一种用于深海压力探测的光学压力传感器及压力探测方法与流程

1.本发明涉及压力探测领域，更具体地，涉及一种用于深海压力探测的光学压力传感器及压力探测方法。


背景技术：

2.深海压力探测是海洋科学的关键技术。从压力探测的角度，海底压力分为静态压力和动态压力，静态压力指的是由海水受到重力所导致的压力,深度越深则静态压力也就越大，任何一个处于一定深度海底的物体都会受到由静态压力导致的四面八方的压力。动态压力指的是由于深海洋流、海底地震、海底火山以及海底潜水器或海底生物等导致的海水流动所产生的压力，区别于静态压力，动态压力是沿着特定方向。
3.对动态压力的高精度探测是掌握深海地质环境、深海温度分布及海底潜水器及海底生物追踪的关键技术问题之一。然而目前在深海环境应用的光学压力探测器会受到静态压力和动态压力的双重作用，这两者都会引起光学压力传感器中的光传播腔体尺寸的变化，导致干涉/衍射光强及中心波长的变化。因此，采用目前的光学压力传感器探测深海环境下的动态压力时，由于海底深度变化导致的静态压力的变化会对动态压力的探测造成干扰，消除静态压力的干扰是保证海底压力探测精度和灵敏度的技术难点和重点之一。


