基于Zemax外海观测光纤探针传感器探头结构的优化设计

光纤探针法是一种适合观测波浪破碎瞬间卷入微气泡羽流的方法,现有的观测探针探头多采用塑料、玻璃等材质,存在脆性大、损耗大、不耐低温、易腐蚀等缺点,拟设计一种蓝宝石光纤探针克服其局限性,提升探测性能.文章在介绍光纤探针传感器测量原理的基础上,采用光学仿真软件Zemax建立了光纤探针传感器探头的仿真模型,并利用模型对其每针的材质、形状、角度等结构设计关键因素进行了优化设计,由仿真结果确定了每针形状为圆锥形、传输材质为蓝宝石.该仿真结果将为后续光纤探针传感器系统的整体设计及光路优化奠定基础.     

基于Zemax的外海观测光纤探针传感器探头结构的优化设计

光纤探针法是一种适合观测波浪破碎瞬间卷入微气泡羽流的方法,现有的观测探针探头多采用塑料、玻璃等材质,存在脆性大、损耗大、不耐低温、易腐蚀等缺点,拟设计一种蓝宝石光纤探针克服其局限性,提升探测性能。文章在介绍光纤探针传感器测量原理的基础上,采用光学仿真软件Zemax建立了光纤探针传感器探头的仿真模型,并利用模型对其每针的材质、形状、角度等结构设计关键因素进行了优化设计,由仿真结果确定了每针形状为圆锥形、传输材质为蓝宝石。该仿真结果将为后续光纤探针传感器系统的整体设计及光路优化奠定基础。     

光纤光栅技术在周界入侵报警系统中应用研究

基于光纤光栅应变传感理论,开发以光纤光栅振动传感器为核心的周界入侵报警系统。由理论出发,建立了光纤光栅振动传感器设计框架。通过对不同尺寸质量块的实验研究,提出使用规格为4.5×20(mm×mm)的质量块;通过对不同光栅拉伸量的实验研究,提出0.8～1.0nm之间光栅拉伸量的光纤光栅振动传感器;通过对不同封装材料的对比实验,采用石英玻璃材料封装的方法。最后,将周界入侵报警系统进行了现场试验,波长检测范围是1 280～1 580nm,响应时间在3s以内,报警定位准确无误。     

压力-频率转换器

本文叙述一种用圆金属波纹瞠片做为一次仪表而将被测量压力转换为频率信号的远测传感器。它具有构造简单、性能稳定、灵敏度高和抗干扰能力强等特点。该传感器原是用于近岸波浪遥测系统中,但对测量水深、潮汐、气压、重力等同样可以应用。运用数字方法可以很方便对信号进行处理,分辨率可达1/10毫米。     

构建一种PNI磁传感器的舰船磁场信号检测系统

针对舰船磁场检测这一问题,提出了一种利用 PNI 磁传感器测量的方案,并设计了一套由 STC15 单片机控制的舰船磁场检测系统。 系统由 PNI 磁传感器、STC15 单片机、串口通讯模块、电源分配模块和上位机组成,实现了信号的采集、调理、传输和分析处理的过程。 最后,通过水池船模试验证明了该测量系统能够实现对舰船磁场信号进行检测。     

基于MEMS加速度计空投浮标的波浪测量方法试验研究

针对基于MEMS加速度传感器的空投波浪浮标存在采样频率与测波精度低的问题，根据频域衰减积分算法，提出一种相应的波浪测量算法，为了验证该算法测波的准确性，开展了多功能水槽试验研究。该算法旨在将MEMS加速度传感器输出的加速度与姿态角转化为浮标运动的波形，首先将加速度与姿态角信号进行竖向处理获得竖直方向的加速度，再利用离散傅里叶变换将竖向加速度转化为频域内的加速度复数序列，然后引入控制函数减弱低频噪声，经过频域积分、离散傅里叶逆变换、时域积分获得竖直方向的位移，最后通过后处理得到最终的波形。多功能水槽试验采取10中不同波高和周期的工况，对比空投波浪测量浮标与波高仪的测量结果，试验结果表明，浮标的测量误差在10%以内，达到测波标准。     

用于海洋探测的多参数拖曳荧光计系统

本文论述了作者研制成功的拖曳荧光计系统。该系统的荧光传感器采用了光源调制和信号同步解调技术,同时在受光器上采用了专用遮光导水暗盒及弯曲导水管,确保荧光传感器在探测体积内水体及时交换,并能有效地消除海中太阳光的影响。系统能在任一日光强度下从海表层至８０ｍ水深任一深度,走航拖曳速度在２～１０ｋｎ内平稳地水平工作。该拖曳体内安装有荧光传感器、温度传感器、深度传感器和多路传输电子线路装置。通过一根直径为１４ｍｍ的电源／信号传输七蕊铠装电缆将拖曳体与手摇绞车及船上控制器、数据采集、记录显示器连接在一起,可以同时测量光学和水文参数,这些数据为０～５Ｖ模拟电压量输出。该系统进行了多次水池和海上现场实验及应用,达到了预期设计目标。并且借助于荧光示踪染料完成了多处海区的水体混合扩散测量实验任务,建立了实验观测方法。本文还介绍了该系统的构造、现场测量实验数据和应用     

