CN116380278A - 测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器及其使用方法，涉及光纤传感技术领域。本发明由嵌入到一对多模光纤中的一小段空芯光纤组成，并通过单模光纤实现和解调仪的连接。通过利用飞秒激光微加工技术对空芯光纤进行开腔刻蚀，使得MZI和FPI共存于单个紧凑结构中。本发明可以同时获得了MZ和FP的干涉光谱，可以实现对温度和盐度的同时测量。同时，本发明保证了MZ传感光束和被测物质的直接接触，大大提高了测量灵敏度。本发明在结构尺寸、灵敏度和多参数传感方面具有优势，是实现海水环境测量的有效方式。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器及其使用方法。
背景技术
盐度影响海洋生物特征、水的运动以及人类的生产和生活，是海洋监测的一个重要参数。目前，用于海水盐度检测的设备主要依赖于电子式传感器，如温盐深(CTD)测量仪。电子式测量仪测量精度高，但是存在着探头价格昂贵，体积大、布放困难、需要长期供电、易损坏、易漏电以及不适于原位长期测量等问题。相较于电子类传感器，光纤传感技术在海洋探测中具有独特的优势，对多参数敏感、体积小、响应快、成本低、寿命长、传输损耗低，可实现远距离、多点位、大容量分布式测量。在近几年得到了众多研究学者的广泛关注。
随着近年来光纤传感技术的快速发展，越来越多的光纤盐度传感器被提出，如光纤布拉格光栅(FBG)、法布里-珀罗干涉仪(FPI)、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、量子传感器和表面等离子体共振(SPR)传感器。这些盐度传感器主要基于测量折射率(RI)，但它们通常对温度敏感，因此存在温度串扰问题。为了解决这个问题，需要高度稳定的温度环境，或者在盐度测量过程中同时测量温度以补偿温度影响。因此，国内外研究人员也提出了许多同时测量温度和盐度的方法。
混合干涉仪结合了不同的传感结构，是实现盐度和温度同时测量的常用方法。2014年，Tong等人提出了两个马赫-曾德尔(MZ)干涉仪的级联，Tao Hu等人提出了一种将Sagnac干涉仪与多模干涉仪(MMI)相结合的传感探头等。通常，混合干涉仪往往很大，会导致温度和盐度敏感区域的位置偏移，并会导致测量误差。此外，MMI已被证明可以同时获得温度和盐度响应。然而，令人遗憾的是，这些传感探头的盐度灵敏度较低。为了提高灵敏度，这些传感结构需要拉锥，但是，这些结构是脆弱的。此外，光学微纤维耦合器(OMC)也是一种同时获得温度和盐度信息的方法，但其体积大且难以封装。
基于多敏感膜的干涉结构也是解决温度串扰问题的常用结构之一。Lu Ping的团队提出了一种在蚀刻的FBG上涂覆不同敏感膜的方法，以实现对温度和盐度的区域响应，但仍然存在灵敏度低的问题。此外，基于不同敏感膜的双通道SPR传感器也已被证明用于两参数测量。张提出了一种基于不同材料(如Au、Ag和PDMS)薄膜的双通道传感探针，该结构的温度灵敏度可达-0.956nm/℃，盐度灵敏度可达0.3769nm/‰。然而，SPR传感器的特性强烈依赖于金属膜，这可能导致盐水环境中的不稳定性。此外，一些传感器是由独特的光纤设计的，但制造起来很有挑战性。综上所述，这些同时测量温度和盐度的光纤传感器在测量灵敏度、机械强度、制造难度、尺寸等方面存在不足。
中国专利“CN214372544U”提出了一种基于干涉游标效应的高灵敏海水温盐双参数传感器，灵敏度虽然高，但是该结构是分立式结构，需要并联双FP干涉仪，结构复杂。中国专利“CN114414504A”提出了一种基于双弯曲长周期光纤光栅的海水盐度、温度检测装置及使用方法，实现了海水温度和盐度的同时测量，但是灵敏度偏低，系统复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器及其使用方法。解决了海水温度和盐度同时测量过程中的上述问题，本文提出了一种具有开放腔的紧凑型光纤传感结构，该传感结构具有高灵敏度、小尺寸以及同时测量海水温度和盐度的潜力。
一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器，具体包括：包括单模光纤、多模光纤、空芯光纤；
所述单模光纤包括输入单模光纤、输出单模光纤。
所述多模光纤包括输入多模光纤、输出多模光纤；
所述输入单模光纤、输入多模光纤、空芯光纤、输出多模光纤和输出单模光纤通过熔接机依次对准熔接；
所述空芯光纤两端和输入多模光纤以及输出多模光纤之间的连接端面作为法布里-珀罗干涉仪FPI的两个反射端面，即反射镜1和反射镜2，分别记作M1和M2；输入多模光纤作为分光器，输出多模光纤作为耦合器，构成法布里-珀罗干涉仪FPI以及马赫-曾德尔干涉仪MZI
所述空芯光纤中心设置有矩形开放腔，所述矩形开放腔是利用飞秒激光微加工技术制备的，贯穿整个空芯光纤；
另一方面，一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器的使用方法，基于前述一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器实现，具体包括以下步骤：
步骤1：用π型管对简单集成光纤传感器进行封装；
