一种投弃式全光纤海水温深剖面传感器的制作方法

本发明涉及一种投弃式海水温深剖面测量领域，特别是涉及一种投弃式全光纤海水温深剖面传感器的制作方法。

背景技术：

船载投弃式温度剖面测量仪(Expendable Bathy Thermograph，XBT)是海洋温深度测量的重要仪器，对获得的海洋水文数据对于气候变化、物理海洋学及军事研究有重要的意义，因此受到极大关注。然而，传统XBT探头的温度敏感元件一般采用热敏电阻，存在严重的热电非线性问题；深度数据则是由探头下落速度和时间代入深度计算公式估算而来，并非精确测量的结果。由于海流等的影响，探头在水下的运动具有不可预测性，计算获得的深度数据与实际深度数据往往相差较大。此外，水下探头内置测量电路和电池，存在漏水漏电造成探头失效的问题。

光纤光栅传感器是利用光纤光栅中心波长与外界环境参数成一定的函数关系的原理，通过探测波长的变化从而获得外界环境参数的一种传感器。由于光纤光栅传感是对光的波长进行检测，光强起伏对传感量(波长)没有影响，抗干扰能力强，灵敏度高，体积小，本征绝缘等优点。

国家海洋技术中心提出一种光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头，并申请了专利(申请号：201510191680.4)。根据其说明书中[0005]、[0018]和[0034]段的描述，可以推断该专利中感温和感深光栅均采用了光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings：FBG)。另外，七一五研究所也提出过一种消耗性光纤温深探头(申请号：201110032997.5案件状态：逾期视撤失效)，其温度敏感元件为FBG。典型的FBG温度灵敏度为10pm/℃，按照±1pm解调精度计算，基于FBG的温度传感器精度仅为±0.1℃。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种投弃式全光纤海水温深剖面传感器，以克服现有技术的上述不足。

一种投弃式全光纤海水温深剖面传感器，其特征在于包括防护罩和安装在防护罩内的全光纤温深传感器，所述全光纤温深传感器包括测量海水温度的镀增敏膜的长周期光纤光栅(Long period fiber gratings：LPG)，测量海水深度的FBG，以实现对海水温深度剖面的高灵敏度和分别独立测量；利用光纤熔接机依次将光纤端面反射镜、镀增敏膜的LPG、FBG以及下纤轴一端进行连接，并分别在镀增敏膜的LPG与FBG的两侧选择连接点，通过连接点将上述光纤海水温深度核心敏感元件粘接在固定支架的突出部上，所述下纤轴另一端与上纤轴一端相连；上纤轴另一端与3dB耦合器相连，3dB耦合器的另外两个端口分别与宽带光源和高精度光纤光栅快速解调模块相连；所述LPG的增敏膜是先镀一层银膜增敏，再镀一层钝化膜以对增敏膜进行防氧化保护；上述光FBG和LPG的波段范围分别设计为1510～1550nm和1550～1590nm，有效避免了FBG和LPG间的信道串扰。

为防止光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅之间出现包层模式再耦合的现象，两器件间距应大于2cm；光纤端面反射镜的反射率在30-90％为宜。

所述全光纤探头保护罩为流线型设计，并带3片尾翼。

本发明中，LPG的周期为几十到几百微米，能够将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件。从模式耦合机理来看，FBG是前向传输的基模与后向传输的一阶各次芯模之间的耦合；而LPG是前向传输的基模与同向的一阶各次包层模式之间的耦合。因此LPG对于温度、应力、外界折射率等环境参数的敏感性要远高于一般的光纤光栅。

本发明的投弃式全光纤海水温深剖面传感器采用LPG进行温度测量，以获得测量精度高、速度快的效果。LPG耦合的相位匹配条件

β_co-β_cl^(p)＝2π/Λ (1)

其中β_co和β_cl^(p)分别为光纤传输基模HE₁₁和包层模HE_1p的传播常数，Λ为光栅的周期。由于导模和包层模的传播常数都是波长的函数，所以在LPG中，导模可以和几个包层模在不同波长满足相位匹配条件，从而使得光波可以从导模被耦合到几个包层模，而耦合到包层模的功率将很快衰减掉。在宽带光源入射的条件下，输出光谱上将出现以相位匹配波长(又称耦合波长)为中心的多个吸收峰。

由式(1)可以推得耦合峰中心波长的计算公式：

λ_LP＝(n_co-n_cl)Λ (2)

式中：λ_LP为LPG基模与包层模耦合时的谐振波长，n_co、n_cl分别为基模和包层模的有效折射率。其传感的基础是其耦合谐振峰中心波长随外界参数(环境温度、应力、折射率等)变化而移动。

