CN209432303U - 一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，包括弱光栅感温光缆、弱光栅解调模块、数据处理及通信终端；所述弱光栅感温光缆的一端与所述的弱光栅解调模块相连接，另一端垂直浸入待测水环境中，用于感测水环境中不同深度的水温。所述的弱光栅解调模块与弱光栅感温光缆的一端相连接，用于解调弱光纤光栅阵列反射的波长变化。所述的数据处理及通讯终端与弱光栅解调模块的数据输出口通过有线或者无线的方式相连接，波长数据的处理，获取水环境的温度梯度信息，并与外网连接。本实用新型克服了现有水温监测设备在测量密度、测量精度以及实时性上的不足，具有分布式、高精度、响应快等优点。

Description

一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置

技术领域

本实用新型涉及光纤温度传感领域，具体涉及一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置。

背景技术

水温，是表征水体热量时空分布的基本物理量，是一项重要的水体环境参数。对水温开展实时高精度测量，在水利调度、环境保护、水产捕捞、航道维管、水工建筑选址等领域具有重要意义。研究表明，太阳辐射、废热排放、水工建筑阻滞等作用往往会令大深度水体(如河流，胡泊，水库，海洋等)出现水温分层分布的现象，这极大地影响了人类的相关生产实践活动。例如，筑坝河上游泥沙演化过程与河流水温分层具有密切关系；大型水库下泄水的水温会对下游生态环境产生重要影响；核电站废热排放可使排水口附近水温升高进而造成微生物富集等。这些现象都要求人们能同时在某一水体断面的不同深度上对水温实现高精度密集监控，进而指导相关生产实践活动。现有的水温监测设备通常面临着测量精度低、耗时长、密集度低等问题。开发一种高精度、分布式、快速便捷的水温梯度监测设备将会在相关领域产生重要的应用价值。

光纤，既可作为光信号的传输通道，也可作为环境参量(如温度、应力、振动等)的感应介质，具有体积小、重量轻、易敷设、抗电磁干扰等诸多优点，在传感领域应用广泛。现有的光纤水温监测设备可分为两大类：基于散射(拉曼散射或布里渊散射)的分布式光纤监测设备和基于高反射率光栅(FBG)的光纤监测设备。前者往往存在误报率高，定位精度差，抗干扰能力弱，数据解调复杂等问题。后者是通过特定技术手段在光纤上刻画出具有周期性结构的高反射率光栅，利用光栅结构对环境参数变化敏感的特性实现水温监测。但普通光栅的反射率高，光栅复用数目少，空间分辨率往往会受到限制，此外，普通光栅多采用剥皮刻写后再涂覆，涂层均匀性差，温度线性度不好，很难满足高精度温度监测的需求。超弱光纤光栅是指具有极低反射率的光纤光栅(通常光栅的反射率低于0.1％)，单个光脉冲信号在光纤中传播时，可以透过大量的超弱光纤光栅，并依次留下反射信号。这些反射信号的绝对强度虽然不大，确足以被现有的光电探测器件收集并检出。因此，通过在一根光纤中高密度刻写弱光栅，进而构成超弱光纤光栅阵列，可以极大的提高有效传感单元的密度。此外，在超弱光纤光栅引入波分复用技术，可以进一步提高传感密度，这为开展水环境温度梯度的传感提供了坚实的物理基础。

综上所述，设计一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置将具有重大的应用潜力。目前未见相关技术。

发明内容

为克服现有水温监测设备在探测密度、探测精度等方面的不足。本实用新型提供了一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，克服了现有水温监测设备在测量密度、测量精度以及实时性上的不足，具有分布式、高精度、响应快等优点；在水利调度、环境保护、水产捕捞、航道维管等领域具有重要的应用价值。

本实用新型采取的技术方案为：

一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，包括弱光栅感温光缆、弱光栅解调模块、数据处理及通信终端；

