CN113295193B - 一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法 - Google Patents
一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113295193B CN113295193B CN202110527311.3A CN202110527311A CN113295193B CN 113295193 B CN113295193 B CN 113295193B CN 202110527311 A CN202110527311 A CN 202110527311A CN 113295193 B CN113295193 B CN 113295193B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- quartz
- depth
- interferometer
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 89
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 16
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 32
- 239000013535 sea water Substances 0.000 claims description 26
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 23
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 9
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 4
- 239000007888 film coating Substances 0.000 claims description 3
- 238000009501 film coating Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- OBNDGIHQAIXEAO-UHFFFAOYSA-N [O].[Si] Chemical compound [O].[Si] OBNDGIHQAIXEAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 11
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 9
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 9
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 8
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 6
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 3
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
- G01D5/35312—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Fabry Perot
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于深海勘测的单光纤级联式温度‑深度‑盐度传感器的制作方法。单光纤级联式温度‑深度‑盐度传感器利用电弧熔接和氢氧催化键合技术在同一光纤上制造并级联三个全石英传感单元。多个光纤微型自聚焦透镜的引入，使得在不影响级联FP干涉仪光传输的情况下，可通过大幅增加两级联的FP腔长来提高灵敏度和分辨率，以获取更好的传感性能。本发明不仅实现在复杂深海探测环境下的整体全石英结构，还使各传感元件级联在单一光纤上，具有体积小、结构紧凑、耐高压、抗腐蚀、适合远距离测量等优势，且制作过程简洁、重复性好，易于制造与量产，有望成为未来深海探索与研究的候选。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法。
背景技术
温度、深度和盐度是海洋勘探与监测所需的重要参数指标，对海洋学、水文气象学、航海和生态平衡的研究具有重要意义。目前，商用电导-温度-深度(CTD)探测系统已广泛应用于海洋环境的研究。然而，CTD系统的核心主要依靠电子元件，易受到电磁噪声、海水腐蚀的影响，并存在维护成本高、远距离传输困难等缺陷。近年来，由于光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、易于分布、组网和远距离传输等特殊优势，有望成为海洋极端环境下替代电子探测器的一种新选择。光纤光栅和光纤法布里-珀罗(FP)干涉仪是光纤传感领域内成熟的海水探测技术器件，由于其结构稳定、易于复用、重复性好、参数测量多样性等特点，常被应用于海洋环境中温度、盐度和深度的测量分析。在非专利文献1(D.B.Duraibabu,S.Poeggel,E.Omerdic,R.Capocci,E.Lewis,T.Newe,G.Leen,D.Toal,and G.Dooly,“AnOptical Fibre Depth(Pressure)Sensor for Remote Operated Vehicles inUnderwater Applications,”Sensors,2017,17(2),406.)