CN115597658A - 一种测量海水温盐的f-p级联光纤传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量海水温盐的F‑P级联光纤传感器及方法，由一种测量海水温盐的F‑P级联光纤传感结构和解调仪组成，光纤传感结构和解调仪通过单模光纤连接，光纤传感结构由温度传感腔和盐度传感腔级联组成；温敏材料膜对温度传感腔与盐度传感腔之间进行隔离；本发明设计的传感结构将毛细石英管和温敏材料结合，大大提高了测温灵敏度；同时，基于温度补偿的原理，本发明利用F‑P级联结构实现了对盐度测量的校正，提高了盐度测量的精度；本发明结构简单、制作成本低、精度高，是实现海水温度与盐度高精度测量的有效手段。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器及方法。
背景技术
温度和盐度是水体资源监测、环境保护、海洋资源开发的重要参数指标，对海洋学、水文气象学、环境保护的研究具有重要意义。海洋温盐测量需要高灵敏度、结构简单、测量范围大、传输稳定的传感器。目前，电导-温度-深度(CTD)传感器已被广泛应用于海洋学的研究。
然而，CTD传感器主要依靠电子元件工作，在海洋的恶劣环境下容易出现失灵、信号传输困难等问题，并存在远距离传输困难、维护成本高等缺陷。无法满足未来海洋立体化观测需求。
近年来，由于光纤传感器具有体积小、信号衰减小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、成本低、传输距离远等优良特性，有望成为海洋环境下替代CTD探测系统的一种新选择。光纤光栅传感器和光纤法布里-珀罗(FP)传感器是光纤传感领域内两种成熟的传感器。光纤光栅传感器虽然具有结构稳定、易于制作等优点，但其测温灵敏度较低，且测量盐度较为困难，较难应用于实际测量过程。光纤法布里-珀罗(F-P)传感器作为光纤传感器的重要分支，除了具有光纤传感器的优点外，还具有结构简单、检测精度高、测量动态范围大等优点。
中国专利CN202110059378.9公开了一种基于干涉游标效应的海水盐温双参数传感器，虽然该传感器实现了海水温盐的双参数测量，但制备过程需在光纤内部制造微腔，技术难度较大。且该传感器结构为分立结构，无法满足测量上高时空分辨率的需求。中国专利CN202121932895.4公开了一种单光纤级联式温度-深度-盐度传感器，虽然该传感探头实现了传感结构的集成，但其温度灵敏度较低，且制备过程中的技术条件较为苛刻，如氢氧催化键合技术等。因此，实现结构简单、测量参数多、灵敏度高、易于制造的光纤FP一体式级联装置就显得尤为重要。
对海洋勘测应用而言，灵敏度高，结构简单，易于制造，体积小，具有多参量测量能力的单光纤级联式的传感器具有广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明设计了一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器及方法。
一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器，由一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感结构和解调仪组成，光纤传感结构和解调仪通过单模光纤连接，光纤传感结构由温度传感腔和盐度传感腔级联组成；
所述温度传感腔具体为：材料为二氧化硅的单模光纤纤芯，纤芯外连接有毛细石英管，毛细石英管末端镀有温敏材料膜，所述单模光纤纤芯与温敏材料膜之间的空气腔为温度传感腔；所述温敏材料膜对温度传感腔与盐度传感腔之间进行隔离；
上述毛细石英管外连接有石英管，石英管末端连接石英棒，所述石英棒的内侧端面镀有金膜，所述温敏材料膜与金膜之间为盐度传感腔；所述石英管管壁存在微孔结构；
所述光纤传感结构存在单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面、温敏材料-海水端面和金膜端面四个反射面，其中温度传感腔包括单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面，盐度传感腔包括温敏材料-海水端面和金膜端面；单模光纤纤芯端面和温度传感腔内空气组成单模光纤-空气端面，温度传感腔内空气和温敏材料端面组成空气-温敏材料端面，温敏材料端面和海水接触面组成温敏材料-海水端面，金膜和海水接触面组成金膜端面；
一种测量海水温盐的方法，利用上述一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器实现，具体包括以下内容：