所述弱光栅感温光缆的一端与所述的弱光栅解调模块相连接，另一端垂直浸入待测水环境中，用于感测水环境中不同深度的水温。

所述的弱光栅解调模块与弱光栅感温光缆的一端相连接，用于解调弱光纤光栅阵列反射的波长变化。

所述的数据处理及通讯终端与弱光栅解调模块的数据输出口通过有线或者无线的方式相连接，波长数据的处理，获取水环境的温度梯度信息，并与外网连接。

所述的弱光栅感温光缆包括弱光纤光栅阵列，与弱光栅固定的导引线，套在弱光纤光栅阵列和导引线外面的塑料管，塑料管外包覆有编织层。

所述的弱光纤光栅阵列上刻有多个全同或波分复用的低反射率光纤光栅阵列，采用非剥皮工艺刻写，光栅阵列的涂覆层为改性的丙烯酸酯层或透紫外涂覆层，厚度约为20um。

所述导引线直径约0.5mm～1mm,所述导引线在施加预张力后与所述光纤光栅阵列间隔固定，固定点的间隔为30cm。

所述套管空套在所述弱光纤光栅阵列和所述导引线的***，套管内径2.0mm～3.0mm，外径4.0mm～5.0mm，厚度为2mm。

所述的弱光栅感温光缆尾部连接有带水深传感功能的重物，用于反馈感温所测温度处的水深，将水环境温度与水深一一对应。

所述弱光栅感温光缆绕在转盘上，由受控电机释放，重物上的水深传感器可将信号传给受控电机，从而调节弱光栅感温光缆的释放长度。

所述弱光栅解调模块为采用窄带扫描激光作为光源，经过电光调制后入射到弱光纤光栅阵列中，弱光纤光栅阵列反射的信号光经过高速采集卡采集，利用算法滤除非光栅的反射光，提取各个光栅的反射信号，经过波长拟合，获得弱光纤光栅阵列中各个光栅的峰值波长。

所述的弱光栅解调模块在浮标上、或者由人工布设、或者定在坝体或岸边上；数据处理及通信终端置于沿岸基地，通过以太网或者WIFI或者GPS与通信网络连接。

一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测方法，包括以下步骤：

步骤一，温度标定：利用高精度点测量温度计标定所使用弱光纤光栅的反射波长漂移量与绝对温度的关系，获取“温度-波长”定标曲线；

步骤二：弱光栅感温光缆布设：将水环境温度梯度的监测装置移动至待测水域，控制收放***，缓慢放置弱光栅感温光缆，保证弱光栅感温光缆的垂直布设；

步骤三：光栅定位：弱光栅解调模块发出连续激光，经过调制后形成光脉冲，耦合进入弱光栅感温光缆，连续激光的波长按照指定的间隔，依次增长；不同波长的光脉冲入射在空间位置不同的光栅上，经反射后到达探测器的时间不同，经过波长与时间计算，结合辅助的深度标记，建立光栅位置与水深的关系；

步骤四：温度测量：

(1)根据步骤三中获得不同位置光栅的波长信息，建立校准文件，并保存在数据处理模块中；

(2)复位连续激光器的波长，再次扫描波长，记录对应位置光栅的反射信息，通过算法拟合，获得当前时刻的光栅波长，保存在数据处理模块中。

(3)重复上一步操作n-1次，将每次测得的峰值波长数据保存，建立数组。

(4)对n次测量的数据进行算法处理，获得当前时间段内毫秒级的归一化波长值；

(5)在数据处理及通信终端预先设置的算法，由当前归一化波长值及标定的温度-波长曲线，反演不同位置光栅点的水温分布；

步骤五：循环测量：重复所述步骤四，获得下一时刻水环境中不同深度位置的温度值；

步骤六：水环境温度梯度构建：将光栅的位置与温度匹配后上传给数据处理及通信终端，经过算法处理，建立水环境的温度梯度分布。

本实用新型一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，具有以下有益效果：

1)：时分/波分混合复用，水深度方向上传感单元的密度大。

超弱光纤光栅的超低反射率特性使得光脉冲可以连续穿透数千个光栅，并依次产生反射信号，目前时分解调技术的空间分辨率为2米；结合波分复用技术，在每个时分区间内，再次波分复用40的波长，空间分辨率可以达到0.05米，可以实现水深度方向上高密度温度场传感。

2)：易于布设，组网方便。

对于静止的水库，弱光栅感温光缆通过重物直接放入水中，即可实现温度梯度的在线监测；对于流动的水域，弱光栅感温光缆和辅助定位缆机械绑缚后，一起放入水中，即可实现温度梯度监测。由于光纤损耗低，信号传播距离远，多点探测组网方便。