中所描述的一种基于光纤非本征型FP干涉仪与光纤布拉格光栅级联组成的传感器，被用于水下的温度和深度的双参量传感。如非专利文献2(R.Flores,R.Janeiro,and J.Viegas,“Optical fibre Fabry-Perotinterferometer based on inline microcavities for salinity and temperaturesensing,”Scientific Reports,2019,9,9556.)中所描述的，利用化学刻蚀和聚焦离子束在两个传感臂上刻蚀FP微腔，制造出一种用于盐度和温度测量的传感器。如非专利文献3(“Pressure,temperature and refractive index determination of fluids using asingle fibre optic point sensor,”Sensors and Actuators A:Physical,2017,256,84-88.)中所描述的，一种由光纤布拉格光栅、非本征型FP干涉仪和本征型FP干涉仪组成的三参量光纤传感器，它具有单点测量温度、压力和折射率的能力。但由于制造工艺的限制和结构的不灵活性，使得上述传感器的多参数测量能力或各项测量性能无法得到显著提高。
因此，由多个非本征型FP干涉仪级联组成的光纤传感器因其独特的结构灵活性和多功能性，正日益成为研究热点。S.Pevec等人报道了一系列由多个非本征型FP干涉仪级联制造的结构集成化的光纤传感器，用于温度、折射率、压力等多参数测量，如非专利文献4、5(“Miniature fiber-optic sensor for simultaneous measurement of pressure andrefractive index,”Optics Letters,2014,39(21),6221-6224.“MultiParameter Fiber-Optic Sensor for Simultaneous Measurement of Thermal Conductivity,Pressure,Refractive Index,and Temperature,”IEEE Photonics Journal,2017,9(1),2500114.)中所描述的。虽然该系列的传感探头具有结构紧凑、小型化等优势，但制备过程常需特种光纤与复杂的制备方案，如湿法蚀刻技术和激光微加工等，常涉及到在光纤内部制造微孔、微腔或微通道，不利于高效量产。而且这些微结构更容易遭受损坏，使得传感器无法在恶劣的深海环境下应用。此外，双级联非本征型FP干涉仪由于没有有效的准直和补偿而造成的较大传输损耗容易往往导致信号强度减弱和条纹可见度降低，这影响了光学信号的读取，特别是当把非本征型开放式FP干涉仪浸入液体进行折射率测量时。这严重限制了传感器的性能，甚至剥夺了多参数传感器在水下的折射率测量功能，导致传感器只能在大气环境中使用。因此，为保证信号的正常解调，在不影响光束传输和干涉信号对比度的前提下，在水下环境实现多个光纤非本征FP干涉仪的级联就显得尤为重要，尤其是对于那些可以通过增加FP腔体长度来提高灵敏度和分辨率的传感器。对深海勘测应用而言，具有耐高压、抗腐蚀的全石英结构，易于批量生产，具有多参量测量能力的单光纤级联式的传感器可能成为未来海洋研究的新选择。
发明内容
本发明提供了一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器、制作方法及应用，该传感器通过在同一根单模光纤上依次级联一只用于测温的光纤光栅和两只分别用于深度和盐度检测的光纤非本征FP干涉仪而构成全石英三参量传感结构。两只光纤非本征FP干涉仪是通过电弧熔接和氢氧催化键合技术制作的。并均实现了全石英传感结构，分别作为高静压压力传感器与开放式折射率传感器使用。级联的光纤光栅的波峰会随温度的变化而产生的漂移，通过进行波峰的跟踪，可以获取海水温度变化。级联的第一只非本征FP干涉仪受到高压会产生形变，表现为FP腔长的改变，通过探测腔长的改变可实现压力检测，并最终转化为海水深度。另一只开放式非本征FP干涉仪由于具有开放式结构，可将液体导入FP腔体内部使得光程差发生变化，从而实现折射率的检测，并最终转化为盐度。
氢氧催化键合技术是一项来自美国国家航空航天局(NASA)专利文件的无聚合物键合方法,如专利文献6(Hydroxide-catalyzed bonding:U.S.Patent6,548,176.2003-4-15.)中描述的。其已被应用于天文学研究的光学石英元件的组装中，在无需特殊实施环境，实现高精度对准，提高界面透明度，增加键合强度等方面显示出很大优势。由于采用氢氧催化键合技术使得键合界面之间形成的连接完全依靠硅-氧化学键，其也被证明在普通水下环境中具有防水性，如非专利文献7(“石英玻璃真空腔的低温键合技术研究，”真空科学与技术学报，2014,34(03)，230-234.)中所描述的。如非专利文献8(“Miniature fiber-optictip pressure sensor assembled by hydroxide catalysis bonding technology,”Opt.Express,2020,28(2),948-958.)中所描述的，这项技术也被证明能够应用于无聚合物光纤传感器的制造。为了补偿级联非本征FP干涉仪所造成的巨大传输损耗，加入了多只光纤微型自聚焦透镜和不同厚度的金属膜，使得在不影响水下工作过程中光束正常传输和干涉信号对比度的情况下，通过增加FP腔的长度来提高水下深度和盐度测量的灵敏度和分辨率成为可能。因此，在同一根单模光纤上也可以级联两个长度大到数百甚至上千微米的腔体，以提高传感器的性能。此外，整个全石英传感结构带来的相应的强耐高压、抗腐蚀等性能也非常有利于传感器在深海环境中的工作性能与寿命。