解调仪扫描发射宽谱光，经光纤耦合进光纤传感结构；光纤传感结构内存在单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面、温敏材料-海水端面和金膜端面四个反射面，宽谱光经过四个反射面反射后经光纤传输至解调仪，形成干涉光谱信号；然后再将干涉光谱信号传送至上位机，在上位机中进行带通滤波处理后，得到温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱以及每个光谱对应的特定谐振峰的中心波长，计算不同温度盐度环境下温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长移动量，然后利用双波长矩阵的方法，反推出海水温度和盐度；所述移动量为温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长的差值。
所述双波长矩阵的方法具体为：当海水盐度保持不变而改变海水温度时，温度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动；当海水温度保持不变而改变海水盐度时，盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动；当海水盐度保持不变而改变海水温度时，盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动。
F-P级联光纤传感结构的双波长矩阵为：
其中，ΔλK与ΔλP分别为温度传感腔光谱与盐度传感腔光谱对应的谐振峰中心波长的移动量；A为F-P级联光纤传感结构温度传感腔的温度灵敏度，C为F-P级联光纤传感结构温度传感腔对海水盐度的灵敏度，温度传感腔与海水隔离，因此温度传感腔对盐度不敏感，灵敏度为0；B为F-P级联光纤传感结构盐度传感腔对海水温度的灵敏度，D为F-P级联光纤传感结构盐度传感腔对海水盐度的灵敏度，所述温度灵敏度由对不同温度下的温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应谐振峰中心波长和对应温度进行最小二乘拟合得到；所述盐度灵敏度由对不同盐度下的盐度传感腔光谱对应谐振峰中心波长和对应盐度进行最小二乘拟合得到；根据两个中心波长移动量利用矩阵运算推出海水的温度和盐度。
本发明有益技术效果：
本发明提出的一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器及方法，在同一根光纤上仅使用电弧熔接技术级联温度传感腔和盐度传感腔，无需激光焊接或湿法腐蚀等技术，将毛细石英管和温敏材料结合，在常温常压环境下形成小体积的传感结构，能够对海水盐度、温度同步检测，并通过温度测量补正误差，结构简单、灵敏度高，是实现海水温度与盐度检测的有效手段。相较于电学传感器技术在海洋的恶劣环境下容易出现失灵，信号传输困难等问题，本发明利用结构简单的光纤传感结构，信号传输稳定同时成本更低；相较于目前的海洋温盐传感器，本发明具有温度灵敏度高的特性，并实现温度补偿，提高了盐度测量的精准度。
附图说明
图1为本发明的F-P级联光纤传感结构示意图。
图2为本发明实施例的F-P级联光纤传感器使用方法的示意图。
图3为本发明实施例的F-P级联光纤传感器海水温度升高响应曲线。
图4为本发明实施例的F-P级联光纤传感器海水温度测量灵敏度曲线
图5为本发明实施例的F-P级联光纤传感器海水盐度升高响应曲线。
图6为本发明实施例的F-P级联光纤传感器海水盐度测量灵敏度曲线。
具体实施方式
下面结合实施例与附图，对本发明的技术方案进行进一步的说明。
本发明将毛细石英管和温敏材料结合，形成的温度传感腔温度灵敏度高；将只对温度敏感的温度传感腔和对温度和温度盐度均敏感的盐度传感腔级联处理，实现海水温度和盐度的同时测量；基于温度补偿的原理，提高了盐度测量的精度；
一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器，由一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感结构和解调仪组成，光纤传感结构和解调仪通过单模光纤连接，光纤传感结构由温度传感腔1和盐度传感腔2级联组成；一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感结构，如图1所示；
所述温度传感腔1具体为：材料为二氧化硅的单模光纤纤芯3，纤芯3外连接有毛细石英管4，毛细石英管4末端镀有温敏材料膜5，所述单模光纤纤芯3与温敏材料膜PDMS膜5之间的空气腔为温度传感腔1；所述温敏材料膜5对温度传感腔1与盐度传感腔2之间进行隔离；
将配置好的PDMS溶液涂敷于毛细石英管4一端，在恒温箱中100℃存放一小时，使PDMS固化，然后使用光纤熔接机利用电弧熔接技术将单模光纤纤芯3和涂敷有PDMS膜5的毛细石英管4另一端熔接在一起。制成温度传感腔1。
上述毛细石英管4外连接有石英管6，石英管6末端连接石英棒7，所述石英棒7的内侧端面镀有金膜8，所述温敏材料膜5与金膜8之间为盐度传感腔2；所述石英管6管壁存在微孔结构9，用于海水的流通。
