Griglia in fibra Bragg (FBG) Sensore di pressione per la misurazione della profondità dell'acqua di mare

Per soddisfare i requisiti di misurazione continua della resistenza aerodinamica dei profili di temperatura e profondità dell'oceano, il grigliato in fibra di Bragg (FBG) Il sensore di pressione per la misurazione della profondità dell'acqua di mare utilizza i sensori di compensazione della temperatura FBG per risolvere il problema della sensibilità incrociata. A causa dell'incoerenza nel tempo di risposta alla temperatura tra i due, C'è una deviazione nel testare la pressione dell'acqua di mare in aree con fluttuazioni di temperatura come vortici e fronti a mesoscala. Un nuovo tipo di sensore di pressione a griglia di Bragg a doppia fibra è stato progettato per affrontare questo fenomeno. Incapsulando la compensazione della temperatura e i reticoli in fibra di pressione di Bragg al centro e sul bordo del sensore di pressione (La griglia del bordo non entra in contatto con la membrana elastica ed è influenzata solo dalla temperatura), Le sue caratteristiche di risposta alla temperatura sono vicine alla consistenza. I risultati dei test sperimentali mostrano che la compensazione della temperatura e il reticolo in fibra di pressione del sensore hanno un tempo di risposta alla temperatura di 1.45 s e 1.52 s, rispettivamente, con buona coerenza nella risposta. Attraverso prove in mare, è stato verificato che il coefficiente di correlazione tra il sensore di pressione FBG e il sensore di pressione di riferimento ALEC-TD è pari a 0.9906, che sostanzialmente elimina gli errori di misurazione causati da risposte di temperatura incoerenti e può ottenere una misurazione accurata della pressione.

La temperatura e la profondità dell'acqua di mare sono parametri importanti nel monitoraggio dell'ambiente marino. L'acquisizione di questo parametro è spesso influenzata da cambiamenti nei fattori ambientali. Ottenere le informazioni sul profilo di temperatura e profondità di varie masse d'acqua fredda e vortici a mesoscala nell'acqua di mare, il tradizionale strumento di misura del profilo di temperatura abbandonato XBT è soggetto a errori di calcolo a causa del rischio di perdite d'acqua e perdite nella sua sonda di rilevamento, E i dati di profondità sono anche facilmente influenzati dalle onde del fondale marino e dai cambiamenti di temperatura. Il sensore a griglia in fibra ottica trainato a bordo della nave presenta vantaggi come una forte capacità anti-interferenza, alta sensibilità, di piccole dimensioni, Isolamento intrinseco, Misurazione continua, e misura distribuita multisensore. È in grado di rappresentare in modo accurato e meticoloso le informazioni sul profilo di temperatura e profondità delle masse d'acqua fredda e dei vortici a mesoscala, il che lo rende adatto per l'applicazione in ambienti marini.

Abbiamo condotto prove di trascinamento su grigliato in fibra di Bragg (FBG) sensori di pressione e temperatura nella regione del Mar Giallo del Nord, e ha completato i test comparativi tra i sensori di pressione FBG e i sensori di pressione di riferimento ALEC. Attraverso l'elaborazione del fitting dei dati, Si è scoperto che quando c'è un improvviso cambiamento di temperatura nelle aree marine come i vortici e i fronti a mesoscala, lo scostamento di misura tra il sensore di pressione FBG e il sensore di pressione di riferimento ALEC aumenterà immediatamente. Tuttavia, quando la variazione di temperatura non è significativa, Non esiste un fenomeno del genere. Il motivo dell'analisi è che il tempo di risposta del sensore di pressione FBG e del sensore di temperatura FBG alla temperatura è incoerente, con conseguenti errori di misurazione del sensore di pressione FBG.

In risposta al problema della risposta incoerente della temperatura dei sensori, Questo articolo conduce principalmente ricerche da tre aspetti:

1) Progetta un nuovo tipo di sensore di pressione a griglia di Bragg a doppia fibra, incapsulamento della compensazione della temperatura e della pressione in fibra di Bragg parallelamente al bordo e al centro del sensore, in modo che siano uniformemente influenzati dalla temperatura;

2) Calibrare la sensibilità alla temperatura e alla pressione del sensore confezionato per determinare il coefficiente di pressione dopo la compensazione della temperatura;

3) Condurre test del tempo di risposta alla temperatura sul sensore in laboratorio e verificarne la coerenza con il sensore di pressione di riferimento ALEC attraverso prove in mare.