所述π型管包括端口1-端口4，简单集成光纤传感器从π型管的端口2进入，端口1传出，外界流体通过端口3和端口4流入和流出；
步骤2：将简单集成光纤传感器的输入端，即输入单模光纤端直接和光纤光栅解调仪连接，输出端即输出单模光纤端连接隔离器，并和光纤光栅解调仪连接。
步骤3：根据马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的干涉原理，得到他们的干涉波谷和开腔内折射率的关系，如公式1、2所示，
其中ncavity，ncladding分别为开腔和包层内传输光的有效折射率；λdip-MZ和λdip-FP分别是MZI和FPI的干涉图谱的波谷波长，m为常数，L是空芯光纤的长度。
当开腔内的折射率发生变化时，马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的干涉光谱将发生偏移，从而实现对盐度和温度的监测；将封装后的结构放入到恒温箱上，通过向π型管注入不同盐度的海水，从而实现盐度的测量，通过改变恒温箱的温度，实现温度的测量；同时监测光纤光栅解调仪上的反射光谱和透射光谱，构建其敏感矩阵实现双参数的同时测量。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器及其使用方法，可同时实现海水温度和盐度的高灵敏度传感，具有纤内集成、结构紧凑、制备简单等优点，适合复杂环境下的海水温度和盐度的测量。
附图说明
图1为本发明实施例中开放腔简单集成光纤传感器示意图；
图2为本发明实施例中开放腔简单集成光纤传感器显微镜照片；
图3为本发明实施例中开放腔简单集成光纤传感器的透射光谱图以及反射光谱图；
其中图(a)-透射光谱图，图(b)-反射光谱图；
图4为本发明实施例中实验系统图；
图5为本发明实施例中开放腔简单集成光纤传感器中MZI和FPI的盐度响应特性图；
图6为本发明实施例中开放腔简单集成光纤传感器中MZI和FPI的温度响应特性图。
具体实施方式
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。
一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器，如图1所示，具体包括：包括单模光纤、多模光纤、空芯光纤HCF，开放腔的存在保证了马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的共存，可以同时获取马赫-曾德尔(MZ)和法布里-珀罗(FP)的干涉光谱，通过检测海水盐度和温度引起的光谱的偏移，可以实现温度和盐度的同时测量。
结构示意图所示，
所述单模光纤包括输入单模光纤、输出单模光纤。
所述多模光纤包括输入多模光纤MMF、输出多模光纤；
所述输入单模光纤、输入多模光纤、空芯光纤HCF、输出多模光纤和输出单模光纤通过熔接机依次对准熔接。
空芯光纤HCF两端和输入多模光纤以及输出多模光纤之间的连接端面作为法布里-珀罗干涉仪FPI的两个反射端面，即反射镜1和反射镜2，分别记作M1和M2；到达反射镜M1和M2的光将被分为透射光和反射光以进行传播。输入多模光纤作为分光器，输出多模光纤作为耦合器。在M1处，反射光I3将返回到输入多模光纤的纤芯。此外，透射光被分为两部分进行传播，一部分(I1)沿着包层传播，而剩余的光(I2)沿着开腔传播。在M2处，光(I2)的反射光(I4)将被反射并传播通过M1与I3干涉，构成法布里-珀罗干涉仪FPI。此外，光(I2)的透射光将与I1干涉并构成马赫-曾德尔干涉仪MZI。总之，具有不同敏感响应的MZI和FPI共存于该传感结构中。输入多模光纤保证了输入光可以一部分进入空芯光纤的包层，一部分进入空芯光纤的空气孔，实现和外界被测环境的直接接触，保证了MZ干涉仪的高灵敏度测量。
空芯光纤中心设置有矩形开放腔，所述矩形开放腔是利用飞秒激光微加工技术制备的，贯穿整个空芯光纤，保证了外界被测物质的流通。
马赫-曾德尔干涉仪MZI和法布里-珀罗干涉仪FPI集成在一个紧凑的简单光纤传感结构；
海水温度和盐度变化都会造成MZ和FP干涉光谱的偏移，通过同时监测双光谱，可以实现海水温度和盐度的同时检测。如图2、图3所示。
另一方面，一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器的使用方法，基于前述一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器实现，具体包括以下步骤：
步骤1：用π型管对简单集成光纤传感器进行封装；
所述π型管包括端口1-端口4，简单集成光纤传感器从Π型管的端口2进入，端口1传出，外界流体通过端口3和端口4流入和流出；
步骤2：将简单集成光纤传感器的输入端，即输入单模光纤端直接和光纤光栅解调仪连接，输出端即输出单模光纤端连接隔离器，并和光纤光栅解调仪连接。
步骤3：根据马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的干涉原理，得到他们的干涉波谷和开腔内折射率的关系；
其中ncavity，ncladding分别为开腔和包层内传输光的有效折射率；λdip-MZ和λdip-FP分别是MZI和FPI的干涉图谱的波谷波长，m为常数，L是空芯光纤的长度。