将研磨平整的石英棒7放入镀膜仪中进行镀膜，并使用光纤熔接机利用电弧熔接技术将镀有金膜8的石英棒熔接在管壁存在微孔结构9的石英管6上，最终使用光纤熔接机利用电弧熔接技术将温度传感腔1和石英管6熔接在一起，温敏材料膜与金膜构成盐度传感腔2，传感结构制作完成。
所述温敏材料膜5为聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)，厚度为200～500um；温度传感腔的长度为40～100um；盐度传感腔的长度为80～150um；金膜的厚度为40～200nm；
所述光纤传感器存在单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面、温敏材料-海水端面和金膜端面四个反射面，其中温度传感腔包括单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面，盐度传感腔包括温敏材料-海水端面和金膜端面；单模光纤端面和温度传感腔内空气组成单模光纤-空气端面，温度传感腔内空气和温敏材料端面组成空气-温敏材料端面，温敏材料端面和海水接触面组成温敏材料-海水端面，金膜和海水接触面组成金膜端面；
一种测量海水温盐的方法，利用一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器进行，如附图2所示，具体包括以下内容：
解调仪11发射宽谱光，经光纤进光纤传感结构；光纤传感结构10内存在单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面、温敏材料-海水端面和金膜端面四个反射面，宽谱光经过四个反射面反射后形成干涉光谱信号，经光纤回传至解调仪；然后再将干涉光谱信号传送至上位机12，在上位机中进行带通滤波处理后，得到温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱以及每个光谱对应的特定谐振峰的中心波长，计算不同温度盐度环境下温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长移动量，然后利用双波长矩阵的方法，反推出海水温度和盐度；所述移动量为温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长的差值。所述上位机即为计算机；
所述双波长矩阵的方法具体为：当海水盐度保持不变而改变海水温度时，温度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动；当海水温度保持不变而改变海水盐度时，盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动；当海水盐度保持不变而改变海水温度时，盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动
F-P级联光纤传感结构的双波长矩阵为：
其中，ΔλK与ΔλP分别为温度传感腔光谱与盐度传感腔光谱对应的谐振峰中心波长的移动量；A为F-P级联光纤传感结构温度传感腔的温度灵敏度，C为F-P级联光纤传感结构温度传感腔对海水盐度的灵敏度，温度传感腔与海水隔离，因此温度传感腔对盐度不敏感，灵敏度为0；B为F-P级联光纤传感结构盐度传感腔对海水温度的灵敏度，D为F-P级联光纤传感结构盐度传感腔对海水盐度的灵敏度，所述温度灵敏度由对不同温度下的温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应谐振峰中心波长和对应温度进行最小二乘拟合得到，所述盐度灵敏度由对不同盐度下的盐度传感腔光谱对应谐振峰中心波长和对应盐度进行最小二乘拟合得到；根据两个中心波长移动量利用矩阵运算推出海水的温度和盐度。
图3为本发明实施例的F-P级联光纤传感器海水温度测量响应曲线。由传感结构在海水中经过一定温度变化后，在上位机中显示的温度传感腔光谱移动结果。
图4为本发明实施例的F-P级联光纤传感器海水温度测量灵敏度曲线。由传感结构在海水中经过多次温度变化后，温度传感腔光谱特定谐振峰的中心波长随温度变化的拟合结果。
图5为本发明实施例的F-P级联光纤传感器海水盐度测量响应曲线。由传感结构在海水中经过一定盐度变化后，在上位机中显示的盐度传感腔光谱移动结果。
图6为本发明实施例的F-P级联光纤传感器海水盐度测量灵敏度曲线。由传感结构在海水中经过多次盐度变化后，盐度传感腔光谱特定谐振峰的中心波长随盐度变化的拟合结果。说明本方法得到了精度很高的海水温度和盐度数据。
Claims (7)
1.一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器，其特征在于，由一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感结构和解调仪组成，光纤传感结构和解调仪通过单模光纤连接，光纤传感结构由温度传感腔和盐度传感腔级联组成。
