陈阳;陈嫒晨;沈翔;戴彬;李进延;杨旅云;戴能利
【摘 要】调研了近几年光纤传感器在海洋探测方面的研究进展,主要包括测量海水温度、压力、盐度、叶绿素、pH值和溶解氧的相关光纤传感器以及光纤水听器.简要介绍了光纤传感器的基本原理、结构及性能,同时跟踪了国内外相关的最新研究进展,并与传统的测量方法进行了比较,分析得出光纤传感器是对现有传统海洋探测器的重要补充,并在一些探测领域具有独特的优势.文章最后,探讨了光纤传感技术的未来发展趋势,认为在海洋温度、压力、叶绿素、水听器等领域可能会率先突破技术瓶颈并实现商用,同时提出了未来海洋光纤探测技术新的研究方向. 【期刊名称】《海洋技术》
qq空间电影2020台湾大选结果【年(卷),期】2017(036)005
【总页数】10页(P1-10)
【关键词】光纤;光纤传感器;海洋探测;海洋监测;研究进展
【作 者】陈阳;陈嫒晨;沈翔;戴彬;李进延;杨旅云;戴能利
【作者单位】华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室,湖北武汉430074
【正文语种】中 文
【中图分类】TP212
转铁蛋白
海洋蕴藏着丰富的资源，影响着全球气候变化，海洋科学在海洋环境保护、能源开发、灾害预防、权益维护等多方面有着举足轻重的作用，同时也能为国家制定海洋政策提供科学依据。
海洋科学的发展，无疑需要有合适的探测手段。长期以来海洋探测的主角是各种电学传感器，它们具有技术成熟、用途广泛等优势。如今发达国家，特别是海洋强国都争相发展自
己的海洋探测技术，美国、英国、西班牙、德国、日本等国都形成了各具特的海洋探测设备体系[1]，并在电学传感领域实现了商用化[2]。电学传感器发展至今，虽然技术成熟度很高，但仍有一些问题尚需解决：在海洋的恶劣环境下，电学传感器对耐压、防水、抗腐蚀性能要求很高，因为一旦出现海水泄露，将可能直接导致仪器失灵；水下环境信号传输困难，易受到噪声干扰，对远距离信号传输产生影响[3]；电学传感器的制作与维护成本高，寿命较短，组建水下传感网络存在一定的困难。
随着光纤技术的成熟和进步，光纤传感技术也得到迅速发展[4]。1977年美国海军实验室最先开展光纤传感器系统相关研究，随后，英国、德国以及日本等国家先后开展光纤传感研究，我国对光纤传感器的研究从20世纪80年代初展开。光纤传感器件具有工艺简单可靠、信号衰减小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、成本低廉、便于集成、测量仪器水下无需电源等优良特性，因此是对现有传统电学海洋传感器件的重要补充，也是海洋传感领域的研究热点。美国、日本以及西欧国家都在进行这方面的探索，国内中国海洋大学、浙江大学、华北电力大学等多所学校以及中科院海洋研究所等研究单位等也都展开了面向海洋探测的光纤传感器研究。海水的温度、盐度与深度是研究海洋环境变化的最为基本的物理量，深刻影响着气候变化与人类探测活动，是海洋探测中最重要的物理参量。叶绿素含量反映了
海水中浮游植物的落结构和能量分布状态，常应用于监测海水细微结构与海洋污染情况。溶解氧与pH值则直接影响海洋生物的生存环境，pH值对研究海洋酸化具有重要意义。此外，光纤水听器具有很高的声压灵敏度，是近年来的一个研究热点。据此，本文调研了近几年光纤传感器在海水温度、盐度、深度、叶绿素、溶解氧、pH值以及水听器方面的研究进展。
后牙光是一种电磁波，由于相对于电场分量而言，光波场对物质的磁作用很弱，因此可以只考虑电矢量的作用。在圆柱坐标系下，自由空间单平面波可由（1）式表示：
