基于光纤光栅的海洋温深传感器研究

作     者：于璐瑶 

作者单位：海南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曲轶;赵强

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0816[工学-测绘科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光纤光栅 海洋温深传感器 弹性膜片 海洋探测 

摘      要：投弃式温深仪(Expendable Bathythermograph简称XBT)是海洋温深剖面数据探测的基本设备,但其核心技术和产品几乎由美国Sippican公司和日本TSK公司垄断,进口的XBT价格高达2000元/枚。随着我国社会经济的发展,在海洋经济、海洋生态、海洋军事等领域XBT的需求越来越多,国家海洋技术中心、声学所东海站、西安天合防务公司、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、北京星天海洋公司等单位自主研发了达到产业化水平的XBT,打破了国外垄断现状,将XBT的价格降低到了 1000元/枚。但国产XBT与国外产品相比仍有一些差距,且XBT存在深度为计算值,受海况影响大;电磁等干扰因素导致误码率较高;漆包线工艺有待提高和温度响应速度慢等缺点。针对上述问题,本文设计了一种体积小、结构简单、深度测量精确、本征绝缘、抗电磁干扰的双光纤光栅(Fiber Bragg Grating简称FBG)级联的海洋温深传感器。利用膜片式光纤光栅(FBG1)增敏结构实现海水压力(深度)测量的同时,级联用于测量温度的光纤光栅(FBG2)完成海水温度探测。利用有限元分析法,对基于光纤光栅的温深传感器及其增敏结构进行了仿真设计和优化,通过理论公式计算得到温深传感器的压力灵敏度约为-1.267nm/MPa。而当光纤通过细金属管固定在弹性膜片上,同时对光纤施加预应力使光纤光栅的波长漂移2.5nm后,仿真得到温深传感器的压力灵敏度约为-1.423nm/MPa,验证了温深传感器结构设计的合理性。利用激光焊接工艺制作出基于光纤光栅的海洋温深传感器S1、S2,在实验室中对温深传感器S1、S2进行了温度和压力的标定实验,5～30℃温度范围内,温深传感器S1、S2的平均温度灵敏度分别是14.765pm/℃、13.705pm/℃,升降温曲线的线性度达99.9%以上;在0.1～0.6MPa压力范围内,温深传感器S1和S2的平均压力灵敏度分别为-2.75586nm/MPa、-3.00472nm/MPa,升降压曲线的线性度达99.99%以上,且重合度较好。之后用封装好的温深传感器S1、S2在威海对海水的温度和深度进行实测,同时用美国海鸟公司生产的SEA911plus温盐深仪在同一地点与研制的温深传感器S1、S2进行了比测,实验发现通过SEA911plus温盐深仪所测的温深数据点与通过温深传感器S1、S2所测的温深剖面曲线分布趋势一致。另外,将研制的温深传感器S1、S2的技术参数与国内外研发的XBT产品的技术参数对比后发现,温深传感器的温度分辨率虽然略低于XBT,但深度分辨率明显比XBT高一个数量级,且没有温度延迟现象。此次海试验证了将光纤光栅海洋温深传感器用于获取海水温深数据的可行性,研制的海洋温深传感器与XBT相比具有优势,在海洋温深剖面探测领域具有广阔的应用前景。