimentais mostram que a compensação de temperatura e a rede de Bragg de fibra de pressão do sensor têm um tempo de resposta de temperatura de 1.45 areia 1.52 é, respectivamente, com boa consistência na resposta. Através de testes no mar, verificou-se que o coeficiente de correlação entre o sensor de pressão FBG e o sensor de pressão de referência ALEC-TD é tão alto quanto 0.9906, que basicamente elimina erros de medição causados por respostas de temperatura inconsistentes e pode obter medições de pressão precisas.

A temperatura e a profundidade da água do mar são parâmetros importantes no monitoramento ambiental marinho. A aquisição deste parâmetro é frequentemente afetada por mudanças nos fatores ambientais. Para obter informações do perfil de temperatura e profundidade de várias massas de água fria e redemoinhos de mesoescala na água do mar, o tradicional instrumento de medição de perfil de temperatura abandonado XBT está sujeito a erros de cálculo devido ao risco de vazamento de água e vazamento em sua sonda de detecção, e os dados de profundidade também são facilmente afetados pelas ondas do fundo do mar e pelas mudanças de temperatura. O sensor de grade de fibra óptica rebocado embarcado tem vantagens como forte capacidade anti-interferência, alta sensibilidade, tamanho pequeno, isolamento intrínseco, medição contínua, e medição distribuída multissensor. Ele pode representar com precisão e meticulosidade as informações do perfil de temperatura e profundidade de massas de água fria e redemoinhos de mesoescala, tornando-o adequado para aplicação em ambientes marinhos.

Realizamos testes de arrasto em rede de Bragg de fibra (FBG) sensores de pressão e temperatura na região do Mar Amarelo do Norte, e concluiu testes comparativos entre sensores de pressão FBG e sensores de pressão de referência ALEC. Através do processamento de ajuste de dados, descobriu-se que quando há uma mudança repentina de temperatura em áreas marítimas, como redemoinhos e frentes de mesoescala, o desvio de medição entre o sensor de pressão FBG e o sensor de pressão de referência ALEC aumentará imediatamente. No entanto, quando a mudança de temperatura não é significativa, não existe tal fenômeno. A razão para a análise é que o tempo de resposta do sensor de pressão FBG e do sensor de temperatura FBG à temperatura é inconsistente, resultando em erros de medição do sensor de pressão FBG.

Em resposta ao problema de resposta inconsistente à temperatura dos sensores, este artigo conduz pesquisas principalmente a partir de três aspectos:

1) Projete um novo tipo de sensor de pressão de rede Bragg de fibra dupla, encapsulando as redes de Bragg de fibra de compensação de temperatura e pressão paralelas à borda e ao centro do sensor, para que sejam uniformemente afetados pela temperatura;

2) Calibre a sensibilidade à temperatura e à pressão do sensor embalado para determinar o coeficiente de pressão após a compensação de temperatura;

3) Realize testes de tempo de resposta de temperatura no sensor em laboratório e verifique sua consistência com o sensor de pressão de referência ALEC por meio de testes no mar.

Design e embalagem de sensores

Para atender aos requisitos de alta sensibilidade, resistência à pressão da água, e características de resposta, o novo sensor de pressão FBG duplo adota uma tecnologia de sensibilização de estrutura do tipo diafragma. Comparado com métodos de embalagem tradicionais, embalagem de membrana tem desvantagens, como baixa estabilidade, inadequado para medição dinâmica, fácil envelhecimento em altas temperaturas, e dificuldade na conexão serial. No entanto, embalagem de membrana tem bom desempenho para alcançar grande alcance e alta sensibilidade, e pode ser usado para medição dinâmica de arrasto. O sensor de pressão duplo FBG usa redes de Bragg de fibra metalizada, que são soldados paralelamente às posições central e de borda da membrana usando soldagem a laser (As grades de Bragg de fibra com compensação de temperatura não entram em contato com a membrana, apenas soldado na base).

