基于光纤光栅海洋温深传感器的研究

1、 基于光纤光栅海洋温深传感器的研究 吴路光+徐元哲+龙顺宇+谢鑫刚摘 要 本文提出了一种新型的光纤光栅海洋监测传感器，可以实现温度和压力的同时测量，且排除温度对压力测量的影响。传感器采用的弹性膜片结构，压力测量光纤直接与膜片连接，膜片在压力作用下产生轴向位移，进而拉动压力测量光纤以实现压力传感；温度测量光纤单独固定，采用的进水腔结构，在保证光纤免受海水冲击的情况下直接与海水接触，实现快速测温，同时实现温度补偿。Key 光纤光栅；海洋监測；温深传感器P7 A 1674-6708（2017）188-0062-02随着国家“一带一路”和海洋战略政策的实施，海洋环境监测越来越重要，监测传感器中最基础的

2、是温盐深（CTD）传感器，其中深度参数通过测量水压得到。光纤光栅对温度和压力都敏感，因此可以采用光纤光栅同时完成温度和压力的测量。温度可以单独测量，而压力的测量会受到温度的影响，因此要消除温度的影响。潘洪亮等1提出了一种分程式双灵敏度的光纤光栅压力、温度一体化监测装置。利用分程式的封装结构增大了压力测量范围，实现温度和压力双灵敏度一体化监测，但是该传感器在压力测量中引入了另外的温度传感器作为温度参考，无法做到实时的温度补偿。蔡安等2提出了通过引入一根自由状态的光纤光栅来实现温度补偿，但由于两根光纤光栅处于不同的状态，同样无法实现实时补偿温度的变化。何少灵等3提出了一种温度实时补偿的高精度光纤光

3、栅压力传感器，可以实现温度的实时补偿，该光纤光栅压力传感器可以应用在温度快速变化的环境中，但是该传感器只能实现压力的测量，不能在海洋监测中同时完成温度和压力的测量。本文提出了一种新型的光纤光栅海洋监测传感器，可以实现温度和压力的同时测量，且排除温度对压力测量的影响。1 原理基于光纤光栅的海洋温深传感器结构示意图如图1所示。温度和压力测量光纤同时与海水接触，温度会使光纤的反射波长发生改变，通过检测波长变化量就可以计算出温度的改变量，温度测量光纤完成温度测量和压力测量过程中的温度补偿；压力测量基于弹性膜片结构，压力测量光纤直接与弹性膜片连接，膜片的中心位置在海水压力的作用下发生改变，引起压力测量光

4、纤的长度变化，造成其反射波长的改变，通过检测波长变化量就可以计算出压力的改变量。2 实验与讨论本文选择两根同型号光纤光栅分别作为温度测量和压力测量光纤，初始反射波长为1 560nm。光纤光栅的栅区长度为10mm，反射率大于80%，边模抑制比大于15dB。实验过程中使用的解调仪型号为MOI130，其波长的检测精度为1pm。2.1 温度系数确定首先确定所选两根光纤光栅的温度系数，利用高精度恒温水槽进行温度调整，水槽的温度从0调到40，调整步长为1，记录每个温度下光纤光栅的反射波长，把波长与温度进行拟合，可得光纤光栅的温度一次拟合关系式为 ，拟合曲线如图2所示。从记录数据可以得出，光纤光栅的温度拟合

5、曲线的误差范围小于0.07%，光纤光栅用于对温度的测量具有很高的线性度。从图中可以看出温度系数偏小，可以采取在温度测量光纤外加装热膨胀系数大的导热套，以达到提高 值，提高温度测量灵敏度的目的4。2.2 压力系数确定利用把传感器放置于压力罐内以确定其压力系数，压力罐内的压力从0MPa逐渐加压至100MPa，加压步长为2MPa，记录每个压强下光纤光栅的反射波长，通过计算排除温度对压力测量的影响，之后把压力测量光纤的波长与压强进行拟合，可得光纤光栅的压力一次拟合关系式为 ，如图3所示。从记录数据可以得出，光纤光栅的压力拟合曲线的误差范围小于0.01%，光纤光栅用于对压力的测量具有很高的线性度。3 结

6、论光纤材料属于非金属，性质稳定，不会受到电磁干扰的影响，损耗小，测量精度高，同时体积小，安装灵活，耐腐蚀，可靠性好，很适合海洋的监测。本文提出的基于光纤光栅的海洋温深传感器，能高精度稳定地实现温度和压力的同时测量，且压力测量不受温度变化的影响，值得研究融入海洋监测系统。Reference1潘洪亮，董惠娟，张广玉，等.分程式双灵敏度光纤光栅压力温度监测装置的研制J.中国激光，2013，40（2）：158-163.2蔡安，印新达，常晓东，等.具有温度补偿的膜片型光纤光栅温度压力传感器J.传感器与微系统，2013，32（4）：98-100.3何少灵，郝凤欢，刘鹏飞，等.温度实时补偿的高精度光纤光栅压力