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(jiān)測(cè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的同時(shí)測(cè)量，且排除溫度對(duì)壓力測(cè)量的影響。傳感器采用的彈性膜片結(jié)構(gòu)，壓力測(cè)量光纖直接與膜片連接，膜片在壓力作用下產(chǎn)生軸向位移，進(jìn)而拉動(dòng)壓力測(cè)量光纖以實(shí)現(xiàn)壓力傳感；溫度測(cè)量光纖單獨(dú)固定，采用的進(jìn)水腔結(jié)構(gòu)，在保證光纖免受海水沖擊的情況下直接與海水接觸，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)溫，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞 光纖光柵；海洋監(jiān)測(cè)；溫深傳感器

中圖分類號(hào) P7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）188-0062-02

隨著國(guó)家“一帶一路”和海洋戰(zhàn)略政策的實(shí)施，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)越來(lái)越重要，監(jiān)測(cè)傳感器中最基礎(chǔ)的是溫鹽深（CTD）傳感器，其中深度參數(shù)通過(guò)測(cè)量水壓得到。光纖光柵對(duì)溫度和壓力都敏感，因此可以采用光纖光柵同時(shí)完成溫度和壓力的測(cè)量。溫度可以單獨(dú)測(cè)量，而壓力的測(cè)量會(huì)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(jiān)測(cè)裝置。利用分程式的封裝結(jié)構(gòu)增大了壓力測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)溫度和壓力雙靈敏度一體化監(jiān)測(cè)，但是該傳感器在壓力測(cè)量中引入了另外的溫度傳感器作為溫度參考，無(wú)法做到實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償。蔡安等[2]提出了通過(guò)引入一根自由狀態(tài)的光纖光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，但由于兩根光纖光柵處于不同的狀態(tài)，同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償溫度的變化。何少靈等[3]提出了一種溫度實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)母呔裙饫w光柵壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，該光纖光柵壓力傳感器可以應(yīng)用在溫度快速變化的環(huán)境中，但是該傳感器只能實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量，不能在海洋監(jiān)測(cè)中同時(shí)完成溫度和壓力的

測(cè)量。

本文提出了一種新型的光纖光柵海洋監(jiān)測(cè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的同時(shí)測(cè)量，且排除溫度對(duì)壓力測(cè)量的影響。

1 原理

基于光纖光柵的海洋溫深傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。溫度和壓力測(cè)量光纖同時(shí)與海水接觸，溫度會(huì)使光纖的反射波長(zhǎng)發(fā)生改變，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)變化量就可以計(jì)算出溫度的改變量，溫度測(cè)量光纖完成溫度測(cè)量和壓力測(cè)量過(guò)程中的溫度補(bǔ)償；壓力測(cè)量基于彈性膜片結(jié)構(gòu)，壓力測(cè)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(fā)生改變，引起壓力測(cè)量光纖的長(zhǎng)度變化，造成其反射波長(zhǎng)的改變，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)變化量就可以計(jì)算出壓力的改變量。

2 實(shí)驗(yàn)與討論

本文選擇兩根同型號(hào)光纖光柵分別作為溫度測(cè)量和壓力測(cè)量光纖，初始反射波長(zhǎng)為1 560nm。光纖光柵的柵區(qū)長(zhǎng)度為10mm，反射率大于80%，邊模抑制比大于15dB。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的解調(diào)儀型號(hào)為MOI130，其波長(zhǎng)的檢測(cè)精度為1pm。

2.1 溫度系數(shù)確定

首先確定所選兩根光纖光柵的溫度系數(shù)，利用高精度恒溫水槽進(jìn)行溫度調(diào)整，水槽的溫度從0℃調(diào)到40℃，調(diào)整步長(zhǎng)為1℃，記錄每個(gè)溫度下光纖光柵的反射波長(zhǎng)，把波長(zhǎng)與溫度進(jìn)行擬合，可得光纖光柵的溫度一次擬合關(guān)系式為 ，擬合曲線如圖2所示。

從記錄數(shù)據(jù)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(duì)溫度的測(cè)量具有很高的線性度。

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

2.2 壓力系數(shù)確定

利用把傳感器放置于壓力罐內(nèi)以確定其壓力系數(shù)，壓力罐內(nèi)的壓力從0MPa逐漸加壓至100MPa，加壓步長(zhǎng)為2MPa，記錄每個(gè)壓強(qiáng)下光纖光柵的反射波長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算排除溫度對(duì)壓力測(cè)量的影響，之后把壓力測(cè)量光纖的波長(zhǎng)與壓強(qiáng)進(jìn)行擬合，可得光纖光柵的壓力一次擬合關(guān)系式為 ，如圖3所示。

從記錄數(shù)據(jù)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(duì)壓力的測(cè)量具有很高的線性度。

3 結(jié)論

光纖材料屬于非金屬，性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)受到電磁干擾的影響，損耗小，測(cè)量精度高，同時(shí)體積小，安裝靈活，耐腐蝕，可靠性好，很適合海洋的監(jiān)測(cè)。本文提出的基于光纖光柵的海洋溫深傳感器，能高精度穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的同時(shí)測(cè)量，且壓力測(cè)量不受溫度變化的影響，值得研究融入海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[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(jiān)測(cè)裝置的研制[J].中國(guó)激光，2013，40（2）：158-163.

[2]蔡安，印新達(dá)，常曉東，等.具有溫度補(bǔ)償?shù)哪て凸饫w光柵溫度壓力傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（4）：98-100.

[3]何少靈，郝鳳歡，劉鵬飛，等.溫度實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)母呔裙饫w光柵壓力傳感器[J].中國(guó)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(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（4）：83-86.

作者簡(jiǎn)介：吳路光，海南熱帶海洋學(xué)院。

徐元哲，海南熱帶海洋學(xué)院。

龍順宇，海南熱帶海洋學(xué)院。

謝鑫剛，海南熱帶海洋學(xué)院。