涡激振动对船舷安装的相干声纳条带测深系统测量精度影响分析

相干声纳条带测深系统采用船舷安装时,连接系统水下单元的钢管在水流作用下可能发生共振和频率锁定而剧烈振动,其下端的以换能器为主的系统水下单元也会随之摆动,使数据质量和测量精度受到影响。笔者通过分析在实际工作中遇到的问题发现:连接系统水下单元的钢管越长,钢管越容易在低流速条件下发生共振现象;换能器剧烈摆动会造成大量噪音信号;换能器摆动幅度较大时系统的安装校准会失效。本文通过解析计算得出了在现场操作中不同悬挂长度的钢管发生频率锁定时的控制流速以及换能器最大摆动幅度,认为实际工作中换能器距固定点在1.0m以内是可靠的,并对现场操作中如何减弱和避免涡激振动对系统精度的影响提出建议。     

CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统走航测量性能检验及测量数据海上比测

船载拖曳式多参数剖面测量系统是测量温度、深度、浊度、溶解氧、p H和叶绿素等多种海洋环境要素,提供海洋环境信息的重要观测设备。通过对2011年8月在渤海开展的CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统比测试验,研究了该国产设备在渤海海区的适用效果。结果表明,传感器定点比测试验中,温度、盐度等数据的相关系数较好,而硝酸盐、磷酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐和氨氮等营养盐的相对误差较大。在海试试验中,船载拖曳式多参数剖面测量系统经过了8 h试验,完成了预期的试验项目,拖体系统(含传感器)和甲板单元工作正常,具有良好的可靠性和环境适应性。本次海上比测试验为船载拖曳式多参数剖面测量系统进行改善、优化提供依据,为其产业化打下坚实的基础,并对海上试验提出了相应的改进建议。     

直读拖曳式光纤光栅温度剖面测量系统

针对我国对海水温度剖面的测量需求,在分析已有方法优缺点的基础上提出了一种新的方法——光纤温度剖面连续测量系统.此测量系统以光纤光栅传感器为测量单元,采用波分复用的方式串接在一起组成船载拖曳链,再通过甲板上的解调终端实时显示所测物理参量,从而实现分布式实时测量.这种方法能够以低成本快速高效获得高分辨率的海水温度剖面分布情况,为海洋探测提供丰富有效的数据.课题组设计制作了拖曳链系统的甲板机及60 m长的拖曳链,并在青岛近海进行了拖曳海试,实时获取了试验数据,达到了预期效果.     

具有运动补偿高精度海洋气象多参数模拟仪的研制

针对船舶气象仪的综合检查过程中检测周期长、人工排查效率低以及传统的自动气象站传感器信号模拟器的模拟精度低,没有相关运动补偿算法导致此类系统不适应海洋船舶应用环境的问题,对气象要素传感器的高精度信号采样电路、信号输出、软件滤波和运动补偿等方面进行了研究。通过分析传感器和船舶气象仪的原理,设计了各个气象参数的采样电路、信号模拟电路、触摸屏、GPS和电子罗盘采样与模拟电路,并在近海测试过程中进行了运动补偿模型测试,并基于STM32微控制器进行了该仪器的系统检测实验。研究测试结果表明：该系统具有低功耗、高可靠性、高精度的特点,能应用于海上环境,同时具有对船舶实时定位、气象要素实时模拟和采集、运动补偿多项功能。并且本系统精度在运动补偿后,系统测量方差为0.019 3 m/s,精度提高至接近真实值,均符合《海洋调查规范第3部分：海洋气象观测》的标准。     

基于最小二乘法与RBF神经网络的溶解氧检测系统设计

为克服温度对溶解氧传感器的影响，对极谱型溶解氧检测系统的溶解氧电极激励源、高精度信号采样、软件标定和温度补偿等方面进行研究。通过对极谱型溶解氧传感器工作原理进行分析，设计了极谱型溶解氧传感器检测电路；根据溶解氧电极的温度特性，设计了基于NTC（负温度系数）热敏电阻的硬件温度补偿电路，并利用最小二乘法及RBF神经网络构建了软件温度补偿模型。利用饱和蒸馏水进行温度补偿实验，结果表明：经温度补偿后，该溶解氧检测系统的相对误差及采样波动均在1%以内，大大减小了传感器的非线性误差，测量精度和稳定性均可满足应用要求。     

光纤温深传感器在物理海洋的应用

光纤传感器技术已经在土木工程、航空航天、石油石化等方面得到应用,其温度、压力、流速传感日趋成熟,且具有本征绝缘、易于复用、远距离传输等优势,在物理海洋领域有较大的潜在应用。在先导专项的支持下,课题组完成了光纤温深传感器及其系统在海洋牧场遥测方面的实践应用,是光纤温度链在海洋养殖方面的应用创新,为现代海洋牧场的研制提供了技术支撑作用;课题组研制了船载拖曳温深链系统,并在北黄海和南海海域进行了温度跃层的快速高效海试应用,实时、连续、原位获取了水下温度剖面情况,该领域温度测量的首次试验应用,为物理海洋的科学研究提供了一种全新的快速、高时空密度的测量手段,将会推动物理海洋的科学研究和海洋仪器设备研发水平,具有一定的先导作用。     