Representação esquemática e física de sensores de grade de fibra óptica

Após embalagem especial, o coeficiente óptico térmico do sensor de pressão FBG não mudou nos cálculos teóricos, mas sua expansão térmica causou uma mudança no estresse. A relação entre temperatura e comprimento de onda após a embalagem é Δλ B= λ B [ um + x + (1-Pe.)（α Sub – um) ］D T (1)

O sensor de pressão FBG converte a mudança na pressão da água em deformação axial FBG, e restaura as informações do sinal de pressão da água do mar, detectando a mudança de comprimento de onda correspondente.

Mudanças no comprimento de onda ressonante de FBG e deformação axial de fibras ópticas ε A relação de f é [11] Dl = (1-Pe.) λ B e F (2)

Na fórmula λ B é o comprimento de onda ressonante, e Pe é o coeficiente óptico elástico da fibra.

Supondo que o equilíbrio térmico não seja perturbado, a distribuição de temperatura na parede do tubo do sensor embalado com um cilindro de diafragma é uniforme, e a equação diferencial da temperatura ao longo do tempo é [10] d Tdt = Γ A (Tf-T) Vcpρ (3)

Na fórmula, Tf é a temperatura ambiente, e T é a temperatura da parede do tubo de metal, Γ O coeficiente de transferência de calor entre a água e a superfície metálica, onde A é a área da superfície do tubo de diafragma metálico, R， Cp e V são a densidade, capacidade térmica específica, e volume do tubo de metal, respectivamente.

3 Teste experimental

3.1 Teste de temperatura do sensor

A configuração experimental do sensor FBG é usada para determinar a sensibilidade do sensor de pressão FBG à temperatura, e a calibração da sensibilidade à temperatura é realizada no sensor embalado. A calibração é realizada em banho-maria com temperatura constante, usando SBE56 como sensor de temperatura de referência. Selecione 8 pontos de temperatura na faixa de 2-35 ℃, e garantir que o tempo estável em cada ponto de temperatura não seja inferior a 1 hora. Calcule a média de cada ponto de temperatura estável para 2 minutos para determinar a relação correspondente entre mudanças de temperatura e comprimento de onda. Figura 3 é obtido através de ajuste quadrático usando o software de processamento de dados Origin. A compensação de temperatura e a sensibilidade à temperatura da rede de Bragg de fibra de pressão do sensor de pressão FBG duplo são 29.11 e 28.80 pm/℃, respectivamente, e a linearidade de ajuste R2 é 0.999 99 99.

Curva de ajuste quadrática do comprimento de onda da temperatura

3.2 Teste de pressão do sensor

3.2.1 Teste de resistência à tensão da rede de Bragg de fibra com compensação de temperatura do sensor Para verificar se o comprimento de onda central da rede de Bragg de fibra com compensação de temperatura do sensor é afetado pela pressão externa, testes de calibração de pressão são realizados no sensor no laboratório. No experimento, um tanque de pressão foi usado para calibração de pressão, e o sensor de temperatura SBE56 foi utilizado como temperatura de referência. Um total de 9 pontos de pressão foram selecionados para testes de pressão e redução de pressão, com uma faixa de pressão de 0-0.8 MPa e cada aumento de 0.1 MPa.

Pode-se observar que após remover a influência das mudanças de temperatura, a grade de fibra óptica com compensação de temperatura do sensor está dentro da faixa de pressão de 0-0.8 MPa, com um desvio no comprimento da onda cardíaca de apenas 0.01 tarde. A grade de fibra óptica com detecção de temperatura compensada não está na membrana, que é causado pelo erro de medição do sensor de referência SBE56. É determinado que a rede de fibra óptica com compensação de temperatura não é afetada pela pressão externa. Realize um teste de resistência de tensão nas fibras ópticas de compensação de temperatura de dois sensores.

Teste de calibração de pressão do sensor: Devido ao empacotamento paralelo da rede de Bragg de fibra compensada por pressão e temperatura do sensor no sensor, seus comprimentos de onda centrais são afetados pela temperatura sem serem submetidos à pressão. O teste de resistência à pressão da rede de Bragg de fibra com compensação de temperatura no sensor de pressão é consistente. Portanto, quando submetido a pressão externa, o sensor pode compensar a temperatura da rede de Bragg de fibra de pressão pela mudança no comprimento de onda central de sua própria rede de Bragg de fibra com compensação de temperatura.

