一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，包括传感器模块和位于传感器模块外部的保护装置，传感器模块包括安装基板和设置于安装基板上的四条相同结构的FBG阵列；每条FBG阵列均包括增敏片和设置于增敏片上的光纤，光纤上通过飞秒激光技术刻写有多个不同反射波长的等间隔FBG，形成了FBG阵列，相邻两条FBG阵列采用错位排列；增敏片上沿纵向分布有一条光纤布置槽，光纤布置槽上均匀设置有多个点胶槽，相邻的两个点胶槽之间开设一个光栅布置孔，用于感应外界海水温度变化。本发明专利技术所公开的传感器结构简单，成本低、体积小，水下工作安全可靠，温度测量灵敏度高，为海水表层温度探测提供了一种全新的技术手段。表层温度探测提供了一种全新的技术手段。表层温度探测提供了一种全新的技术手段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器


[0001]本专利技术涉及一种海水温度传感器，特别涉及一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器。

技术介绍

[0002]准确获取海水表层（海气界面水边界层）温度数据对于气候变化、海洋环境、国防军事以及水产养殖等研究方面具有重要的科学意义。《海气界面水边界层温度剖面精细测量技术研究》论文中指出：国内外海洋领域学者普遍把海水0
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0.5m深度范围定义为海气界面水边界层。
[0003]目前，海水温度监测主要有单点水温传感器、远红外以及卫星遥感技术等。而单点水温传感器体积大，在0
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0.5m深度范围内能够获取的温度剖面数据有限；远红外以及卫星遥感技术只能获得海水表面的温度数据。
[0004]经检索发现，中国专利申请号：202011259168.6，专利名称：一种用于海水皮温测量的分段立体式温度阵列传感器，提出了一种可针对海水表层0
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0.5m的海水剖面温度进行高精度立体观测的传感器。中国专利申请号：202011576886.6，专利名称：一种走航式船用强磁表贴式海水表层温度测量装置及测量方法，提出了一种适用于安装在钢铁船舶船舷，进行走航式实时测量海水表层温度数据测量的装置。在非专利文献方面，范宇聪提出了一种海气界面水边界层温度剖面精细测量系统；但是上述方法都采用了电学温度传感器，一方面由于电学传感器本身尺寸的限制，无法在0
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0.5m的空间布置更多的传感器，扩展性不高，导致在温度剖面上的测量分辨率低；另一方面电学传感器封装时需考虑密封防水等因素，使得传感器复杂、制造和维护成本都较高，应用场景受限。
[0005]光纤布拉格光栅（FBG）因其体积小、成本低、水下无源、易于成阵组网等特点，成为传感领域的研究热点，已经在工农业、军事等多个领域大量应用。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，采用光纤布拉格光栅（FBG）阵列，以达到结构简单，成本低、体积小，水下工作安全可靠，测量灵敏度和分辨率高，可实现海气界面全方位高精度立体监测的目的。
[0007]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，包括传感器模块和位于传感器模块外部的保护装置；所述传感器模块包括安装基板和设置于安装基板上的四条相同结构的FBG阵列，其中两条FBG阵列分布于安装基板纵向的左侧，另外两条FBG阵列分布于安装基板纵向的右侧；每条FBG阵列均包括安装于安装基板上的增敏片和设置于增敏片上的光纤，所述光纤上通过飞秒激光技术刻写有多个不同反射波长的等间隔FBG，形成了FBG阵列，且左侧及右侧的两条FBG阵列分别采用错位排列；所述增敏片上沿纵向分布有一条用于容纳光纤的光纤布置槽，所述光纤布置槽上均匀设置有多个点胶槽，相邻的两个点胶槽之间
开设一个FBG布置孔，所述光纤上的FBG位于FBG布置孔内，且光纤通过点胶槽内的光纤粘结胶与增敏片进行封装，相邻的两个点胶槽之间的光纤上施加预拉力，所述增敏片两端开设与光纤布置槽交叉的应力释放条形孔。
[0008]上述方案中，每个所述FBG的栅区长度为1mm到20mm，相邻的FBG间隔为0.05mm到10mm；多个FBG的波长在1510nm
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1590nm范围内。
[0009]上述方案中，分布于安装基板纵向左侧的为第一条FBG阵列和第三条FBG阵列，分布于安装基板纵向右侧的为第二条FBG阵列和第四条FBG阵列，所述第一条FBG阵列和第三条FBG阵列在安装基板纵向上错位5mm布置，所述第二条FBG阵列和第四条FBG阵列在安装基板纵向上错位5mm布置，所述第一条FBG阵列和第四条FBG阵列上的光栅构成一个深度测量序列，相邻的FBG之间间隔10mm，所述第二条FBG阵列和第三条FBG阵列上的FBG构成一个深度测量序列，相邻的FBG之间间隔10mm。