当开腔内的折射率发生变化时，马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的干涉光谱将发生偏移，从而实现对盐度和温度的监测；将封装后的结构放入到恒温箱上，通过向π型管注入不同盐度的海水，从而实现盐度的测量，通过改变恒温箱的温度，实现温度的测量；同时监测光纤光栅解调仪上的反射光谱和透射光谱，构建其敏感矩阵实现双参数的同时测量。
本发明实施例设计的传感器显微镜照片如图2所示。其中多模光纤1和多模光纤2的长度是1000微米，空芯光纤的长度是100微米，开腔的长度的宽度分别为70微米和40微米，位于空芯光纤的中央位置。
实验设备的总体视图如图4所示。该系统由一个光纤光栅解调仪、一个恒温器和一个光纤隔离器组成。传感探针由π形管封装，该管有4个端口。传感结构从端口1进入，并从端口2输出。端口1和2用UV胶密封，端口3和4用作液体进出的通道。恒温器用于提供恒温环境。反射光谱和透射光谱将由作为光源和光谱分析仪的光纤光栅解调仪(Micron Optics，Si155)收集。其中透射光谱和反射光谱如图3(a)和3(b)所示。
首先，对传感结构的盐度特性进行了测试。在恒温条件下，用注射器将不同盐度的海水注入π形管中。此外，本实验中使用的海水浓度分别为0‰、14‰、21‰、30‰和41‰。图5展示了MZI和FPI的盐度特征。无论是MZI还是FPI，干涉倾角的波长都随着外部盐度的变化而变化，并且两者的响应不同。此外，MZI和FPI的盐度敏感性分别为-3.2nm/‰和0.2nm/‰。
由于盐度测量过程中温度的串扰问题，传感结构的温度测试是在恒定盐度的水环境中进行的。温度的响应曲线如图6所示。MZI和FPI的干涉倾角的波长随着外部温度的变化呈现二次变化。灵敏度可以通过导出二次曲线来获得。此外，MZI和FPI的温度灵敏度最高可达1.64nm/℃，在5-30℃范围内可达-0.1nm/℃。通过计算，在5-30℃时，MZI和FPI的温度对盐度的交叉敏感性分别为0.35‰/和℃0.39‰/。℃
本发明提到的一种用于海水温度和盐度测量的简单集成光纤传感器可同时实现海水温度和盐度的高灵敏度传感，具有纤内集成、结构紧凑、制备简单等优点，适合复杂环境下的海水温度和盐度的测量。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (4)
1.一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器，其特征在于，包括：包括单模光纤、多模光纤、空芯光纤；
所述单模光纤包括输入单模光纤、输出单模光纤；所述多模光纤包括输入多模光纤、输出多模光纤；
所述输入单模光纤、输入多模光纤、空芯光纤、输出多模光纤和输出单模光纤通过熔接机依次对准熔接。
2.根据权利要求1所述的一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器，其特征在于，所述空芯光纤中心设置有矩形开放腔，所述矩形开放腔是利用飞秒激光微加工技术制备的，贯穿整个空芯光纤。
3.根据权利要求1所述的一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器，其特征在于，所述空芯光纤两端和输入多模光纤以及输出多模光纤之间的连接端面作为法布里-珀罗干涉仪FPI的两个反射端面，即反射镜1和反射镜2，分别记作M1和M2；输入多模光纤作为分光器，输出多模光纤作为耦合器，构成法布里-珀罗干涉仪FPI以及马赫-曾德尔干涉仪MZI。
4.一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器的使用方法，基于权利要求1所述的一种测量海水温度和盐度的简单集成光纤传感器实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：用π型管对简单集成光纤传感器进行封装；
所述π型管包括端口1-端口4，简单集成光纤传感器从π型管的端口2进入，端口1传出，外界流体通过端口3和端口4流入和流出；
步骤2：将简单集成光纤传感器的输入端，即输入单模光纤端直接和光纤光栅解调仪连接，输出端即输出单模光纤端连接隔离器，并和光纤光栅解调仪连接；
步骤3：根据马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的干涉原理，得到他们的干涉波谷和开腔内折射率的关系，如公式1、2所示，
其中ncavity，ncladding分别为开腔和包层内传输光的有效折射率；λdip-MZ和λdip-FP分别是MZI和FPI的干涉图谱的波谷波长，m为常数，L是空芯光纤的长度；
当开腔内的折射率发生变化时，马赫-曾德尔干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的干涉光谱将发生偏移，从而实现对盐度和温度的监测；将封装后的结构放入到恒温箱上，通过向π型管注入不同盐度的海水，从而实现盐度的测量，通过改变恒温箱的温度，实现温度的测量；同时监测光纤光栅解调仪上的反射光谱和透射光谱，构建其敏感矩阵实现双参数的同时测量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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