2.根据权利要求1所述的一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器，其特征在于，所述温度传感腔具体为：材料为二氧化硅的单模光纤纤芯，纤芯外连接有毛细石英管，毛细石英管末端镀有温敏材料膜，所述单模光纤纤芯与温敏材料膜之间的空气腔为温度传感腔；所述温敏材料膜对温度传感腔与盐度传感腔之间进行隔离。
3.根据权利要求1所述的一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器，其特征在于，所述盐度传感腔具体为：毛细石英管外连接有石英管，石英管末端连接石英棒，所述石英棒的内侧端面镀有金膜，所述温敏材料膜与金膜之间为盐度传感腔；所述石英管管壁存在微孔结构。
4.根据权利要求1所述的一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感结构存在单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面、温敏材料-海水端面和金膜端面四个反射面，其中温度传感腔包括单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面，盐度传感腔包括温敏材料-海水端面和金膜端面；单模光纤纤芯端面和温度传感腔内空气组成单模光纤-空气端面，温度传感腔内空气和温敏材料端面组成空气-温敏材料端面，温敏材料端面和海水接触面组成温敏材料-海水端面，金膜和海水接触面组成金膜端面。
5.一种测量海水温盐的方法，利用上述权利要求1一种测量海水温盐的F-P级联光纤传感器实现，其特征在于，具体包括以下内容：
解调仪扫描发射宽谱光，经光纤进入光纤传感结构；光纤传感结构内存在单模光纤-空气端面、空气-温敏材料端面、温敏材料-海水端面和金膜端面四个反射面，宽谱光经过四个反射面反射后经光纤传输至解调仪，形成干涉光谱信号；然后再将干涉光谱信号传送至上位机，在上位机中进行带通滤波处理后，得到温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱以及每个光谱对应的特定谐振峰的中心波长，计算不同温度盐度环境下温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长移动量，然后利用双波长矩阵的方法，反推出海水温度和盐度；所述移动量为温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长的差值。
6.根据权利要求5所述的一种测量海水温盐的方法，其特征在于，所述双波长矩阵的方法具体为：当海水盐度保持不变而改变海水温度时，温度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动；当海水温度保持不变而改变海水盐度时，盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动；当海水盐度保持不变而改变海水温度时，盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰的中心波长会发生不同大小的移动。
7.根据权利要求5所述的一种测量海水温盐的方法，其特征在于，F-P级联光纤传感结构的双波长矩阵为：
其中，ΔλK与ΔλP分别为温度传感腔光谱与盐度传感腔光谱对应的特定谐振峰中心波长的移动量；A为F-P级联光纤传感结构温度传感腔的温度灵敏度，C为F-P级联光纤传感结构温度传感腔对海水盐度的灵敏度，温度传感腔与海水隔离，因此温度传感腔对盐度不敏感，灵敏度为0；B为F-P级联光纤传感结构盐度传感腔对海水温度的灵敏度，D为F-P级联光纤传感结构盐度传感腔对海水盐度的灵敏度，所述温度灵敏度由对不同温度下的温度传感腔光谱和盐度传感腔光谱对应谐振峰中心波长和对应温度进行最小二乘拟合得到，所述盐度灵敏度由对不同盐度下的盐度传感腔光谱对应谐振峰中心波长和对应盐度进行最小二乘拟合得到；根据两个中心波长移动量利用矩阵运算推出海水的温度和盐度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116105778A (zh) * | 2023-04-12 | 2023-05-12 | 广东海洋大学深圳研究院 | 一种温盐同步测量的光纤传感系统 |
| US11965821B1 (en) | 2023-04-12 | 2024-04-23 | Guangdong Ocean University | Optical fiber sensing system for temperature and salinity synchronous measurement |
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2022
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