本发明的技术方案：
一种用于深海勘测的单光纤级联式海水温度-深度-盐度传感器，包括光纤1、光纤微型自聚焦透镜2、玻璃毛细管3、空心玻璃管4、高反射膜5、半反射膜6、氢氧催化键合溶液7、光纤光栅8、光纤传感解调仪9、计算机10、传感器11；
所述的光纤1与光纤微型自聚焦透镜2，二者相互连接后，可形成光束准直结构，以减少空气腔FP干涉仪引起的传输损耗；
所述的玻璃毛细管3与第一只光束准直结构中的光纤微型自聚焦透镜2的端面进行连接，并被切割至30～2000μm长度。再经电弧熔接至第二只光束准直结构中的光纤微型自聚焦透镜(2)端面，形成用于海水深度测量的全石英封闭式FP干涉仪，同时重新耦合光束进入级联的另一FP干涉仪；
所述的空心玻璃管4的内径与光纤微型自聚焦透镜2的外径相匹配；在空心玻璃管4的管壁加工出开口后，进行洁净化处理；
所述的另一光纤1端面经平整切割，洁净化处理后，镀高反射膜5；取第三只光束准直结构，将其进行洁净化处理后，镀半反射膜6；高反射膜5与半反射膜6的添加具有保证水下探测光谱信号强度与对比度的作用；
所述的氢氧催化键合溶液7可在常温常压下实现石英材料间的键合反应，形成坚固的硅-氧化学键连接。氢氧催化键合溶液7经硅酸钠溶液稀释并过滤制备。取少量键合溶液滴于分别经镀膜处理的光纤1和第三只光束准直结构的光纤1的侧壁后，将二者插入侧壁带有开口的空心玻璃管4中，两镀膜端面与空心玻璃管4的开口对齐，形成允许液体流入的开放式FP腔体，构成用于海水盐度测量的全石英开放式FP干涉仪，腔长为30～1500μm长度；
所述氢氧催化键合溶液7需要固化时间，在室温下放置直到键合完成，或适当提高环境温度缩短固化时间；
所述的光纤光栅8具有全石英传感结构，用于海水温度监测，与上述用于海水深度和盐度测量的两只全石英FP干涉仪依次级联在同一根光纤上，形成温度、深度、盐度的三参量全石英传感结构；
所述的光纤传感解调仪9通过光纤1与传感器11相连进行探测，采集到的叠加光谱信号上传至计算机10进行处理；
本发明的有益效果：本发明在同一根光纤上仅使用电弧熔接和氢氧催化键合技术级联三个石英传感单元，无需激光焊接或湿法腐蚀等特殊技术，在常温常压环境下形成小尺寸的全石英耐高压、抗腐蚀的传感结构，适用于深海环境勘测。更大腔长的FP干涉仪通常具有高灵敏度、高分辨率等优势，在双FP干涉仪的腔体内加入多个光纤微型自聚焦透镜，补偿光传输损耗，使得在不影响光正常传输的情况下的双长腔级联成为可能。该传感器具有尺寸小、结构紧凑、耐高压、抗腐蚀性强、制备过程简单、易于高效量产等特点，有望弥补当前深海环境下温度、深度、盐度电子测量技术的不足，成为深海勘测与研究的候选方案。
附图说明
图1为用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器结构示意图；
图2为传感器的多步骤制作方法；(a)切割渐变折射率多模光纤；(b)切割空芯光纤；(c)电弧熔接实现全石英封闭式FP干涉仪过程；(d)半反射膜与高反射膜制备过程；(e)氢氧催化键合实现全石英开放式FP干涉仪过程；(f)三只全石英传感单元级联过程。
图3为海水监测装置示意图；
图4是传感器在水下工作时的叠加干涉光谱；
图中：1光纤；2光纤微型自聚焦透镜；3玻璃毛细管；4空心玻璃管；5高反射膜；6半反射膜；7氢氧催化键合溶液；8光纤光栅；9光纤传感解调仪；10计算机；11传感器。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。
参见图1所示，一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的结构，包括光纤1、光纤微型自聚焦透镜2、玻璃毛细管3、空心玻璃管4、高反射膜5、半反射膜6、氢氧催化键合溶液7、光纤光栅8，可以在同一根光纤上同时实现三参量传感。
所述的光纤1为普通单模光纤，直径125μm，纤芯直径9μm；光纤微型自聚焦透镜2为渐变折射率多模光纤经切割制成，渐变折射率多模光纤的直径125μm，纤芯直径62.5μm；二者经电弧熔接相连后，将渐变折射率多模光纤端面平整切割至四分之一节距长度，约为260μm，形成第一只光束准直结构，该光束准直结构用于减少空气腔FP干涉仪引起的传输损耗，并保证干涉信号对比度，实现正常信号解调，如图2(a)所示。
所述的玻璃毛细管3为空芯光纤，与构成光纤微型自聚焦透镜2的渐变折射率多模光纤等外径为125μm，内径为80μm。将空芯光纤与第一只光束准直结构中的光纤微型自聚焦透镜2的端面经电弧熔接相连，切割至522μm长度，如图2(b)所示。再经电弧熔接至第二只光束准直结构中的光纤微型自聚焦透镜2端面，形成用于海水深度测量的全石英封闭式FP干涉仪，同时重新耦合光束进入级联的另一FP干涉仪，如图2(c)所示。
所述的空心玻璃管4为熔融石英空心管，其内径与普通单模光纤、渐变折射率多模光纤的外径相匹配，为127μm，外径为1.8mm。在熔融石英空心管的管壁加工出开口，并依次在甲醇、丙酮、去离子水环境中超声清洗五分钟，实现待键合界面的洁净化处理。
