[發(fā)明專利]一種準分布式的海水溫鹽傳感器、測量裝置及其方法

有效

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• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN106932026B
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閆志君;孫琪真;汪靜逸;艾凡;劉德明
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G01D5/353
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春;李智

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及海水鹽度與溫度檢測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種準分布式海水溫鹽傳感器、測量裝置及其方法。

背景技術(shù)

海水鹽度是海水含鹽量的一個標度，它與溫度都是海水的重要特征。海洋中許多物理化學(xué)現(xiàn)象，都與海洋鹽度及溫度的分布和變化規(guī)律有關(guān)。近年來，關(guān)于海水環(huán)境的檢測技術(shù)得到了廣泛重視，該技術(shù)在海上國防軍事、海洋科學(xué)、石油開采、漁業(yè)生產(chǎn)、海洋環(huán)境保護等領(lǐng)域都具有重大意義。

大洋水中，鹽度的變化主要與海水的蒸發(fā)、降雨、洋流、海水混合等因素有關(guān)，不同海域表面水鹽度差別很大，平均含鹽量34.7‰；大洋垂直方向上分為表層水，次表層水，中層水(1000～2000m)和深層水(2000m～4000m)，次表層水為高鹽區(qū)，深層水鹽度分布最均勻，鹽度值比表層水低、比中層水高。世界海洋的水溫變化一般在-2℃～30℃之間，恒溫層以下，海水溫度隨深度增加而降低。

傳統(tǒng)海水鹽度檢測使用電子式電導(dǎo)率傳感器，成本低，操作便捷，但鹽度與電導(dǎo)率的對應(yīng)關(guān)系復(fù)雜，受水體組分、深度、溫度等多重因素影響，特別地，不適用于低溫深水環(huán)境；溫度檢測方面，基于熱敏電阻的海水溫度傳感器須進行絕緣封裝，減輕海水腐蝕，防止系統(tǒng)短路。綜上，電子式的溫鹽檢測設(shè)備無法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，檢測范圍大，準確度高的溫鹽檢測。

光纖傳感技術(shù)經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，除應(yīng)用在遠距離高速率通信領(lǐng)域外，由于光纖具備感知外部各種物理參數(shù)的能力，一系列光纖傳感器件被研發(fā)與應(yīng)用。其中光纖光柵以其穩(wěn)定的性能和成熟的刻寫工藝成為工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的光纖傳感器之一，主要有布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)和長周期光纖光柵(Long Period Grating，LPG)。布拉格光纖光柵對溫度與應(yīng)力敏感，反射光信號隨溫度、應(yīng)力變化產(chǎn)生波長方向的線性漂移；長周期光纖光柵能將部分纖芯導(dǎo)模耦合至包層中，在特定波長處引入光強損耗，對環(huán)境折射率及溫度等參數(shù)敏感。光纖鹽度傳感器主要通過檢測折射率的變化來間接檢測鹽度變化，有資料表明，鹽度和溫度均對折射率產(chǎn)生影響，折射率隨鹽度增大而增大，溫度不變時，鹽度每變化1‰，折射率改變2×10^-4；折射率隨溫度升高而降低，20℃左右時，溫度每變化1℃，折射率變化1×10^-4。因此，需研發(fā)鹽度、溫度雙參量測量的光纖傳感器以適應(yīng)海洋溫鹽檢測。

現(xiàn)有海水溫鹽檢測技術(shù)中，通過檢測不同鹽度的折射率變化引起CCD光敏面上光斑位置變化實現(xiàn)鹽度測量，同時檢測由半導(dǎo)體材料受溫度調(diào)制引起的光強變化實現(xiàn)溫度測量與補償。該檢測技術(shù)靈敏度高，檢測范圍大：溫度檢測范圍0～50℃，鹽度檢測范圍0～48‰，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件成本高，且基于直角棱鏡和CCD器件的檢測裝置難以實現(xiàn)準分布式傳感。

現(xiàn)有海水溫鹽檢測技術(shù)中，由緊密刻有布拉格光纖光柵和長周期光纖光柵的光纖探頭，同步實現(xiàn)溫度和鹽度測量，結(jié)構(gòu)簡單，體積小。但該方案通過觀測光信號的波長漂移來實現(xiàn)參量檢測，需要使用光譜分析儀，價格昂貴；使用金屬反射膜的光纖探頭無法實現(xiàn)單根光纖上檢測單元的級聯(lián)，僅有一個檢測點，在長距離傳感中只能人為改變探頭位置，逐次測量海水各位置鹽度信息，操作耗時長，定位準確度不高，無法實現(xiàn)真正意義上的準分布式傳感。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)裝置的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種準分布式的海水溫鹽傳感器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)不能夠?qū)崿F(xiàn)同時測量多個點的海水溫度和鹽度的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種準分布式的海水溫鹽傳感器，海水溫鹽傳感器為一根光纖，光纖上設(shè)有多個傳感區(qū)域和多個非傳感區(qū)域，且傳感區(qū)域與非傳感區(qū)域相間布置；

每個傳感區(qū)域上刻寫有長周期光纖光柵與布拉格光纖光柵的弱光柵組合；長周期光纖光柵與布拉格光纖光柵沿單波長激光信號傳輸方向布置，長周期光纖光柵所在光纖區(qū)域無涂覆層，每個長周期光纖光柵的中心均相同，每個長周期光纖光柵的峰值損耗不超過-2.2dB；每個布拉格光纖光柵的中心反射波長均相同，每個布拉格光纖光柵的峰值反射率不超過1％；

長周期光纖光柵用于使單波長激光信號功率產(chǎn)生損耗，進而使背向散射光信號上出現(xiàn)損耗臺階；布拉格光纖光柵用于使單波長激光信號部分反射，進而使背向散射光信號上出現(xiàn)反射峰；