技术实现要素：

4.本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种用于深海压力探测的光学压力传感器及压力探测方法。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种用于深海压力探测的光学压力传感器，包括晶体探头和传输光纤，所述晶体探头为零压缩晶体探头，其中，零压缩晶体是指在静态压力下特定方向的尺寸不发生变化的晶体；
6.所述晶体探头，用于对深海中的动态压力进行探测，将探测的动态压力信号通过所述光纤传输，其中，所述动态压力为深海中的目标对象运动使得海水流动产生的。
7.在上述技术方案的基础上，本发明实施例还可以作如下改进。
8.可选的，所述零压缩晶体探头为偏硼酸钙(cab2o4)晶体探头或者偏硼酸锶(srb2o4)晶体探头。
9.可选的，所述偏硼酸钙(cab2o4)晶体探头或偏硼酸锶(srb2o4)晶体探头的线性零压缩性质的压力范围为0-7gpa。
10.可选的，所述偏硼酸钙(cab2o4)晶体探头或偏硼酸锶(srb2o4)晶体探头的线性零压缩方向的压缩率小于0.2/tpa。
11.可选的，所述目标对象为海底地震、洋流、海啸及海洋生物或海底潜水器。
12.根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于光学压力传感器的深海压力探测方法，包括：
13.将光学压力传感器置于目标对象附近，所述目标对象处于运动状态，使得海水流
动产生动态压力，所述光学压力传感器的晶体探头零压缩晶体探头，其中零压缩晶体是指在静态压力下特定方向的尺寸不发生变化的晶体；
14.利用所述光学压力传感器对所述动态压力进行探测，并将探测的动态压力信号通过光纤传输。
15.可选的，所述零压缩晶体探头为偏硼酸钙(cab2o4)晶体探头或者偏硼酸锶(srb2o4)晶体探头。
16.本发明实施例提供的深海压力探测的光学压力传感器及压力探测方法，光学压力传感器的晶体探头采用零压缩晶体探头，在深海水下的不同深度，由于海水重力导致的静态压力，零压缩探头沿着光传输方向的尺寸不会发生变化，通过零压缩晶体制成的光学压力传感器在对深海中的动态压力探测时，消除静态压力对动态压力探测的影响。
附图说明
17.图1为本发明实施例的光学压力传感器压力探测原理示意图。
18.附图中，各标号所代表的部件名称如下：
19.10、晶体，101、晶体第一面，102、晶体第二面，103、晶体第一面的反射膜，104、晶体第二面的反射膜。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
21.提供了本发明实施例的一种用于深海压力探测的光学压力传感器，包括晶体探头和传输光纤，晶体探头为零压缩晶体探头，其中，零压缩晶体是指在静态压力下特定方向的尺寸不发生变化的晶体；晶体探头，用于对深海中的动态压力进行探测，并将探测的动态压力信号通过光纤传输，其中，动态压力为深海中目标对象运动使得海水流动产生的压力。
22.可以理解的是，在背景技术中已经说明，在深海中存在静态压力和动态压力，静态压力指的是由海水受到重力所导致的压力,深度越深则静态压力也就越大，任何一个处于一定深度海底的物体都会受到由静态压力导致的四面八方的压力。动态压力指的是由于深海洋流、海底地震、海底火山以及海底潜水器或海底生物等导致的海水流动所产生的压力。其中，深海洋流、海底地震、海底火山以及海底潜水器或海底生物也就是本发明实施例中所称的目标对象，目标对象在一段时间内是处于运动状态的，对于深海中的动态压力探测能够了解海底情况。
23.在采用传统的光学压力传感器探测深海动态压力时，由于静态压力的干扰，会对动态压力的探测造成影响。
24.基于该问题，本发明实施例提供了一种用于深海压力探测的光学压力传感器，该光学压力传感器主要包括晶体探头和传输光纤，晶体探头为零压缩晶体探头，其中，零压缩晶体是指在静态压力下特定方向的尺寸不发生变化的晶体；晶体探头，用于对深海中的动态压力进行探测，并将探测的动态压力信号通过光纤传输，其中，动态压力为深海中目标对象运动使得海水流动产生的。
25.本发明实施例提供的光学压力传感器在原有的光学压力传感器的基础上，晶体探
头采用零压缩晶体探头，其中，晶体探头背面有反射膜，探测压力的原理与原有的光学压力传感器探测压力的原理是相同的，在此不再赘述。在深海水下的不同深度，由于海水重力导致的静态压力，零压缩探头沿着光传输方向的尺寸不会发生变化，通过零压缩晶体制成的光学压力传感器在对深海中的动态压力探测时，消除静态压力对动态压力探测的影响。
26.其中，参见图1，下面对光学压力传感器探测压力的光学原理进行说明，图1中10为晶体，光线从左向右入射，其中，晶体第一面101为部分反射和部分透射面，103表示晶体第一面101的反射膜，光线经过晶体第一面101，经过反射膜，一部分光线反射，另一部分光线透射进入晶体内部。其中，晶体第二面102为全反射面，104表示晶体第二面的反射膜，透射光线经过晶体第二面102，经过反射膜，全反射的光线再次经过晶体的第一面101，一部分光线透射出晶体，另一部分光线在晶体内部反射，再经过晶体的第二面102全反射，如此循环往复，入射的光线经过晶体第一次反射的光线和后面透射出晶体的光线之间具有光程差，产生相位差而发生干涉/衍射，导致干涉/衍射的光强或中心波长发生变化，光信号中便会携带压力的信息。基于该原理，利用光学压力传感器探测压力。