[0010]上述方案中，所述保护装置包括外壳、上盖及下盖，所述上盖顶部设置尾纤集成模块和外接板，所述尾纤集成模块上设置四个光纤跳线快速接头。
[0011]上述方案中，所述外壳为筒型网状结构，采用铍青铜材料，表面涂覆防生物附着层，所述外壳与上盖和下盖之间通过螺栓连接。
[0012]上述方案中，所述下盖中部开设圆孔，所述圆孔内设置过滤网。
[0013]上述方案中，所述安装基板两端分别设置一体成型的连接折板，所述连接折板与上盖和下盖通过螺栓连接。
[0014]上述方案中，所述光纤布置槽横截面为倒梯型截面，每个点胶槽与FBG布置孔之间的光纤布置槽内封装红胶，点胶槽与FBG布置孔之间的增敏片上设置硅胶垫，所述硅胶垫用光纤压板通过紧固螺钉紧固于增敏片上。
[0015]上述方案中，所述点胶槽为2mm
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2mm的方形槽，为增敏片上的非贯通槽；所述FBG布置孔为贯通增敏片的圆形孔。
[0016]进一步的技术方案，所述光纤在增敏片中封装包括以下步骤：（1）将光纤放置于增敏片上的光纤布置槽内，并使得光纤上的每个FBG处于相应FBG布置孔的中间位置；（2）在增敏片上的左侧第一个点胶槽内点上光纤粘结胶，加热固化；（3）待光纤粘结胶固化后，对右侧部分的光纤施加持续的0.1N拉力，再在下一个点胶槽内点上光纤粘结胶，待光纤粘结胶固化，这样就完成了第一个FBG的封装；（4）后续FBG的封装重复步骤（3），直至完最后一个点胶槽处光纤粘结胶的固化；（5）最后，在每个点胶槽与FBG布置孔之间的光纤布置槽内涂覆红胶，然后加热固化，并在点胶槽与FBG布置孔之间的增敏片上放置硅胶垫，利用光纤压板通过紧固螺钉紧固于增敏片上。
[0017]通过上述技术方案，本专利技术提供的一种基于FBG原理的海水表层温度阵列传感器具有如下有益效果：1、本专利技术采用FBG温度传感器为光学无源器件，水下工作安全可靠，检测信号为光信号，避开了传统的电信号检测设备水密等技术难题。
[0018]2、本专利技术中采用四条FBG阵列同时测量，每条光纤代表一个通道，每根光纤上的多个FBG的波长不同，因此，采用光纤光栅波分复用和多通道相结合的解调技术来测量各光纤
光栅传感器的布拉格波长，进而测量不同波长对应的温度。本方法便于扩展深度与层数，并且结构简单、成本低、体积小、使用方便、可靠性和测量灵敏度高。
[0019]3、本专利技术中FBG温度传感器在海水深度（500mm）方向阵列式精密分布，单通道（1条光纤）上写制多个FBG，每个FBG间隔10mm，两个通道构成一个深度序列，两个深度序列纵向错位，大大提高空间分辨率；同时本专利技术对FBG进行了增敏封装，在封装过程中，施加一定的预拉力，可以提高光栅的灵敏度，从而实现海气界面的温度剖面的全方位高精度立体式监测。
[0020]4、本专利技术通过上盖顶部的外接板可以方便搭载于海上移动平台上，整体结构采用耐腐蚀材料，且外壳为铜网筒体结构并涂覆防生物附着材料，防止生物附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，包括传感器模块和位于传感器模块外部的保护装置；所述传感器模块包括安装基板和设置于安装基板上的四条相同结构的FBG阵列，其中两条FBG阵列分布于安装基板纵向的左侧，另外两条FBG阵列分布于安装基板纵向的右侧；每条FBG阵列均包括安装于安装基板上的增敏片和设置于增敏片上的光纤，所述光纤上通过飞秒激光技术刻写有多个不同反射波长的等间隔FBG，形成了FBG阵列，且左侧及右侧的两条FBG阵列分别采用错位排列；所述增敏片上沿纵向分布有一条用于容纳光纤的光纤布置槽，所述光纤布置槽上均匀设置有多个点胶槽，相邻的两个点胶槽之间开设一个FBG布置孔，所述光纤上的FBG位于FBG布置孔内，且光纤通过点胶槽内的光纤粘结胶与增敏片进行封装，相邻的两个点胶槽之间的光纤上施加预拉力，所述增敏片两端开设与光纤布置槽交叉的应力释放条形孔。2.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，每个所述FBG的栅区长度为1mm到20mm，相邻的FBG间隔为0.05mm到10mm；多个FBG的波长在1510nm
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1590nm范围内。3.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，分布于安装基板纵向左侧的为第一条FBG阵列和第三条FBG阵列，分布于安装基板纵向右侧的为第二条FBG阵列和第四条FBG阵列，所述第一条FBG阵列和第三条FBG阵列在安装基板纵向上错位5mm布置，所述第二条FBG阵列和第四条FBG阵列在安装基板纵向上错位5mm布置，所述第一条FBG阵列和第四条FBG阵列上的光栅构成一个深度测量序列，相邻的FBG之间间隔10mm，所述第二条FBG阵列和第三条FBG阵列上的FBG构成一个深度测量序列，相邻的FBG之间间隔10mm。4.根据权利要求1所述的一种基于FBG阵列的海水表层温度密集剖面传感器，其特征在于，所述保护装置包括外壳、上盖及下盖，所述上盖顶部设置尾纤集成...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵强，杜大伟，张建伟，于璐瑶，丁宝艳，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：