CN117347287A - 一种光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置,属于物理测量技术领域。该装置中激光经光纤环形器进入光纤耦合器被分为两路分别为第一激光和第二激光，第一激光经第一准直器准直后进入第一耐压窗口，透过标定海水后由第一高反射率反射镜反射原路返回至光纤耦合器，同理，第二激光透过待测海水后由第二高反射率反射镜反射后原路返回至光纤耦合器，反射回的第一激光和第二激光在光纤耦合器处相遇发生干涉产生干涉光谱信号，经过光纤环形器被光谱仪接收。干涉过程中，两束光的相位差与海水的折射率密切相关，折射率又由海水的温度、盐度和压强决定，本发明通过排除温度和压强的干扰，进而实现盐度的测量。
Description
技术领域
本发明属于物理测量技术领域，涉及一种光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置，特别是一种用于海洋环境下的液体盐度测量和计算系统，能有效提升盐度的测量精度并提高测量效率。
背景技术
目前，海洋领域的开发利用及其技术研究已经进入高质量发展的时代，海洋品质及其检测技术是研究和开发新技术的关键创新领域。海水的盐度对于理解和分析海洋环境、气候变化和海洋生物活动等具有至关重要的作用。然而，利用传统方法如化学分析和电导法来测量海水的盐度，往往面临操作复杂性、测量精度受环境因素影响以及无法实时在线测量等问题。这些问题在深海环境中更加严重，因为深海的高压和温度变化为精准测量带来了巨大的挑战。现有的光学方法因为具有高测量精度、快速响应的优势，已经被广泛应用于海水盐度测量。这些方法通常通过测量海水的折射率来确定其盐度。然而，存在一个显著的问题：海水的折射率不仅受到温度和压力的影响，而且这些因素还会作用于整个光学系统，包括支撑结构和光学窗口。温度的变化会导致系统中的材料膨胀或收缩，进而影响其尺寸和折射率，而这些变化直接影响到光学系统的光程差测量精度。同时，尽管电学方法也被尝试用于盐度测量，通过采用多电极系统以提高测量精度，但在深海的高压环境下，其精度会受到严重影响。更甚的是，高盐度环境可能会导致电极迅速腐蚀，从而进一步影响测量精度。
因此，亟需创新研发一种能够在深海环境中实时、在线测量海水盐度的方法及其装置系统，同时能够有效克服温度和压力变化对测量精度的影响，提出一种新型的基于光学干涉结构的非接触式自补偿海水盐度测量系统装置，能够有效地补偿温度和压力对系统光程差的影响，从而实现高精度的海水盐度测量。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置，其通过测量宽带激光通过海水介质后的干涉光谱特性，从而实现对海水盐度变化量测量，解决了现有方法测量精度低、不耐腐蚀等技术问题。
为了实现上述目的，本发明涉及的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置,其主体结构包括激光器、光谱仪、光纤环形器、光纤耦合器、光纤准直器、耐压窗口、海水样品、高反射率反射镜和玻璃管；其中，准直器包括第一光纤准直器和第二光纤准直器；耐压窗口包括第一耐压窗口、第二耐压窗口、第三耐压窗口和第四耐压窗口；高反射率反射镜包括第一高反射率反射镜和第二高反射率反射镜；海水样品包括标准海水和待测海水，玻璃管包括第一玻璃管和第二玻璃管；激光器、光纤环形器和光纤耦合器通过光纤依次连接，光纤耦合器分别与第一光纤准直器和第二光纤准直器通过光纤连接，第一耐压窗口和第二耐压窗口分别固定在第一玻璃管两端，第一光纤准直器固定在第一耐压窗口外侧的第一玻璃管内，第一高反射率反射镜固定在第二耐压窗口外侧的第一玻璃管内，第一耐压窗口和第二耐压窗口之间的玻璃管腔为标定腔，标定腔中充满标准海水，同理，第三耐压窗口和第四耐压窗口分别固定在第二玻璃管两端，第二光纤准直器固定在第三耐压窗口外侧的第二玻璃管内，第二高反射率反射镜固定在第四耐压窗口外侧的第二玻璃管内，第三耐压窗口和第四耐压窗口之间的玻璃管腔为样品腔，样品腔中充满待测海水，光谱仪通过光纤连接在光纤环形器上。
具体地，本发明涉及的第一玻璃管上设有一样品口，注入标准海水后将样品口封堵，第二玻璃管下部设有进样口，上部设有出样口，进样口通过蠕动泵和橡胶软管与待测海水储筒连通，出样口外接橡胶软管，用于将待测海水排出。