3)：测量精度高、响应速度快。

超弱光纤光栅对外界环境温度变化十分敏感，这为高精度水温监测创造了有利条件。本实用新型的监测装置及方法的水温监测精度可达±0.05℃。此外，由于调制解调速度快，算法灵活，单次查询时间都在毫秒量级，远快于传统的测量方式(小时级)。

4)：性价比高。

超弱光纤光栅与普通光纤光栅的刻写技术相同，只是相应减少单个光栅曝光时间，技术成熟，光栅性价比高。此外，本实用新型的水环境温度监测装置在大范围内测量也仅需一套解调设备，相比较传统的单个高精度电子测量传感器，具有良好的性价比。

附图说明

图1为本实用新型装置示意图；

其中：1为数据处理及通信终端；2为弱光栅解调模块；3为弱光栅感温光缆；4为转盘；5为重物

图2为弱光栅感温光缆剖面示意图；

其中：6为编织物；7套管；8为弱光纤光栅阵列；9导引线；

图3为本实用新型安装布设实施例示意图；

其中：10为固定在浮标上；11为固定在岸边；

图4为单个弱光栅的“温度-波长”定标曲线图。

具体实施方式

一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，包括弱光栅感温光缆3、弱光栅解调模块2、数据处理及通信终端1。

所述的弱光栅感温光缆3的一端与所述的弱光栅解调模块1连接，另一端垂直浸入待测的水环境中，用于动态感测水环境中不同深度的水体温度。

所述的弱光栅解调模块2与感温光缆3一端连接，用于解调弱光纤光栅阵列8反射的波长变化；弱光栅解调模块上具有多个解调通道，可进行多路解调，实现空分复用。

所述的数据处理及通信终端1可以通过千兆以太网进或5G-WIFi与弱光栅解调模块2 进行连接，用于波长数据的获取以及对弱光栅解调模块的运行控制，数据处理及通信终端将获取到的波长数据进行处理后获得水环境温度梯度信息，并通过外网上传至终端数据库。

所述的弱光栅感温光缆3包括弱光纤光栅阵列8，与弱光纤光栅阵列8固定的导引线，套弱光纤光栅阵列8和导引线9外面的塑料管，塑料管外面包覆有编织层6；

所述的弱光纤光栅阵列8上刻写有多个全同或者波分复用的低反射率光纤光栅阵列，采用非剥皮工艺刻写，光纤光栅阵列的涂覆层为改性的丙烯酸酯层或透紫外涂覆层，厚度约为20um。

所述导引线9直径约0.5mm～1mm,所述导引线9在施加预张力后与所述光纤光栅阵列8 间隔固定，固定点的间隔为30cm。

所述套管7空套在所述特种光纤光栅阵列8和所述导引线9的***，套管7内径2.0mm～3.0mm，外径4.0mm～5.0mm，厚度为2mm。套管7采用塑料套管。

所述的弱光栅感温光缆3尾部连接有带水深传感功能的重物5。

所述弱光栅感温光缆3绕在转盘4上，由受控电机释放，重物5上的水深传感器可将信号传给受控电机，从而调节弱光栅感温光缆3的释放长度。

所述弱光栅解调模块2为采用窄带扫描激光作为光源，经过电光调制后入射到弱光纤光栅阵列8中，弱光纤光栅阵列8反射的信号光经过高速采集卡采集，利用算法滤除非光栅的反射光，提取各个光栅的反射信号，经过波长拟合，获得弱光纤光栅阵列8中各个光栅的峰值波长。

所述的弱光栅解调模块2在浮标9上、或者由人工布设、或者定在坝体或岸边10上；数据处理及通信终端1置于沿岸基地，通过以太网或者WIFI或者GPS与通信网络连接。

一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测方法，包括以下步骤：

步骤一，温度标定：利用高精度点测量温度计标定所使用超弱光纤光栅的反射波长漂移量与绝对温度的关系，获取“温度-波长”定标曲线；

步骤二：弱光栅感温光缆3布设：将水环境温度梯度的监测装置移动至待测水域，控制收放***，缓慢放置弱光栅感温光缆3，保证弱光栅感温光缆3的垂直布设；

步骤三：光栅定位：弱光栅解调模块2发出连续激光，经过调制后形成光脉冲，耦合进入弱光栅感温光缆3，连续激光的波长按照指定的间隔，依次增长；不同波长的光脉冲入射在空间位置不同的光栅上，经反射后到达探测器的时间不同，经过波长与时间计算，结合辅助的深度标记，建立光栅位置与水深的关系；