Para determinar a sensibilidade do sensor de pressão, aquilo é, a correspondência entre o valor de pressão medido e o comprimento de onda central da rede de Bragg de fibra de pressão com temperatura compensada, é necessário um teste de calibração de pressão, e o processo de pressurização é o mesmo que acima. A adaptação utilizando o software de processamento de dados Origin mostra que a sensibilidade atinge 959.017 pm/MPa, com um ajuste linear R2 de 0.999 9. Possui boa repetibilidade e é adequado para medir alta pressão da água do mar.

A curva de ajuste quadrática de pressão de comprimento de onda dos sensores de pressão FBG é geralmente usada para sensores de pressão FBG em testes oceânicos, onde 1 MPa corresponde a uma profundidade de aproximadamente 100 metros em água do mar. Quando o sensor de pressão FBG não é compensado por temperatura, para cada 1 ℃ mudança na temperatura ambiente, seu próprio desvio de comprimento de onda é 28.80 tarde. A sensibilidade do sensor de pressão FBG é 959 pm/MPa, e a mudança de pressão correspondente é 0.030 MPa. O erro de profundidade pode atingir 3.0 eu. Portanto, no processo de medição de pressão, é extremamente necessário realizar compensação de temperatura precisa e em tempo real nos sensores de pressão FBG, a fim de reduzir erros de medição, e resolver o problema do tempo de resposta inconsistente é o principal objetivo de pesquisa deste artigo.

O teste de tempo de resposta de temperatura do sensor move rapidamente a pressão FBG e seu sensor de compensação de temperatura do tanque de água fria para o banho-maria de alta temperatura, e monitora sua mudança de temperatura em tempo real através de um demodulador de temperatura. De acordo com o método de calibração de resposta dinâmica para sensores de temperatura, o tempo de resposta é 63.2% do tempo necessário para atingir uma temperatura estável. Como mostrado na Figura 6, o tempo de resposta da fibra de compensação de temperatura do sensor é 1.45 é, enquanto o tempo de resposta da fibra de pressão é 1.52 é, com uma diferença de tempo de resposta de 0.07 está entre eles, que é basicamente consistente. Isto indica que o novo design duplo sensor de pressão da grade de Bragg de fibra tem boas características de resposta à temperatura e basicamente elimina o impacto de erros de medição do sensor causados por respostas inconsistentes do sensor.

Em julho 2017, depois que experimentos de reboque foram realizados na área do Mar Amarelo, Figura 7 foi obtido através do software de processamento de dados original. A grade de Bragg de fibra de compensação de temperatura e a grade de Bragg de fibra de pressão do sensor têm o mesmo tempo de resposta de temperatura. Mesmo no caso de mudanças bruscas de temperatura na Figura 6, o sensor de pressão FBG pode compensar com precisão a temperatura em tempo real. O erro de medição causado pela resposta inconsistente da temperatura foi basicamente eliminado, e o coeficiente de correlação entre o sensor e ALEC é tão alto quanto 0.9906.

Curvas de dados do sensor de pressão FBG e ALEC

Este artigo investiga o problema da resposta inconsistente de temperatura dos sensores de pressão e compensação de temperatura FBG. Ao projetar e embalar um novo sensor de pressão de rede Bragg de fibra dupla, o tempo de resposta da temperatura está próximo da consistência. Primeiro, calibrar a sensibilidade à temperatura e pressão do sensor para determinar o coeficiente de pressão após a compensação de temperatura.

Após teste de tempo de resposta, a grade de Bragg de fibra de compensação de temperatura e a grade de Bragg de fibra de pressão do sensor têm tempos de resposta de temperatura de 1.45 areia 1.52 é, respectivamente. Através de testes no mar, foi verificado que o sensor possui boas características de resposta dinâmica à temperatura, basicamente eliminando o impacto da sensibilidade cruzada da temperatura de deformação em sensores de pressão. Atender aos requisitos de medição da temperatura do oceano e do perfil de profundidade é de grande importância para o estudo do ambiente marinho.