本发明涉及的玻璃管为低热膨胀系数的ZeroDur微晶玻璃管。
本发明涉及的激光器为宽带激光器，用于产生从可见光到近红外波长的激光。
本发明涉及的光纤耦合器为1:2光纤耦合器。
本发明涉及的耐压窗口为蓝宝石窗口，第一耐压窗口、第二耐压窗口、第三耐压窗口和第四耐压窗口内表面均设有增透膜。
本发明涉及的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置系统，可用于以下技术领域。（1）气候预测和灾害防控：海水盐度的变化对全球气候具有重大影响。通过监测盐度，可以更加准确地预测气候变化和天气模式，从而提前准备并制定有效的灾害防控措施。（2）渔业管理：海水盐度对海洋生物的生长和分布具有显著影响。通过监测盐度变化，可以为渔业管理提供重要的数据，帮助维护可持续的渔业实践和保护海洋生态。（3）水质监测与处理：盐度测量对于水质评估和水处理工程非常重要。该技术可以用于检测和监控淡水资源的盐度，以及评估和优化淡化海水的过程。（4）海洋能源开发：海水的盐度对海洋能量（如潮汐和波浪能）的开发和利用具有影响。通过监测盐度，可以更加准确地评估和优化这些能源来源的开发过程。因此，在海洋科学、环境监测和深海探索等领域具有广泛的应用前景。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：（1）不同于现有的光学和电学方法，不受温度和压力影响，检测速度快,检测灵敏度高，且整体装置结构简单，使用方便；（2）通过同时测量宽带激光通过标准海水和待测海水后的干涉光谱特性，得到待测海水的盐度信息，过程中不受其他环境因素的影响，检测精度高；（3）能够在不受温度和压力影响情况下准确测量海水的盐度，在海洋科学、环境监测和深海探索等领域具有广泛的应用前景, 是一种创新且可靠的解决方案，有望进一步推动深海盐度测量技术的发展和应用。
附图说明
图1为本发明涉及的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置的整体结构原理示意框架图。
图2为实施例1涉及的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置测得的两种待测海水的干涉后的光谱图。
图3为实施例1涉及的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置更换不同盐度海水得到的光谱峰值波长与盐度的关系图。
其中，1为激光器、2为光谱仪、3为光纤环形器、4为光纤耦合器、5为第一光纤准直器、6为第二光纤准直器、7为第一耐压窗口、8为第二耐压窗口、9为第三耐压窗口、10为第四耐压窗口、11为标准海水、12为待测海水、13为第一高反射率反射镜、14为第二高反射率反射镜、15为第一玻璃管、16为第二玻璃管。
具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的一种光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置，其主体结构包括激光器1、光谱仪2、光纤环形器3、光纤耦合器4、光纤准直器、耐压窗口、海水样品、高反射率反射镜和玻璃管；其中，光纤准直器包括第一光纤准直器5和第二光纤准直器6；耐压窗口包括第一耐压窗口7、第二耐压窗口8、第三耐压窗口9和第四耐压窗口10；高反射率反射镜包括第一高反射率反射镜13和第二高反射率反射镜14；海水样品包括标准海水11和待测海水12，玻璃管包括第一玻璃管15和第二玻璃管16；激光器1、光纤环形器3和光纤耦合器4通过光纤依次连接，光纤耦合器4分别与第一光纤准直器5和第二光纤准直器6通过光纤连接，第一耐压窗口7和第二耐压窗口8分别固定在第一玻璃管15两端，第一光纤准直器5固定在第一耐压窗口7外侧的第一玻璃管15内，第一高反射率反射镜13固定在第二耐压窗口8外侧的第一玻璃管15内，第一耐压窗口7和第二耐压窗口8之间的玻璃管腔为标定腔，标定腔中充满标准海水11，同理，第三耐压窗口9和第四耐压窗口10分别固定在第二玻璃管16两端，第二光纤准直器6固定在第三耐压窗口9外侧的第二玻璃管16内，第二高反射率反射镜14固定在第四耐压窗口10外侧的第二玻璃管16内，第三耐压窗口9和第四耐压窗口10之间的玻璃管腔为样品腔，样品腔中充满待测海水，光谱仪2通过光纤连接在光纤环形器3上。