27.简言之，压力传感器的工作原理为，压力下光传播介质的尺寸发生变化，导致光程差发生变化，进而导致光干涉/衍射的相位发生变化，使得干涉/衍射的光强或中心波长发生变化，通过干涉/衍射光强或中心波长的变化来探测压力。
28.对于传统的光学压力传感器，在深海中，由于深度的不同产生的静态压力会不同，静态压力的改变使得晶体的尺寸在静态压力的方向上会改变，进而在探测动态压力时，由于静态压力造成晶体尺寸的变化会影响到动态压力的探测。而本发明实施例的光学压力传感器中的晶体探头采用零压缩晶体，零压缩晶体在静态压力下沿着光传输方向的尺寸不发生变化，因此，在探测深海中动态压力时，不会受到静态压力变化的影响。
29.作为一个可选的实施例，零压缩晶体探头在深海水下静态压力下，沿着光传输方向的尺寸随着静态压力的变化不发生变化。其中，零压缩晶体探头可以为偏硼酸钙(cab2o4)晶体探头或者偏硼酸锶(srb2o4)晶体探头。
30.可以理解的是，目前应用的深海光学压力传感器，大都是对陆地常规环境下应用的光学压力传感器进行了一些改造，采用压力补偿的方法，消除静态压力对动态压力探测干扰。采用压力补偿的方法，比如，利用增加压力补偿装置，尽管能够从一定程度上消除静态压力的影响，但是究竟能补偿到什么程度并不明确。另外，由于探测系统与补偿系统之间必须的附加通讯过程会使得信号产生一定程度的失真，由此导致的整个系统的复杂性会对探测的灵敏度产生严重的影响。再者，附加的补偿装置会使得整个传感器件的制作工艺复杂化，同时也会一定程度上增加器件体积，不符合现代前沿装备简约化，小型化的设计理念。因此，需要寻找精准、简单、且有效地消除静态压力对动态压力探测的影响的设计方案。
31.基于这些问题，本发明实施例通过改变原有的光学压力传感器的本身，而不增加额外的补偿装置，在本发明实施例中，光学压力传感器的晶体探头采用零压缩晶体探头，具体可采用偏硼酸钙(cab2o4)和偏硼酸锶(srb2o4)材料，偏硼酸钙(cab2o4)和偏硼酸锶(srb2o4)是零压缩晶体。
32.零压缩现象指的是，在静态压力下，沿着特定方向的尺寸随着压力的变化不发生变化的现象。在静态压力下，几乎所有的材料会沿着各个方向发生收缩，零压缩性质是一类罕见的力学性质。在只有静态压力的情况下，偏硼酸钙(cab2o4)和偏硼酸锶(srb2o4)晶体沿
着零压缩方向的尺寸不会随着静态压力(即海水深度产生的压力)的变化而发生变化。其中，零压缩方向即为图1中的a-轴方向。基于偏硼酸钙(cab2o4)和偏硼酸锶(srb2o4)的该压缩行为，本发明实施例将其作为用于深海压力探测光学传感器的光传播介质材料，静态压力(即由于探测海底的深度变化所导致)对光学传播腔尺寸的影响能够被完全地屏蔽，只有动态压力才会引起其尺寸的变化，与深海洋流，海底地震，海底火山以及海底潜水器与海底生物等导致的湍流能够被高保真地探测。同时，这一材料的光学透过范围包含了整个紫外光、可及近红外波段，具有很宽的光谱适用范围。
33.其中，偏硼酸钙(cab2o4)和偏硼酸锶(srb2o4)的线性零压缩性质的压力范围为0-7gpa，远高于地球上最深海沟—马里亚纳海沟的压强，0.11gpa。偏硼酸钙(cab2o4)和偏硼酸锶(srb2o4)线性零压缩的方向的压缩率小于0.2/tpa，对于1毫米的器件，如果把光学压力传感器从海平面移动到地球上最深的海沟—马里亚纳海沟，其尺寸的变化不超过22纳米，远小于光学压力传感器常用的光最短波长(都高于200纳米)。因此，基于偏硼酸钙(cab2o4)或偏硼酸锶(srb2o4)晶体的光学压力传感器可用于全深海的动态压力探测。
34.基于上述各实施例，提供了本发明的另一个实施例的基于光学压力传感器的深海压力探测方法，包括：
35.将光学压力传感器置于目标对象附近，所述目标对象处于运动状态，使得海水流动产生动态压力，所述光学压力传感器的晶体探头零压缩晶体探头，其中零压缩晶体是指在静态压力下特定方向的尺寸不发生变化的晶体；
36.利用所述光学压力传感器对所述动态压力进行探测，并将探测的动态压力信号通过光纤传输。
37.作为一个可选的实施例，在深海水下静态压力下，零压缩晶体探头沿着光传输方向的尺寸随着压力的变化不发生变化。其中，零压缩晶体探头为偏硼酸钙(cab2o4)晶体探头或者偏硼酸锶(srb2o4)晶体探头。
38.本发明实施例提供的光学压力传感器只需要把陆地上常规条件下应用的光学压力传感器中的光学传输介质材料换成偏硼酸钙(cab2o4)和偏硼酸锶(srb2o4)，不需要任何附加的光学补偿装置，符合器件简约化、小型化的设计理念，晶体探头采用零压缩晶体探头，在深海水下的不同深度，由于海水重力导致的静态压力，零压缩探头沿着光传输方向的尺寸不会发生变化，通过零压缩晶体制成的光学压力传感器在对深海中的动态压力探测时，能够精准、简单且有效消除静态压力对动态压力探测的影响。
39.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。