CN215984925U - 基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器及其系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器及其系统，该传感器包括错位结构以及光纤布拉格光栅，错位结构包括错位熔接的两根单模光纤，第一单模光纤的一个端面与第二单模光纤的一个端面部分熔接，形成错位结构的第一个熔接面，第二单模光纤的另一个端面与光纤布拉格光栅的一个端面部分熔接，形成错位结构的第二个熔接面，第一单模光纤一个端面的一部分纤芯外露，另一部分纤芯与第二单模光纤一个端面的包层熔接，光纤布拉格光栅一个端面的一部分纤芯外露，另一部分纤芯与第二单模光纤另一个端面的包层熔接。应用本实用新型能够对盐度、温度同步检测，并通过温度测量补正误差，灵敏度更高，制作成本更低，体积更小。

Description

基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器及其系统

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器以及应用于该传感器的系统。

背景技术

盐度是海洋动力学以及海洋与大气相互作用中起关键作用的重要参数。盐度的变化与海洋环境及气候的变化有很强的内在联系。因此，对其精确的检测，对研究海洋学、海洋环境和气候的监测及预测、军事、沿海采油、以及海洋渔业等具有十分重要的实用意义和社会、经济效益。

目前，检测海水盐度的主要方法是电导率法，使用温盐深仪(Conductivity/Temperature/Depth，CTD)可以实现长期连续的盐度检测，CTD仪是测量海水物理性质的最常用设备，国内外已有相关产品。最具代表性的是美国海鸟公司的CTD仪，电导率测量范围达0～70mS/cm，精度达±0.002mS/cm，响应时间达50ms。

海水温度是海洋环境的重要参数，对其分布与变化的描述和分析在海洋监测和科学研究中都有着举足轻重的地位。光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器天然的抗电磁干扰、远距离传输、易大量复用、灵敏度高等特点使其在海洋探测中的应用逐渐引起人们的关注。

上述提到的电导率法测量精度高，适用于现场连续检测。然而，CTD仪观测到的电导率是在其盐度为S，温度为T，压力为p的情况下测量得到的，记为C(S，T，p)因此这种方法需要同时检测电导率、温度和深度进而标定出盐度，存在三种参数检测不同步造成的误差，而且电极脆弱，易受到损坏，电极易受水质污染和电磁干扰，影响测量精度。

光纤传感器与其它常规传感器相比具有大量而突出的优点。然而，基于表面等离子共振的光纤传感器通常需要金属化膜，由于海水腐蚀性强而使其无法长时间在水下工作。尽管基于FBG和LPG的光纤传感器有着良好的传感性能并且易于制造，但是它们的灵敏度较低，并且总体灵敏度小于10pm/‰。基于干涉型的光纤传感器对外部折射率变化的有着很高的灵敏度，并且其灵敏度约为20-280pm/‰，尽管该类型传感器的灵敏度随着海水的盐度变化在0‰至40.001‰之间而达到-3.42nm/‰，但其复杂的制造过程和单一的物理参数却成为在实际应用中难以利用的原因。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种能够对盐度、温度同步检测，并通过温度测量补正误差的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器。

本实用新型的另一目的是提供一种包含上述传感器的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感系统。

为了实现上述主要目的，本实用新型提供的一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器，包括具有错位腔的错位结构以及光纤布拉格光栅，所述错位结构包括错位熔接的两根单模光纤，所述第一单模光纤的一个端面与所述第二单模光纤的一个端面部分熔接，形成所述错位结构的第一个熔接面，所述第二单模光纤的另一个端面与所述光纤布拉格光栅的一个端面部分熔接，形成所述错位结构的第二个熔接面；其中，所述第一单模光纤一个端面的一部分纤芯外露，另一部分纤芯与所述第二单模光纤一个端面的包层熔接，所述光纤布拉格光栅一个端面的一部分纤芯外露，另一部分纤芯与所述第二单模光纤另一个端面的包层熔接。

进一步的方案中，当通过宽带光源为盐度/温度同步测量传感器提供光波时，光波沿着所述第一单模光纤的纤芯传播遇到所述第一个熔接面时，所述第一单模光纤的纤芯中的部分光束被激发到所述第二单模光纤的包层中继续传播，另一部分光束继续留在所述第一单模光纤的纤芯中传播到介质中；当遇到所述第二个熔接面时，所述第二单模光纤的纤芯中的光束与在介质中传播的另一部分光束耦合回所述光纤布拉格光栅的纤芯，两束光相聚，在所述光纤布拉格光栅的纤芯中继续传播。