本实施例涉及的激光器1用于产生从可见光到近红外波长的激光，所述激光经光纤环形器3进入光纤耦合器4被分为两路，分别为第一激光和第二激光，第一激光经第一光纤准直器5准直后进入第一耐压窗口7，透过标准海水11后由第一高反射率反射镜13反射原路返回至光纤耦合器4，第二激光经过第二光纤准直器6准直后进入第三耐压窗口9，透过待测海水后由第二高反射率反射镜14反射后原路返回至光纤耦合器4，反射回的第一激光和第二激光在光纤耦合器4处相遇发生干涉产生干涉光谱信号，所述干涉光谱信号经过光纤环形器3被光谱仪2接收。干涉过程中，两束光的相位差与海水的折射率密切相关，折射率又由海水的温度、盐度和压强决定，本发明通过参考臂和传感臂的设计排除温度和压强的干扰，进而实现盐度的测量。
本实施例涉及的第一光纤准直器5、第一耐压窗口7、标定腔、第二耐压窗口8和第一高反射率反射镜13构成参考臂；第二光纤准直器6、第三耐压窗口9、样品腔、第四耐压窗口10和第二高反射率反射镜14构成传感臂。参考臂用于承受与传感臂相同的温度和压强，标定腔中设置标准海水11，用于获取标准海水11的折射率，样品腔中灌满待测海水12，用于测量待测海水的折射率。参考臂和传感臂的结构配置和尺寸相同，参考臂和传感臂相邻设置，以保证参考臂和传感臂在一定范围内保持相同的温度和压强。
本实施例涉及的光学干涉结构包括第一光纤准直器5、第二光纤准直器6、第一耐压窗口7、第二耐压窗口8、第三耐压窗口9、第四耐压窗口10、第一高反射率反射镜13、第二高反射率反射镜14、第一玻璃管15和第二玻璃管16。
具体地，本实施例涉及的第一玻璃管15上设有一样品口，注入标准海水后将样品口封堵，第二玻璃管16下部设有进样口，上部设有出样口，进样口通过蠕动泵和橡胶软管与待测海水储筒连通，出样口外接橡胶软管，用于将待测海水排出。
本实施例涉及的玻璃管为低热膨胀系数的ZeroDur微晶玻璃管。玻璃管有效将光纤准直器、耐压窗口和反射膜等空间光学器件固定在一起，同时形成标定腔和样品腔，低热膨胀系数可以抑制由温度变化导致的光程变化。
本实施例涉及的激光器1为宽带激光器，用于产生从可见光到近红外波长的激光，如450nm-550nm, 或1285nm至1350nm的激光，该波长范围内海水对光的吸收低，可以延长光信号的传输距离，并有较低的成本。
本实施例涉及的光纤环形器3用于实现光路闭环反馈，并确保光信号在整个系统中的稳定传输。
本实施例涉及的光纤耦合器4用于将激光分成两路。具体地，光纤耦合器为1:2光纤耦合器。
本实施例涉及的耐压窗口为蓝宝石窗口，优选为圆柱状筒体，厚度为10 mm，直径16 mm，蓝宝石窗口具有出色的光学透明度和机械强度。耐压窗口放置在准直器与海水样品之间，隔离海水与光学元件，在高压海水条件保护光学器件。具体地，第一耐压窗口7、第二耐压窗口8、第三耐压窗口9和第四耐压窗口10内表面均设有增透膜。
本实施例涉及的光谱仪2的工作原理是通过光栅将入射光分散成不同的颜色，并进一步提供光探测器将其转化为相应的电信号。光谱仪通过光栅将不同波长的激光光谱在空间上分离，并记录不同波长处的光强度，反映了干涉光的光强度与波长的周期性变化，这种周期性变化源于不同波长带来的相位差，最终形成不同的波谷（相干干扰）和峰值（相干干涉）。海水盐度的变化会导致介质折射率的波动，这直接影响干涉结构内的光程差。这会引起光在各种波长上的干涉状态的转变，这在经验上表现为向较长或较短波长域的光谱位移。在获得了光谱峰值信息后，将其转换为海水的盐度信息。具体来说，通过分析光的干涉光谱，获取到光在海水中的折射率变化，进一步根据已知的海水折射率与盐度、及温度和压强的关系，就能推导出海水的盐度。
在整个过程中，由于同时设置了参考臂和传感臂，使得设备可以在实际测量过程中自动补偿传感探头受到的温度和压力对光程差的影响，因此，本发明可以得到在不同温度和压力条件下，准确的海水盐度测量结果。这对于深海探测、海洋环境监测等领域有着广泛的应用前景。
实施例2