根据耦合模理论，LPG的相位匹配条件满足式(1)，其中纤芯和包层有效折射率及光栅周期都是温度的函数，方程两边同时取温度的微分可得LPG的温度灵敏度表达式

其中，为1阶包层模式的第m次谐振波长；为纤芯基模有效折射率；为1阶m次包层模式的有效折射率；Λ为LPG的周期。

本发明的FBG深度测量原理基于耦合模式理论，当满足相位匹配条件时，光栅的布喇格波长为

λ_B＝2n_effΛ (4)

式中：λ_B为布喇格波长；n_eff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅周期。

宽谱光源入射光纤后，经过FBG会有波长λ_B的光返回，其他的光将透射。外界的被测量引起FBG温度、应力变化时都会导致反射的中心波长的变化，接收端解调出受调制的波长变化就可以检测到被测量。

式中：分别为光纤的热膨胀系数、热光系数和弹光系数。

深度检测是由压力检测通过一定的关系转换过来的。温度不变时，光纤光栅只受轴向应变作用，中心反射波长相对变化为

式中：P_e＝n_eff2[P₁₂-μ(P₁₁+P₁₂)]/2为光纤的有效弹光系数；μ为纤芯材料的泊松比；P₁₁和P₁₂为弹光系数；n_eff为光纤传播模式的有效折射率。

本发明目的是提供一种投弃式光纤海水温深剖面传感器，以克服传统XBT的不足，提高现有光学类方法的测量精度。

从测量精度的角度分析，本专利中提出利用LPG和FBG分别制得海水温度和深度传感器，其温度和深度精度分别达0.003℃和0.1％F.S.，且其数据均为测量数据，克服了传统XBT深度数据为估算的问题；利用LPG作为测温单元(以镀膜增敏的LPG为测温元件)，比七一五研究所和国家海洋技术中心方案(以FBG为测温元件)的灵敏度高2个数量级，对温度剖面的测量更加精准。

从系统结构和实用性角度分析，实际工程应用中，传感器需要安装在现场甚至野外，而光源和解调仪等设备一般都会在专门的控制室，两者之间通常都有一定距离，本发明能够使用上述需求。而在大规模的传感网络中，更不宜采用传统透射光路方案，否则光路数量将会加倍，造成资源浪费，施工难度大的问题。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

针对传统XBT和现有光纤XBT测量方法存在的技术问题，本发明提出一种投弃式全光纤海水温深剖面传感器，即利用光纤光栅作为海水温深度敏感元件，其中以镀增敏膜的LPG作为海水温度敏感元件，提高了温度测量灵敏度；以FBG作为海水深度敏感元件，获得了深度的直接测量值，探头制作简单，成本低廉，为海水温深剖面探测提供了一种新的技术手段。

本专利与传统XBT技术相比较，具体优势和创造性体现在：

提出利用LPG和FBG级联复合结构同步测量海水温度和深度，其温度和深度精度分别达0.01℃和0.1％F.S.，且其数据均为测量数据，克服了传统XBT深度数据为估算的问题。但是LPG测温的引进存在交叉敏感、灵敏度有待提高和透射光路结构复杂等问题，具体解决方案如：(1)交叉敏感的解决方案。LPG对外界温度、折射率、扭转和弯曲等存在交叉敏感的问题。本发明以在LPG栅区镀膜的方式屏蔽外界折射率的影响，先镀一层银膜增敏，再镀一层钝化膜对增敏膜进行防氧化保护的方法制得；采用弹簧或弹性悬臂梁等特殊拉伸结构，产生了大小适宜的轴向拉力，使得LPG栅区始终处于恒定拉力拉直状态，解决了扭转和弯曲对LPG的影响。(2)传感器增敏的方案。FBG的温度灵敏度为10pm/℃，普通LPG的温度灵敏度在40～50pm/℃，镀增敏膜的LPG温度灵敏度达-370pm/℃以上(如图1所示)。如解调精度按1pm计，则FBG、普通LPG和镀增敏膜的LPG测温精度分别约为：0.1℃、0.02℃和0.003℃。可见LPG镀增敏膜效果明显，基本达到了海洋测温需求。(3)光路结构优化方案。由于LPG属于透射型器件，无后向反射光，通常采用透射光路对其进行解调。考虑到XBT系统中纤轴绕制的方便，要求采用单根光纤进行数据传输。而典型的透射光路是由双光路组成，给纤轴绕制造成了几乎无法克服的困难。对此本发明提出了在光路末端连接光纤端面反射镜的方案，即可利用LPG灵敏度高的优势，也可简化光路结构，降低纤轴绕制难度。

本专利与现有光纤XBT技术相比较，具体优势和创造性体现在：

(1)温度测量精度的提高

利用LPG作为测温单元(现有LPG温度灵敏度已达0.003℃以上，图1)，比七一五研究所和国家海洋技术中心方案(以FBG为测温单元，温度灵敏度为0.1℃)的灵敏度高2个数量级，对温度剖面的测量更加精准。