光纤化学传感器及其在海水有机物监测中的应用

光纤化学传感器以其优良的抗电磁干扰性、耐久性以及多功能性而倍受重视。本文在简单介绍光纤化学传感器的原理和应用的基础上,重点介绍了中红外光纤化学传感器在２～２０μｍ这一光谱范围内使用的若干成就。论述了基于该传感器的测量系统对海洋有机污染物实现实时、现场连续监测的重要意义     

大长细比柔性杆件涡激振动实验

涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)是导致深海细长柔性立管发生疲劳破坏的重要因素。采用实验观测手段研究了长细比为1 750的柔性立管多模态涡激振动特性。实验中,通过采用拖车拖拉立管模型在水池中匀速行进来模拟均匀流作用下的涡激振动响应。利用光纤光栅传感器测量立管模型在横流向(cross-flow,CF)和顺流向(in-line,IL)的应变,进而通过模态分解的方法,获得立管模型涡激振动的位移。在此基础上,研究了CF以及IL方向的响应频率、位移标准差的平均值和最大值等随流速的变化规律,并分析了立管模型上测点的运动轨迹及其影响因素。     

介绍一种测量溶解氧的微型光纤传感器

本文介绍了一种根据动态荧光猝灭原理而设计的微型光纤溶解氧传感器（氧微光极）,讨论了氧微光极的结构设计、工作原理、技术特点及试验应用情况。该系统具有良好的测量特性,是适合于水环境应用的理想工具     

面向海洋传感与探测的光纤传感器研究进展

调研了近几年光纤传感器在海洋探测方面的研究进展,主要包括测量海水温度、压力、盐度、叶绿素、pH值和溶解氧的相关光纤传感器以及光纤水听器。简要介绍了光纤传感器的基本原理、结构及性能,同时跟踪了国内外相关的最新研究进展,并与传统的测量方法进行了比较,分析得出光纤传感器是对现有传统海洋探测器的重要补充,并在一些探测领域具有独特的优势。文章最后,探讨了光纤传感技术的未来发展趋势,认为在海洋温度、压力、叶绿素、水听器等领域可能会率先突破技术瓶颈并实现商用,同时提出了未来海洋光纤探测技术新的研究方向。     

同时测量海水盐度温度的微光纤耦合器研究

为实现同时测量海水的盐度温度,研制了2×2四端口微光纤耦合器型传感器。耦合器锥形过渡区激发的偶超模与奇超模在S均匀腰区传输时将逐渐累积相位差,产生干涉光谱。研究表明:波谷位置分别随着海水盐度、温度的改变而移动,得到了2个波谷的盐度灵敏度为1 418.00和1 600.00 pm/‰,温度灵敏度为-745.00和-778.00 pm/℃,建立了灵敏度矩阵。通过追踪这2个波谷位置,结合灵敏度矩阵,可实现对任意待测样品盐度、温度的同时测量,与盐度计、热电偶温度计实测数据的对比表明,此传感器具有很好的准确度。该盐度、温度双参数测量传感装置具有小尺寸、易制作和高灵敏度等优势,本研究为海洋环境及海洋动力现象的研究提供了一种新型的光学探测方法。     

基于OPT101 器件的大气能见度检测系统

针对现有大气能见度仪采用分离器件的信号噪声大、接收信号非常微弱的不足,进口产品价格昂贵的不足,基于先进的集成器件OPT101设计了一套便携式的大气能见度检测系统。系统应用集成前置放大的光电检测传感器,实现微弱光电信号的检测和前置放大,克服了传统分离器件前置放大易受噪声干扰的不足,提高了测量数据的准确度和系统的稳定性,降低了设计和调试的难度。与美国Enviro Tech能见度传感器进行了现场比测实验,实验结果显示二者变化趋势一致性较好,表明了系统设计的有效性。     

原位测量技术在黄海沉积声学调查中的应用

介绍了最新研制的基于液压驱动贯入的自容式海底沉积声学原位测量系统及其在南黄海中部海底沉积声学调查中的应用。该系统可以实现对海底沉积物声速和声衰减系数进行原位测量,通过液压驱动装置将四根声学探杆匀速贯入到海底沉积物中,减少了对沉积物的扰动,可按照预设的工作参数在海底全自动工作,无需甲板上人员实时控制,采集的声波信号自容式存储于存储单元。系统工作水深为500 m,测量深度为1 m,测量频率为30 kHz,采样频率为10 MHz。使用该系统在南黄海中部获得了40个站位不同类型沉积物的声学特性原位测量数据,并使用CTD剖面仪对该系统声速测量进行了标定,相对误差均小于0.5%,表明该系统测量数据准确、可靠。