更进一步的方案中，当沿着所述光纤布拉格光栅的纤芯传输的光束被反射回来时，反射回的光束再次遇到所述第二个熔接面时，部分光束激发到所述第二单模光纤的包层中继续传播，另一部分光束在介质中传播；当遇到所述第一个熔接面时，所述第二单模光纤的纤芯中的光束与在介质中传播的另一部分光束耦合回所述第一单模光纤的纤芯，两束光相聚，在所述第一单模光纤的纤芯中继续传播。

更进一步的方案中，所述错位结构的错位偏移为D＝62.5±2.5μm。

更进一步的方案中，所述错位结构的错位腔长为L＝150±10μm。

更进一步的方案中，所述光纤布拉格光栅的中心波长为1533.6nm，透射深度为15dB。

为了实现上述另一目的，本实用新型提供的一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感系统，包括：宽带光源、光环形器、升降台或加热台、上述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器、光纤夹台以及光谱分析仪，所述宽带光源经过所述光环形器连接所述盐度/温度同步测量传感器，所述光环形器的另一端接所述光谱分析仪，所述光谱分析仪用于将探测结果输出到计算机上进行分析与解调；其中，所述光纤夹台用于放置并固定所述盐度/温度同步测量传感器的两端，所述升降台或加热台上放置载玻片置于所述盐度/温度同步测量传感器下。

进一步的方案中，所述宽带光源为带宽为1250nm-1650nm的超连续谱宽带光源。

由此可见，本实用新型提出的结构中的错位部分利用光束分别在错位腔和光纤包层传输所引起的光程差产生稳定的干涉现象，其干涉谱波长漂移对溶液的盐度的变化作出反应，灵敏度为0.18533nm/‰，光纤布拉格光栅(FBG)部分对盐度几乎不敏感，灵敏度小于3pm/‰；同时FBG对温度的变化相对敏感，灵敏度为0.01nm/℃，F-P腔对于温度也有敏感，但能通过FBG的温度测量补正。

所以，本实用新型相对于已有的结构，该传感器能够对盐度S和温度T进行同步的双参数测量，相对于单参数测量的传感器有着更小的误差；对于多参数传感器，该传感器对于盐度检测较为灵敏，灵敏度为0.18533nm/‰，制作成本更低，体积更小。

附图说明

图1是本实用新型一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器实施例的结构示意图。

图2是本实用新型一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器实施例的平面示意图。

图3是本实用新型一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感系统实施例的结构示意图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器实施例：

参见图1与图2，本实用新型的一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器，其包括具有错位腔的错位结构以及光纤布拉格光栅，错位结构包括错位熔接的两根单模光纤，第一单模光纤10的一个端面与第二单模光纤20的一个端面部分熔接，形成错位结构的第一个熔接面，第二单模光纤20的另一个端面与光纤布拉格光栅30的一个端面部分熔接，形成错位结构的第二个熔接面。

其中，第一单模光纤10一个端面的一部分纤芯外露，另一部分纤芯与第二单模光纤20一个端面的包层熔接，光纤布拉格光栅30一个端面的一部分纤芯外露，另一部分纤芯与第二单模光纤20另一个端面的包层熔接。

在本实施例中，当通过宽带光源为盐度/温度同步测量传感器提供光波时，光波沿着第一单模光纤10的纤芯传播遇到第一个熔接面时，第一单模光纤10的纤芯中的部分光束被激发到第二单模光纤20的包层中继续传播，另一部分光束继续留在第一单模光纤10的纤芯中传播到介质中。

然后，当遇到第二个熔接面时，第二单模光纤20的纤芯中的光束与在介质中传播的另一部分光束耦合回光纤布拉格光栅30的纤芯，两束光相聚，在光纤布拉格光栅30的纤芯中继续传播。

在本实施例中，当沿着光纤布拉格光栅30的纤芯传输的光束被反射回来时，反射回的光束再次遇到第二个熔接面时，部分光束激发到第二单模光纤20的包层中继续传播，另一部分光束在介质中传播。

然后，当遇到第一个熔接面时，第二单模光纤20的纤芯中的光束与在介质中传播的另一部分光束耦合回第一单模光纤10的纤芯，两束光相聚，在第一单模光纤10的纤芯中继续传播。