取另一普通单模光纤，其端面经平整切割，依次在甲醇、丙酮、去离子水环境中超声清洗五分钟，实现待键合界面的洁净化处理。使用磁控溅射镀膜装置在其端面镀100nm厚度的金膜作为高反射膜5；取第三只光束准直结构，将其依次在甲醇、丙酮、去离子水环境中超声清洗五分钟，实现待键合界面的洁净化处理，镀数纳米厚度的金膜作为半反射膜6；两种厚度的金膜具有保证水下探测光谱信号对比度的作用，如图2(d)所示。
所述的氢氧催化键合溶液7为14wt.％的氢氧化钠和27wt.％的二氧化硅混合制成的硅酸钠溶液，以1:6的体积比加入去离子水中稀释，通过孔径小于0.2μm的微孔过滤器过滤得到。在100级超净工作环境中，取少量键合溶液滴于经镀膜处理后的普通单模光纤和光束准直结构中的单模光纤的侧壁，将二者插入侧壁带有开口的熔融石英空心管中，两镀膜端面与熔融石英空心管的开口对齐，形成允许液体流入的开放式FP腔体，构成用于海水盐度测量的全石英开放式FP干涉仪，腔长为1500μm；
氢氧催化键合溶液7需要固化时间，在室温下放置5分钟至初步固化后，将该传感单元放入温度控制箱内维持200℃、24小时，直至固化过程完毕，如图2(e)所示。
所述的光纤光栅8为光纤布拉格光栅，具有全石英传感结构，用于海水温度监测，与上述制备完成的用于海水深度和盐度测量的两只全石英FP干涉仪依次级联在同一根光纤上，形成三参量传感结构，如图2(f)所示。
传感器的工作原理为：
1)级联的光纤布拉格光栅的中心波长会随温度的变化而产生的漂移，通过进行波峰的追踪，可以获取海水温度变化。统一周期光纤布拉格光栅的耦合模式理论可以表示为：
λBragg＝2neffΛ
其中，λBragg为光纤布拉格光栅中心波长,neff为有效折射率，Λ为光栅周期。
2)当在用于传感器受海水压力时，空芯光纤会因纵向应力而变形，改变用于海水深度测量的FP干涉仪内空气腔的长度。通过监测FP空腔长度的变化，可以得到待测的压力信息。FP腔体长度的变化与施加压力之间的关系可以用下式表示：
其中，d为光纤在熔融石英空心管内固定点之间的距离，即标距，P为海水压力，E和γ为熔融石英的杨氏模量和泊松比，分别为73GPa和0.17。
3)当海水进入用于盐度测量的开放式FP干涉仪内时，干涉光谱的总强度和光程差也会相应变化。开放式FP干涉仪在水下的光学腔长与其在空气中的物理腔长之间的关系可表示为：
其中，LO为水下光学腔长，L为空气中的物理腔长，nair为空气的折射率，n为海水折射率。通过测量光学腔长与物理腔长，折射率的绝对测量即可利用简单的除法实现。
所述的光纤传感解调仪9通过单模光纤与传感器11相连，进行海洋探测，如图3所示。采集到的叠加干涉光谱信号上传至计算机10进行处理，光谱如图4所示。通过直接记录光纤布拉格光栅中心波长漂移量获得温度变化信息。级联的用于海水深度和盐度测量的双FP干涉仪的叠加光谱，可使用快速傅里叶变换和基于汉明窗的有限脉冲响应带通滤波器进行分离，并分别使用互相关算法求得绝对腔长，实现深度、温度检测。
实际海洋应用环境下，温度、深度、盐度的三个传感单元之间存在的串扰可以通过分析各元件对各参数的交叉敏感特性来调节，实现自补偿与精确测量。
本发明所描述的用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器不仅实现在复杂深海勘测环境下的整体全石英耐高压、抗腐蚀结构，还使各传感元件级联在单一光纤上，具有体积小、结构紧凑、适合远距离测量等优势，且制备过程无需任何特殊工艺，易于制造与量产，有望成为未来海洋探索与研究的候选。
Claims (3)
1.一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法，其特征在于，所述的用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器包括光纤(1)、光纤微型自聚焦透镜(2)、玻璃毛细管(3)、空心玻璃管(4)、高反射膜(5)、半反射膜(6)、氢氧催化键合溶液(7)、光纤光栅(8)；
所述的光纤(1)与光纤微型自聚焦透镜(2)二者相互连接后，形成第一只光束准直结构；
所述的玻璃毛细管(3)与第一只光束准直结构中的光纤微型自聚焦透镜(2)的端面连接，并被切割至30～2000μm长度；再经电弧熔接至第二只光束准直结构中的光纤微型自聚焦透镜(2)的端面，形成用于海水深度测量的全石英封闭式FP干涉仪，同时重新耦合光束进入级联的另一FP干涉仪；
所述的空心玻璃管(4)的内径与光纤微型自聚焦透镜(2)的外径相匹配；在空心玻璃管(4)的管壁加工出开口后，进行洁净化处理；
另一光纤(1)端面经平整切割，洁净化处理后，镀高反射膜(5)；取第三只光束准直结构，将其进行洁净化处理后，在光纤微型自聚焦透镜(2)端面镀半反射膜(6)；高反射膜(5)和半反射膜(6)相对布置；
所述的氢氧催化键合溶液(7)被滴于分别经镀膜处理的光纤(1)和第三只光束准直结构中的光纤(1)的侧壁，再将二者插入侧壁带有开口的空心玻璃管(4)中，两镀膜端面与空心玻璃管(4)的开口对齐，形成允许液体流入的开放式FP腔体，构成用于海水盐度测量的全石英开放式FP干涉仪，腔长为30～1500μm长度；
所述的氢氧催化键合溶液(7)需要一段固化时间来实现完全装配过程，最终形成坚固的硅-氧化学键连接，在室温下放置传感结构直到键合完成，或提高环境温度缩短固化时间；