(2)实现FBG和LPG的单光路级联

提出利用光纤端面反射镜的方式，将LPG的惯用的透射式双光路简化为反射式单光路(单尾纤)，使得FBG和LPG级联复合结构实现在一根光纤中发射和接收，简化了光路结构，降低了后来的纤轴绕制难度，减小了纤轴体积，优化了系统性能。

(3)合理分配解调波段范围，实现温深度同步检测

对同一通道而言，现有商用解调仪(典型工作带宽：1510～1590nm)无法同时测量峰值和谷值，但不同的通道却可以分别测量波峰和波谷。利用3dB耦合器和光纤隔离器将返回光分别接到解调仪的两个通道上，并且将FBG和LPG的光谱范围分别设计为为1510～1550nm和1550～1590nm，实现波峰与波谷的同步测量。

综上，本发明提供的一种投弃式光纤海水温深剖面传感器，采用全光纤传感器，本征绝缘，有效避免了传统电学类水下传感器深度测量误差大、漏电漏水等问题；利用LPG作为测温单元，提高了现有光纤XBT方法的测温精度，并合理分配了波谱范围，实现FBG-LPG的单光路级联和同步检测。

附图说明

图1镀增敏膜的LPG温度灵敏度实验结果图

图2投弃式光纤温深剖面传感系统光路图

图3典型的FBG-LPG级联结构光谱图

图4全光纤温深探头三维示意图

其中，1为光纤温深传感器；2为光纤轴；3为甲板单元；11为LPG测温元件；12为FBG测深元件；13为光纤端面反射镜；14为固定基座；15为粘接点；16为光纤下纤轴；31为宽带光源；32为高精度光纤光栅快速解调模块；33为光纤3dB耦合器；34为光纤上纤轴。

具体实施方式

一种投弃式全光纤海水温深剖面传感器，其特征在于包括防护罩和安装在防护罩内的全光纤温深传感器(1)，所述全光纤温深传感器(1)包括测量海水温度的镀增敏膜的LPG(11)，测量海水深度的FBG(12)，以实现对海水温深度剖面的高灵敏度和分别独立测量；利用光纤熔接机依次将光纤端面反射镜(13)、镀增敏膜的LPG(11)、FBG(12)以及下纤轴(16)一端进行连接，并分别在镀增敏膜的LPG(11)与FBG(12)的两侧选择连接点(15)，通过连接点(15)将上述光纤海水温深度核心敏感元件粘接在固定支架(14)的突出部上，所述下纤轴(16)另一端与上纤轴(34)一端相连；上纤轴(34)另一端与3dB耦合器(33)相连，3dB耦合器(33)的另外两个端口分别与宽带光源(31)和高精度光纤光栅快速解调模块(32)相连，如图2所示。

所述LPG(11)的增敏膜是先镀一层银膜增敏，再镀一层钝化膜以对增敏膜进行防氧化保护。

所述FBG和LPG的波段范围分别设计为1510～1550nm和1550～1590nm，有效避免了FBG和LPG间的信道串扰。

为防止FBG和LPG之间出现包层模式再耦合的现象，两器件间距应大于2cm。光纤端面反射镜的反射率在30-90％为宜。

本发明利用熔接的方式，把FBG和LPG串联集成在同一根光纤上；利用在光路末端熔接光纤端面反射镜的方式，实现将透射的光谱反射回入射光路，达到简化光路结构，减小纤轴体积和便于绕制的目的。对同一通道而言，现有商用MOI解调仪(典型带宽：1510～1590nm)无法同时测量峰值和谷值，但不同的通道却可以分别测量波峰和波谷。利用3dB耦合器将返回光分别接到解调仪的两个通道上，实现波峰与波谷的同步测量。并且将FBG和LPG的波段范围分别设计为1510～1550nm和1550～1590nm，有效避免了光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅间的信道串扰。典型的FBG-LPG级联结构光谱如图3所示。

本发明封装时宜采用以下方式：

(1)筛选反射波长位于1510～1550nm波段的FBG作为深度敏感元件，透射谐振峰波长位于1550～1590nm波段的LPG作为核心敏感元件；

(2)利用机械增敏结构对FBG进行压力增敏封装，制得海水深度传感器。所述机械增敏结构为弹簧管、波纹膜片等可对光纤布拉格光栅进行拉伸或压缩的机械压力换能装置。

(3)利用弹簧或弹性悬臂梁等特殊拉伸结构，产生了大小适宜的轴向拉力，使得LPG栅区始终处于恒定拉力拉直状态，对LPG进行封装，制得海水温度传感器；

(4)用胶水将封装后的海水温度传感器和海水深度传感器粘接在固定基座上；

(5)LPG海水温度传感器的一端连接光纤端面反射镜，另一端连接FBG海水深度传感器；

(6)光纤FBG海水深度传感器另一端连接下纤轴；下纤轴位于全光纤探头的内部，光纤温深度传感器的后方。

(7)全光纤探头保护罩为流线型设计，并带3片尾翼，全光纤温深探头三维示意图如图4所示。