其中，本实施例的介质为液体(海水)。

其中，错位结构的错位偏移为D＝62.5±2.5μm。

其中，错位结构的错位腔长为L＝150±10μm。

其中，光纤布拉格光栅30的中心波长为1533.6nm，透射深度为15dB。

具体的，本实用新型的传感器为光纤错位熔接与光纤布拉格光栅30相互作用的盐度和温度同步测量传感器，其主要包括错位结构、光纤布拉格光栅30，其中，错位结构分为三段，a、b段均为单模光纤(SMF)，c段为光纤布拉格光栅30，采用两次SMF的错位熔接制作，错位偏移量为D＝62.5±2.5μm，错位腔长为L＝150+10μm；FBG的中心波长为1533.6nm。

具体原理如下：首先，光束从第一单模光纤10左侧进入光纤传感器，并传播到错位结构的第一个熔接面，由于第一单模光纤10的纤芯一部分暴露在外、另一部分与第二单模光纤20的包层熔接，光束被分为两路I和II，在液体和包层分别传输，当传播到第二个熔接面时两路光束耦合后继续传输。在耦合光束进入光纤布拉格光栅30后特定波长的光会被增强，在光谱上产生深度在15dB左右的受温度影响的波峰，其反射的光会再次分为两束III和IV传播回第一个熔接面并耦合为光束V。由于往返时光束I、II和III、IV有固定的光程差，光束V耦合时将形成F-P干涉。

在传感器工作过程中，传感器对于盐度和温度的变化都会产生响应。根据错位结构和FBG分别对盐度、温度的敏感程度不同，该传感器可以同时测量海水中的盐度和温度，并通过温度的测量补正盐度测量时温度带来的误差。

所以，本实用新型设计并制造了一种基于光纤错位结构与光纤布拉格光栅的可测量海水中盐度，并测量温度以减小温度带来的误差的光纤传感器(SSFBG)，将一段单模光纤(SMF、D＝125μm)通过两次错位熔接，再取部分FBG制作出基于F-P干涉原理的错位腔，构成了SMF-SMF-FBG(SSFBG)结构。其中，SSFBG结构中两端的错位偏移为D＝62.5±2.5μm，错位腔长为150±10m。该部分通过其错位腔与光纤包层之间传输光的光程差形成随溶液盐度变化的F-P干涉，同时通过FBG特定加强某一波长的光的反射，其中心波长为1533.6nm，透射深度在15dB左右。

进一步的，根据错位结构和FBG分别对盐度、温度的敏感程度不同，该SSFBG传感器可以同时测量海水中的盐度和温度，并通过温度的测量补正盐度测量时温度对错位结构带来的误差。可以弥补现有的盐度传感器中，单参数传感器的测量误差大、双参数传感器灵敏度较低的问题，设计并制造了一个能够对盐度、温度同步检测，并通过温度测量补正误差的传感器。

一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感系统实施例：

如图3所示，本实用新型提供的一种基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感系统，包括：宽带光源1、光环形器2、升降台或加热台3、上述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器4、光纤夹台5以及光谱分析仪6，宽带光源1经过光环形器2连接盐度/温度同步测量传感器4，光环形器2的另一端接光谱分析仪6，光谱分析仪6用于将探测结果输出到计算机上进行分析与解调。

其中，光纤夹台5用于放置并固定盐度/温度同步测量传感器4的两端，升降台或加热台6上放置载玻片置于盐度/温度同步测量传感器4下。

其中，宽带光源1为带宽为1250nm-1650nm的超连续谱宽带光源。

在实际应用中，将传感器4两侧放置并固定在光纤夹台5上，并施加一定的应力使其绷紧避免弯曲带来的误差，升降台和载玻片放置在传感器4正下方。使用超连续谱宽带光源(ASE：＝1250nm-1650nm)通过光环形器2耦合进传感器4中，再通过光环形器2的另一头传输进光谱分析仪6(OSA)进行检测。

对于盐度检测，将盐度范围从0‰-40‰的NaCl溶液分批次滴在载玻片上，使其完全浸没传感器4；对于温度检测，将传感器4放置在加热台上，设定温度从30°-90°，每次上升10°。