Progettazione e imballaggio dei sensori

Al fine di soddisfare i requisiti di alta sensibilità, Resistenza alla pressione dell'acqua, e caratteristiche di risposta, il nuovo sensore di pressione a doppio FBG adotta una tecnologia di sensibilizzazione della struttura a membrana. Rispetto ai metodi di imballaggio tradizionali, L'imballaggio a membrana presenta svantaggi come la scarsa stabilità, non adatto per la misurazione dinamica, facile invecchiamento ad alte temperature, e difficoltà nella connessione seriale. Tuttavia, L'imballaggio a membrana ha buone prestazioni nel raggiungere un'ampia gamma e un'elevata sensibilità, e può essere utilizzato per la misurazione dinamica della resistenza. Il doppio sensore di pressione FBG utilizza reticoli di Bragg in fibra metallizzata, che vengono saldati in parallelo alle posizioni del centro e del bordo della membrana mediante saldatura laser (i grigliati di Bragg in fibra compensata in temperatura non entrano in contatto con la membrana, saldato solo alla base).

Rappresentazione schematica e fisica dei sensori a reticolo in fibra ottica

Dopo l'imballaggio speciale, il coefficiente ottico termico del sensore di pressione FBG non è cambiato nei calcoli teorici, ma la sua dilatazione termica ha causato un cambiamento nello stress. La relazione tra temperatura e lunghezza d'onda dopo l'imballaggio è Δλ B= λ B [ α + ξ + (1-Pe)( α Sub – α) ]Δ T (1)

Il sensore di pressione FBG converte la variazione della pressione dell'acqua in deformazione assiale FBG, e ripristina le informazioni del segnale di pressione dell'acqua di mare rilevando la corrispondente variazione di lunghezza d'onda.

Variazioni della lunghezza d'onda risonante di FBG e della deformazione assiale delle fibre ottiche ε La relazione di f è [11] Δλ = (1-Pe) λ B ε F (2)

Nella formula λ B è la lunghezza d'onda risonante, e Pe è il coefficiente ottico elastico della fibra.

Supponendo che l'equilibrio termico non venga interrotto, La distribuzione della temperatura sulla parete del tubo del sensore confezionato con un cilindro a membrana è uniforme, e l'equazione differenziale della temperatura nel tempo è [10] d Tdt= Γ A (Tf-T) Vcp ρ (3)

Nella formula, Tf è la temperatura ambiente, e T è la temperatura della parete del tubo metallico, Γ Il coefficiente di scambio termico tra l'acqua e la superficie metallica, dove A è la superficie del tubo del diaframma metallico, ρ， Cp e V sono la densità, Capacità termica specifica, e volume del tubo a guscio metallico, rispettivamente.

3 Test sperimentali

3.1 Test della temperatura del sensore

La configurazione sperimentale del sensore FBG viene utilizzata per determinare la sensibilità del sensore di pressione FBG alla temperatura, e la calibrazione della sensibilità alla temperatura viene eseguita sul sensore confezionato. La taratura viene effettuata in un bagno d'acqua a temperatura costante, utilizzando SBE56 come sensore di temperatura di riferimento. Selezionare 8 punti di temperatura nell'intervallo di 2-35 °C, e garantire che il tempo stabile in ogni punto di temperatura non sia inferiore a 1 ora. Prendi la media di ogni punto di temperatura stabile per 2 minuti per determinare la relazione corrispondente tra la temperatura e le variazioni di lunghezza d'onda. Figura 3 è ottenuto mediante adattamento quadratico utilizzando il software di elaborazione dati Origin. La compensazione della temperatura e la sensibilità alla temperatura del reticolo in fibra di Bragg del doppio sensore di pressione FBG sono 29.11 e 28.80 pm/°C, rispettivamente, e la linearità di adattamento R2 è 0.999 99 99.

Curva di adattamento quadratica della lunghezza d'onda della temperatura

3.2 Controllo della pressione del sensore

3.2.1 Test di resistenza alla tensione del reticolo in fibra di Bragg compensato in temperatura del sensore Al fine di verificare se la lunghezza d'onda centrale del reticolo in fibra di Bragg compensata in temperatura del sensore è influenzata dalla pressione esterna, I test di taratura della pressione vengono eseguiti sul sensore in laboratorio. Nell'esperimento, Per la taratura della pressione è stato utilizzato un serbatoio a pressione, e il sensore di temperatura SBE56 è stato utilizzato come temperatura di riferimento. Un totale di 9 I punti di pressione sono stati selezionati per i test di pressione e riduzione della pressione, con un campo di pressione di 0-0.8 MPa e ogni aumento di 0.1 Mpa.

Si può vedere che dopo aver rimosso l'influenza delle variazioni di temperatura, Il reticolo in fibra ottica compensato in temperatura del sensore rientra nell'intervallo di pressione di 0-0.8 Mpa, con una deriva della lunghezza d'onda del cuore di soli 0.01 Ore. Il reticolo in fibra ottica di rilevamento compensato in temperatura non si trova sulla membrana, causato dall'errore di misura del sensore di riferimento SBE56. Si determina che la griglia in fibra ottica con compensazione della temperatura non è influenzata dalla pressione esterna. Eseguire un test di tenuta alla tensione sulle fibre ottiche di compensazione della temperatura di due sensori.