所述的光纤光栅(8)具有全石英传感结构，用于海水温度监测，与上述用于海水深度和盐度测量的两全石英FP干涉仪依次级联在同一根光纤(1)上，形成三参量传感结构。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器具有在单根光纤上级联三只全石英传感单元的结构，三个单元分别为光纤光栅(8)、全石英封闭式FP干涉仪、全石英开放式FP干涉仪，分别探测海水中的温度、深度、盐度。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述的全石英封闭式FP干涉仪为封闭空气腔体结构，全石英开放式FP干涉仪为带有液体导入通路的开放式腔体结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110527311.3A CN113295193B (zh) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | 一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110527311.3A CN113295193B (zh) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | 一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113295193A CN113295193A (zh) | 2021-08-24 |
| CN113295193B true CN113295193B (zh) | 2022-03-29 |
Family
ID=77322129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110527311.3A Active CN113295193B (zh) | 2021-05-14 | 2021-05-14 | 一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113295193B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113970348B (zh) * | 2021-09-28 | 2023-12-01 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于级联f-p干涉仪的多参量光纤传感器 |
| CN114986882A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-09-02 | 深圳技术大学 | 基于激光固化打印技术的超声传感器的制备系统及方法 |
| CN118376275B (zh) * | 2024-06-21 | 2024-08-27 | 青岛浦泽海洋科技有限公司 | 一种海洋温盐深传感器数据补偿方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013139783A1 (en) * | 2012-03-22 | 2013-09-26 | University Of Limerick | A sensor for combined temperature, pressure, and refractive index detection |
| CN109974758A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-05 | 东北大学 | 用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法 |
| CN109974789A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-07-05 | 天津工业大学 | 一种基于mems技术和膜材料的高集成度微型光纤海水温盐深传感器 |
| CN111238554A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-06-05 | 南京信息工程大学 | 用于海洋的多参数传感仓、监测方法和传感仓的制造方法 |
| CN112781633A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-05-11 | 中国计量大学 | 基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器 |
-
2021
- 2021-05-14 CN CN202110527311.3A patent/CN113295193B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013139783A1 (en) * | 2012-03-22 | 2013-09-26 | University Of Limerick | A sensor for combined temperature, pressure, and refractive index detection |
| CN109974758A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-05 | 东北大学 | 用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法 |
| CN109974789A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-07-05 | 天津工业大学 | 一种基于mems技术和膜材料的高集成度微型光纤海水温盐深传感器 |