步骤四：温度测量：

(1)根据步骤三中获得不同位置光栅的波长信息，建立校准文件，并保存在数据处理模块中；

(2)复位连续激光器的波长，再次扫描波长，记录对应位置光栅的反射信息，通过算法拟合，获得当前时刻的光栅波长，保存在数据处理模块中。

(3)重复上一步操作n-1次，将每次测得的峰值波长数据保存，建立数组。

(4)对n次测量的数据进行算法处理，获得当前时间段内毫秒级的归一化波长值；

(5)在数据处理及通信终端1预先设置的算法，由当前归一化波长值及标定的温度- 波长曲线，反演不同位置光栅点的水温分布；

步骤五：循环测量：重复所述步骤四，获得下一时刻水环境中不同深度位置的温度值；

步骤六：水环境温度梯度构建：将光栅的位置与温度匹配后上传给数据处理及通信终端1，经过算法处理，建立水环境的温度梯度分布。

单个弱光栅的“温度-波长”定标曲线如图4所示，该曲线标定的温度范围为27℃～39℃。由图可知弱光纤光栅的波长随温度线性变化，且线性度大于0.999，该弱光栅的温度灵敏度为10.83pm/℃，水温测量精度优于±0.05℃，可以满足大规模水环境温度梯度监测的要求。

综上所述，本实用新型一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，基于光栅反射光波波长与环境温度具有强的特性，建立“温度-峰值波长”定标曲线，通过依次查询反射光峰值波长漂移量，快速精准地测量出了相应位置的水温值。本实用新型克服了现有水温监测设备在测量密度和测量精度上的不足，具有分布式、高精度、响应快等优点，在水利调度、环境保护、水产捕捞、航道维管等领域具有重要的应用价值。

Claims (9)

1.一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：包括弱光栅感温光缆（3）、弱光栅解调模块（2）、数据处理及通信终端（1）；

所述弱光栅感温光缆（3）的一端与所述的弱光栅解调模块（2）相连接，另一端垂直浸入待测的水环境中，用于动态感测水环境中不同深度的水体温度；

所述弱光栅解调模块（2）与弱光栅感温光缆（3）的一端连接，用于解调弱光栅阵列反射的波长变化；

所述数据处理及通信终端（1）与弱光栅解调模块（2）数据输出口连接，用于波长数据的处理，获取水环境的温度梯度信息，并与外网连接。

2.根据权利要求1所述一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：所述弱光栅感温光缆（3）包括弱光纤光栅阵列（8），与弱光纤光栅阵列（8）固定的导引线（9），套在弱光纤光栅阵列（8）和导引线（9）外面的套管（7），套管（7）外包覆有编织层（6）。

3.根据权利要求2所述一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：所述弱光纤光栅阵列（8）上刻有多个全同或波分复用的低反射率光纤光栅阵列，采用非剥皮工艺刻写，光纤光栅阵列的涂覆层为改性的聚丙烯酸酯层或透紫外涂覆层。

4.根据权利要求2所述一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：所述导引线（9）在施加预张力后与所述光纤光栅阵列（8）间隔固定。

5.根据权利要求2所述一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：所述套管（7）空套在所述弱光纤光栅阵列（8）和所述导引线（9）的***。

6.根据权利要求1所述一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：所述的弱光栅感温光缆（3）尾部连接有带水深传感功能的重物（5）。

7.根据权利要求1所述一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：所述弱光栅感温光缆（3）绕在转盘（4）上，由受控电机释放，重物（5）上的水深传感器可将信号传给受控电机，从而调节弱光栅感温光缆（3）的释放长度。

8.根据权利要求1所述一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：所述弱光栅解调模块（2）为采用窄带扫描激光作为光源，经过电光调制后入射到弱光纤光栅阵列（8）中，弱光纤光栅阵列（8）反射的信号光经过高速采集卡采集，利用算法滤除非光栅的反射光，提取各个光栅的反射信号，经过波长拟合，获得弱光纤光栅阵列（8）中各个光栅的峰值波长。

9.根据权利要求1所述一种基于弱光栅的水环境温度梯度监测装置，其特征在于：所述的弱光栅解调模块（2）在浮标（10）上、或者由人工布设、或者定在坝体或岸边（11）上；数据处理及通信终端（1）置于沿岸基地，通过以太网或者WIFI或者GPS与通信网络连接。