在盐度检测过程中，传感器4在不同盐度值溶液下的光谱会发生波长上的偏移。在NaCl溶液浓度为0‰-40‰下，传感器4的对盐度的FSR为7.3nm。当溶液的盐度上升时，传感器4的透射光谱会明显地往更长的波长漂移(红移)，而FBG的中心波长几乎不会受影响，对盐度的灵敏度为0.18533nm/‰。

在温度检测过程中，随着温度从30°提升到90°，传感器4对温度的FSR为0.6nm，FBG的中心波长会随着温度上升向长波长方向漂移(红移)。对温度的灵敏度为0.01nm/℃。

由此可见，本实用新型提出的结构中的错位部分利用光束分别在错位腔和光纤包层传输所引起的光程差产生稳定的干涉现象，其干涉谱波长漂移对溶液的盐度的变化作出反应，灵敏度为0.18533nm/‰，光纤布拉格光栅(FBG)部分对盐度几乎不敏感，灵敏度小于3pm/‰；同时FBG对温度的变化相对敏感，灵敏度为0.01nm/℃，F-P腔对于温度也有敏感，但能通过FBG的温度测量补正。

所以，本实用新型相对于已有的结构，该传感器能够对盐度S和温度T进行同步的双参数测量，相对于单参数测量的传感器有着更小的误差；对于多参数传感器，该传感器对于盐度检测较为灵敏，灵敏度为0.18533nm/‰，制作成本更低，体积更小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器，其特征在于，包括：

具有错位腔的错位结构以及光纤布拉格光栅，所述错位结构包括错位熔接的两根单模光纤，所述第一单模光纤的一个端面与所述第二单模光纤的一个端面部分熔接，形成所述错位结构的第一个熔接面，所述第二单模光纤的另一个端面与所述光纤布拉格光栅的一个端面部分熔接，形成所述错位结构的第二个熔接面；

其中，所述第一单模光纤一个端面的一部分纤芯外露，另一部分纤芯与所述第二单模光纤一个端面的包层熔接，所述光纤布拉格光栅一个端面的一部分纤芯外露，另一部分纤芯与所述第二单模光纤另一个端面的包层熔接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器，其特征在于：

当通过宽带光源为盐度/温度同步测量传感器提供光波时，光波沿着所述第一单模光纤的纤芯传播遇到所述第一个熔接面时，所述第一单模光纤的纤芯中的部分光束被激发到所述第二单模光纤的包层中继续传播，另一部分光束继续留在所述第一单模光纤的纤芯中传播到介质中；

当遇到所述第二个熔接面时，所述第二单模光纤的纤芯中的光束与在介质中传播的另一部分光束耦合回所述光纤布拉格光栅的纤芯，两束光相聚，在所述光纤布拉格光栅的纤芯中继续传播。

3.根据权利要求2所述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器，其特征在于：

当沿着所述光纤布拉格光栅的纤芯传输的光束被反射回来时，反射回的光束再次遇到所述第二个熔接面时，部分光束激发到所述第二单模光纤的包层中继续传播，另一部分光束在介质中传播；

当遇到所述第一个熔接面时，所述第二单模光纤的纤芯中的光束与在介质中传播的另一部分光束耦合回所述第一单模光纤的纤芯，两束光相聚，在所述第一单模光纤的纤芯中继续传播。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器，其特征在于：

所述错位结构的错位偏移为D＝62.5±2.5μm。

5.根据权利要求4所述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器，其特征在于：

所述错位结构的错位腔长为L＝150±10μm。

6.根据权利要求1至3任一项所述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器，其特征在于：

所述光纤布拉格光栅的中心波长为1533.6nm，透射深度为15dB。

7.基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感系统，其特征在于，包括：

宽带光源、光环形器、升降台或加热台、如权利要求1至6任一项所述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感器、光纤夹台以及光谱分析仪，所述宽带光源经过所述光环形器连接所述盐度/温度同步测量传感器，所述光环形器的另一端接所述光谱分析仪，所述光谱分析仪用于将探测结果输出到计算机上进行分析与解调；

其中，所述光纤夹台用于放置并固定所述盐度/温度同步测量传感器的两端，所述升降台或加热台上放置载玻片置于所述盐度/温度同步测量传感器下。

8.根据权利要求7所述的基于光纤错位熔接的盐度/温度同步测量传感系统，其特征在于：

所述宽带光源为带宽为1250nm-1650nm的超连续谱宽带光源。

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