| CN111238554A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-06-05 | 南京信息工程大学 | 用于海洋的多参数传感仓、监测方法和传感仓的制造方法 |
| CN112781633A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-05-11 | 中国计量大学 | 基于干涉游标效应的高灵敏海水盐温双参数传感器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| "Miniature fiber-optic tip pressure sensor assembled by hydroxide catalysis bonding";Liu Yueying;《Optics EXPRESS 》;20200131;第28卷(第2期);948-958 * |
| "基于光纤开放式法布里－珀罗干涉仪的液体折射率测量";宋鹏 等;《中国激光》;20171231;第44卷(第12期);1204007-1—1204007-7 * |
| "结构简单的熔接式全石英光纤ＥＦＰＩ高静压传感器";张杰 等;《中国激光》;20161031;第43卷(第10期);1010004-1—101004-7 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113295193A (zh) | 2021-08-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113295193B (zh) | 一种用于深海勘测的单光纤级联式温度-深度-盐度传感器的制作方法 | |
| Qian et al. | Review of salinity measurement technology based on optical fiber sensor | |
| CN110487454B (zh) | 一种微型膜片式光纤端部fp压力传感器、制作方法及应用 | |
| CN109580546B (zh) | 利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法 | |
| CN109974758B (zh) | 用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法 | |
| CN101858809B (zh) | 一种光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法 | |
| CN101424547B (zh) | 谐振式光纤珐珀传感器及其制造方法 | |
| Liu et al. | All-silica fiber-optic temperature-depth-salinity sensor based on cascaded EFPIs and FBG for deep sea exploration | |
| CN109269535B (zh) | 基于微纳光纤半耦合器海洋多参量一体化监测系统及方法 | |
| CN106124029B (zh) | 基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统 | |
| CN109029519B (zh) | 一种光纤尖端增镀uv胶薄膜的光纤f-p腔传感器的制备方法 | |
| CN111610471A (zh) | 一种金属化光纤光栅级联f-p结构的磁场和温度传感器 | |
| CN104501729B (zh) | 一种基于mems工艺的光纤f-p应变计及成型方法 | |
| CN111413598A (zh) | 局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器及其制作方法 | |
| CN101303300A (zh) | 微型光纤f-p传感器及制作方法、基于传感器的液体测试仪 | |
| CN212134870U (zh) | 一种局部放电检测用光纤双法珀腔超声波传感器 | |
| CN115808191A (zh) | 一种高温自补偿光纤f-p腔mems振动传感器及其制造方法 | |
| CN104776954A (zh) | 一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器 | |
| CN211825681U (zh) | 一种基于锥形扁平单模光纤内刻写fbg的氢气传感器 | |
| CN115096341B (zh) | 一种侧边对光的复合光纤法布里-珀罗传感器 | |
| Xu | High temperature high bandwidth fiber optic pressure sensors | |
| CN110887515A (zh) | 一种基于光纤内平行反射镜的并联式法布里-珀罗干涉仪 | |
| CN115435885A (zh) | Mems光纤悬臂梁声传感器及制备方法 | |
| CN212749212U (zh) | 一种金属化光纤光栅级联f-p结构的磁场和温度传感器 | |
| CN111928880B (zh) | 基于表面等离子体效应的马赫-曾德干涉光纤及其传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |