基于光纖光柵海洋溫深傳感器的研究

吳路光+徐元哲+龍順宇+謝鑫剛

摘 要 本文提出了一種新型的光纖光柵海洋監測傳感器，可以實現溫度和壓力的同時測量，且排除溫度對壓力測量的影響。傳感器采用的彈性膜片結構，壓力測量光纖直接與膜片連接，膜片在壓力作用下產生軸向位移，進而拉動壓力測量光纖以實現壓力傳感；溫度測量光纖單獨固定，采用的進水腔結構，在保證光纖免受海水沖擊的情況下直接與海水接觸，實現快速測溫，同時實現溫度補償。

關鍵詞 光纖光柵；海洋監測；溫深傳感器

中圖分類號 P7 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）188-0062-02

隨著國家“一帶一路”和海洋戰略政策的實施，海洋環境監測越來越重要，監測傳感器中最基礎的是溫鹽深（CTD）傳感器，其中深度參數通過測量水壓得到。光纖光柵對溫度和壓力都敏感，因此可以采用光纖光柵同時完成溫度和壓力的測量。溫度可以單獨測量，而壓力的測量會受到溫度的影響，因此要消除溫度的影響。潘洪亮等[1]提出了一種分程式雙靈敏度的光纖光柵壓力、溫度一體化監測裝置。利用分程式的封裝結構增大了壓力測量范圍，實現溫度和壓力雙靈敏度一體化監測，但是該傳感器在壓力測量中引入了另外的溫度傳感器作為溫度參考，無法做到實時的溫度補償。蔡安等[2]提出了通過引入一根自由狀態的光纖光柵來實現溫度補償，但由于兩根光纖光柵處于不同的狀態，同樣無法實現實時補償溫度的變化。何少靈等[3]提出了一種溫度實時補償的高精度光纖光柵壓力傳感器，可以實現溫度的實時補償，該光纖光柵壓力傳感器可以應用在溫度快速變化的環境中，但是該傳感器只能實現壓力的測量，不能在海洋監測中同時完成溫度和壓力的

測量。

本文提出了一種新型的光纖光柵海洋監測傳感器，可以實現溫度和壓力的同時測量，且排除溫度對壓力測量的影響。

1 原理

基于光纖光柵的海洋溫深傳感器結構示意圖如圖1所示。溫度和壓力測量光纖同時與海水接觸，溫度會使光纖的反射波長發生改變，通過檢測波長變化量就可以計算出溫度的改變量，溫度測量光纖完成溫度測量和壓力測量過程中的溫度補償；壓力測量基于彈性膜片結構，壓力測量光纖直接與彈性膜片連接，膜片的中心位置在海水壓力的作用下發生改變，引起壓力測量光纖的長度變化，造成其反射波長的改變，通過檢測波長變化量就可以計算出壓力的改變量。

2 實驗與討論

本文選擇兩根同型號光纖光柵分別作為溫度測量和壓力測量光纖，初始反射波長為1 560nm。光纖光柵的柵區長度為10mm，反射率大于80%，邊模抑制比大于15dB。實驗過程中使用的解調儀型號為MOI130，其波長的檢測精度為1pm。

2.1 溫度系數確定

首先確定所選兩根光纖光柵的溫度系數，利用高精度恒溫水槽進行溫度調整，水槽的溫度從0℃調到40℃，調整步長為1℃，記錄每個溫度下光纖光柵的反射波長，把波長與溫度進行擬合，可得光纖光柵的溫度一次擬合關系式為 ，擬合曲線如圖2所示。

從記錄數據可以得出，光纖光柵的溫度擬合曲線的誤差范圍小于0.07%，光纖光柵用于對溫度的測量具有很高的線性度。

從圖中可以看出溫度系數偏小，可以采取在溫度測量光纖外加裝熱膨脹系數大的導熱套，以達到提高 值，提高溫度測量靈敏度的目的[4]。

2.2 壓力系數確定

利用把傳感器放置于壓力罐內以確定其壓力系數，壓力罐內的壓力從0MPa逐漸加壓至100MPa，加壓步長為2MPa，記錄每個壓強下光纖光柵的反射波長，通過計算排除溫度對壓力測量的影響，之后把壓力測量光纖的波長與壓強進行擬合，可得光纖光柵的壓力一次擬合關系式為 ，如圖3所示。

從記錄數據可以得出，光纖光柵的壓力擬合曲線的誤差范圍小于0.01%，光纖光柵用于對壓力的測量具有很高的線性度。

3 結論

光纖材料屬于非金屬，性質穩定，不會受到電磁干擾的影響，損耗小，測量精度高，同時體積小，安裝靈活，耐腐蝕，可靠性好，很適合海洋的監測。本文提出的基于光纖光柵的海洋溫深傳感器，能高精度穩定地實現溫度和壓力的同時測量，且壓力測量不受溫度變化的影響，值得研究融入海洋監測系統。

參考文獻

[1]潘洪亮，董惠娟，張廣玉，等.分程式雙靈敏度光纖光柵壓力溫度監測裝置的研制[J].中國激光，2013，40（2）：158-163.

[2]蔡安，印新達，常曉東，等.具有溫度補償的膜片型光纖光柵溫度壓力傳感器[J].傳感器與微系統，2013，32（4）：98-100.

[3]何少靈，郝鳳歡，劉鵬飛，等.溫度實時補償的高精度光纖光柵壓力傳感器[J].中國激光，2015，42（6）：166-170.

[4]徐元哲，馬淑婧，張穎，等.新型封裝的光纖光柵溫度傳感器的研究[J].東北電力大學學報，2012，32（4）：83-86.

作者簡介：吳路光，海南熱帶海洋學院。

徐元哲，海南熱帶海洋學院。

龍順宇，海南熱帶海洋學院。

謝鑫剛，海南熱帶海洋學院。