Test di taratura della pressione del sensore: A causa dell'imballaggio parallelo della griglia di Bragg in fibra compensata in pressione e temperatura del sensore sul sensore, Le loro lunghezze d'onda centrali sono influenzate dalla temperatura senza essere sottoposte a pressione. Il test di resistenza alla pressione del reticolo in fibra di Bragg compensato in temperatura nel sensore di pressione è coerente. Pertanto, se sottoposto a pressione esterna, il sensore può compensare la temperatura del reticolo in fibra di Bragg a pressione mediante la variazione della lunghezza d'onda centrale del proprio reticolo in fibra di Bragg compensato in temperatura.

Per determinare la sensibilità del sensore di pressione, Cioè, la corrispondenza tra il valore di pressione misurato e la lunghezza d'onda centrale del reticolo in fibra di Bragg a pressione compensata in temperatura, È richiesto un test di taratura della pressione, e il processo di pressurizzazione è lo stesso di cui sopra. L'adattamento con il software di elaborazione dati Origin mostra che la sensibilità raggiunge 959.017 pm/MPa, con un accoppiamento lineare R2 di 0.999 9. Ha una buona ripetibilità ed è adatto per misurare l'alta pressione dell'acqua di mare.

La curva di adattamento quadratico della pressione della lunghezza d'onda dei sensori di pressione FBG viene generalmente utilizzata per i sensori di pressione FBG nei test oceanici, dove 1 MPa corrisponde a una profondità di circa 100 metri in acqua di mare. Quando il sensore di pressione FBG non è compensato in temperatura, per ogni 1 Variazione in °C della temperatura ambiente, la sua deriva di lunghezza d'onda è 28.80 Ore. La sensibilità del sensore di pressione FBG è 959 pm/MPa, e la corrispondente variazione di pressione è 0.030 Mpa. L'errore di profondità può raggiungere 3.0 m. Pertanto, nel processo di misurazione della pressione, è estremamente necessario eseguire una compensazione della temperatura accurata e in tempo reale sui sensori di pressione FBG al fine di ridurre gli errori di misurazione, E risolvere il problema dei tempi di risposta incoerenti è l'obiettivo principale della ricerca di questo articolo.

Il test del tempo di risposta alla temperatura del sensore sposta rapidamente la pressione FBG e il suo sensore di compensazione della temperatura dal serbatoio dell'acqua fredda al bagno d'acqua ad alta temperatura, e ne monitora la variazione di temperatura in tempo reale attraverso un demodulatore di temperatura. Secondo il metodo di calibrazione della risposta dinamica per sensori di temperatura, Il tempo di risposta è 63.2% del tempo necessario per raggiungere una temperatura stabile. Come mostrato in Figura 6, Il tempo di risposta della fibra di compensazione della temperatura del sensore è 1.45 s, mentre il tempo di risposta della fibra di pressione è 1.52 s, con una differenza di tempo di risposta di 0.07 s tra di loro, che è fondamentalmente coerente. 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.

Nel mese di luglio 2017, dopo il traino, sono stati condotti esperimenti nell'area del Mar Giallo, Figura 7 è stato ottenuto tramite il software di elaborazione dati originale. La griglia in fibra di Bragg per la compensazione della temperatura e la griglia in fibra di Bragg a pressione del sensore hanno lo stesso tempo di risposta alla temperatura. Anche in caso di sbalzi di temperatura in Figura 6, il sensore di pressione FBG è in grado di compensare con precisione la temperatura in tempo reale. L'errore di misura causato da una risposta incoerente della temperatura è stato sostanzialmente eliminato, e il coefficiente di correlazione tra il sensore e l'ALEC è pari a 0.9906.

Curve dei dati del sensore di pressione FBG e ALEC

Questo articolo esamina il problema della risposta alla temperatura incoerente dei sensori di compensazione della pressione e della temperatura FBG. Progettando e confezionando un nuovo sensore di pressione a griglia di Bragg a doppia fibra, Il tempo di risposta alla temperatura è vicino alla consistenza. Primo, Calibrare la sensibilità alla temperatura e alla pressione del sensore per determinare il coefficiente di pressione dopo la compensazione della temperatura.

Dopo il test del tempo di risposta, la griglia di Bragg in fibra di compensazione della temperatura e la griglia di Bragg in fibra di pressione del sensore hanno tempi di risposta alla temperatura di 1.45 s e 1.52 s, rispettivamente. Attraverso prove in mare, È stato verificato che il sensore ha buone caratteristiche di risposta dinamica alla temperatura, Fondamentalmente eliminando l'impatto della sensibilità incrociata della temperatura di deformazione nei sensori di pressione. Soddisfare i requisiti della misurazione della temperatura e del profilo di profondità dell'oceano è di grande importanza per lo studio dell'ambiente marino.

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