本实施例涉及一个具体的应用例，其中所使用的实验设备包括宽带激光器1，光谱仪2, 光纤环形器3，1:2光纤耦合器，光纤准直器，蓝宝石窗口，海水样品，高反射率反射镜和微晶玻璃管；所使用的主要光学器件型号和参数如下：
本实施例使用的标准海水来源于中国国家海洋标准计量中心，系列标准海水NVRMGBW(E)130011。标准海水的盐度值为0、4.996、19.999、30.003、35和40.006 PSU，可以选用其中的一种或多种做为校准或标定参考。
本实施例涉及的一种光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置，具体工作过程为：
（1）首先将盐度为 35 PSU 的标准海水引入参考臂作为标准海水11，盐度为 40PSU 的标准海水作为待测海水12引入传感臂；
（2）参考臂和传感臂双臂均放置在设定为15℃的恒温水槽内，一旦系统温度稳定，就收集初始光谱数据；
（3）接下来，将不同盐度的海水样品（40、35、30、20、5和0 PSU的标准海水）依次引入传感臂内腔。每次更换后，等待一个小时以确保样品温度与设定温度达到平衡，然后再收集光谱数据。需要注意的是，在液体置换过程中，液体从底部向上引入，体积超过样品室容积，以确保样品室内液体的完全置换，从而避免盐度值的误差。
光谱仪得到的光谱数据如图2所示，光谱呈余弦函数状，当海水盐度发生变化时向长波或短波方向移动。置换不同盐度的标准海水后，在15℃的温度下，得到的光谱峰值数据如图3所示，其灵敏度为145 pm/PSU。
Claims (6)
1.一种光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置,其特征在于，包括激光器、光谱仪、光纤环形器、光纤耦合器、光纤准直器、耐压窗口、海水样品、高反射率反射镜和玻璃管；其中，光纤准直器包括第一光纤准直器和第二光纤准直器；耐压窗口包括第一耐压窗口、第二耐压窗口、第三耐压窗口和第四耐压窗口；高反射率反射镜包括第一高反射率反射镜和第二高反射率反射镜；海水样品包括标准海水和待测海水，玻璃管包括第一玻璃管和第二玻璃管；激光器、光纤环形器和光纤耦合器通过光纤依次连接，光纤耦合器分别与第一光纤准直器和第二光纤准直器通过光纤连接，第一耐压窗口和第二耐压窗口分别固定在第一玻璃管两端，第一光纤准直器固定在第一耐压窗口外侧的第一玻璃管内，第一高反射率反射镜固定在第二耐压窗口外侧的第一玻璃管内，第一耐压窗口和第二耐压窗口之间的玻璃管腔为标定腔，标定腔中充满标定海水，同理，第三耐压窗口和第四耐压窗口分别固定在第二玻璃管两端，第二光纤准直器固定在第三耐压窗口外侧的第二玻璃管内，第二高反射率反射镜固定在第四耐压窗口外侧的第二玻璃管内，第三耐压窗口和第四耐压窗口之间的玻璃管腔为样品腔，样品腔中充满待测海水，光谱仪通过光纤连接在光纤环形器上。
2.根据权利要求1所述的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置,其特征在于，第一玻璃管上设有一样品口，注入标准海水后将样品口封堵，第二玻璃管下部设有进样口，上部设有出样口，进样口通过蠕动泵和橡胶软管与待测海水储筒连通，出样口外接橡胶软管，用于将待测海水排出。
3.根据权利要求1所述的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置,其特征在于，玻璃管为低热膨胀系数的ZeroDur微晶玻璃管。
4.根据权利要求1所述的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置,其特征在于，激光器为宽带激光器，用于产生从可见光到近红外波长的激光。
5.根据权利要求1所述的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置,其特征在于，光纤耦合器为1:2光纤耦合器。
6.根据权利要求1所述的光学干涉结构式自补偿海水盐度测量装置,其特征在于，耐压窗口为蓝宝石窗口，第一耐压窗口、第二耐压窗口、第三耐压窗口和第四耐压窗口内表面均设有增透膜。
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