式中：k→为真空中的波矢量；E→(r→)为电场分布的振幅矢量；ω是光场振动频率；r→为空间位置。利用光波特征参量（振幅、相位、波长、频率、偏振态等）在外界环境（温度、压力、电磁场、转动、拉力……）作用下发生改变的现象制作传感器，这就是光纤传感器件的基本原理[5]。光纤传感器从功能上分，可以分为传感型与传光型[4]。光纤作为感知外界环境变化的器件，并通过光纤传输传感信号的光纤传感器，称为传感型。若光纤仅作为数据传输通道而不作为敏感元件，这样的传感器称为传光型光纤传感器。传感型光纤传感器具有传感合一的特点，而光型光纤传感器则能够充分利用现有成熟传感技术。传感
型与传光型按调制原理都可以分为振幅调制型、相位调制型、偏振态调制型、波长调制型。本文介绍的都是传感型光纤传感器。
传统的海洋温度传感器一般基于热敏电阻或热电偶，已经具备比较成熟的技术，产品性能较好。但是热敏电阻与热电偶都存在一些问题，比如热敏电阻性能波动较大，而热电偶的电压与温度是非线性关系，不适用于高精度温度测量[6]。光纤对温度具有天然敏感性，光纤温度传感器具有结构简单、灵敏度高、耐腐蚀等优点，采用光纤光栅温度传感器与复用技术能够方便地获取海洋温度剖面信息。但是，目前还没有实用化的面向海洋应用的光纤温度传感器。
朱古亭光纤布拉格光栅(FBG)能够直接响应外界的温度变化，根据Bragg方程：
式中：λB为布拉格波长；neff为有效折射率；Λ为光栅周期。可见，光纤光栅中心波长受有效折射率与光栅周期共同决定，因此可以在同一条光纤上刻蚀多个不同反射波长的光纤光栅，实现分布式温度测量，方便地获取海洋温度剖面信息。2011年华北电力大学李星蓉[7]等试验了在光纤链路上串接40个FBG光纤光栅，光栅间距5 m，一次获得了200 m深海水温度剖面。由于该系统缺少深度定位，因此与实际深度的温度信息有差距。应用FBG对温
度的直接响应特性，2015年，张登攀等[8]提出一种紫铜双端封装光纤光栅海洋温度传感器，通过填充特殊的可固化的高导热物质，温度测量灵敏度达27.6 pm/℃，最快响应时间达48.6 ms，基本达到了商用电学传感器的响应时间水平。
2014年，中国海洋大学Hongjuan Yang等[9]提出基于微光纤结谐振器（MKR）的温度传感器，从理论与实验上研究了传感器灵敏度与光纤直径及探测光波长的关系，并实现了22.81 pm/℃的温度灵敏度。2015年，美国内布拉斯加林肯大学Guigen Liu等[10]在单模光纤的顶端粘接了一个直径80 μm、长度100 μm的石英柱，石英柱的外端面与粘接处端面构成反射镜，结构与原理如图1所示。传感器的灵敏度达到了84.6 pm/℃，响应时间0.51 ms。同时采用新的平均波长追踪法，温度分辨率达到6×10-4，取样频率约2 kHz。同年，Xin Wang等[11]提出一种基于高双折射椭圆光纤Sagnac环的温度传感器。在探测波长1 310 nm、光纤长度达98.9 cm、温度10～30℃范围内，实现温度测量灵敏度-472 pm/℃。
FBG能够直接应用于温度传感，通过分布式测量获取温度剖面，响应时间短，剖面测量速度快，是面向海洋温度测量的重要选择。基于干涉仪相位调制非本征型FPI的光纤温度传感器,具有高灵敏度与采样频率。总体来看，海洋光纤温度传感器适应未来海洋测量方法的发
展方向，对交叉敏感以及传感器封装材料、结构与工艺[12]等问题的解决，将使光纤传感器更加具备技术优势。
当前，主流的海洋盐度测量方法是电导率法，利用在一定的温度、压力条件下，溶液的浓度、成分与电导率之间的对应关系，通过测量溶液的导电性能获得溶液的盐度信息。由于电极长期处于海水环境，易受腐蚀，容易受到电磁干扰，且更易受冲击受损。通过折射率法测量盐度是另一种方法，2008年，清华大学赵勇等[13]利用光学棱镜制作海水射率传感器，具有非常高的灵敏度，系统分辨率达到0.012‰，但是结构复杂、强度较差、测量条件要求很高。应用微波遥感技术可以快速、定量、大面积获取海洋表面盐度信息，但无法获得水下盐度信息。光纤传感器耐腐蚀能力强，几乎不受电磁干扰的影响，容易实现紧凑的传感结构，对环境的适应能力更强，高灵敏度也决定了光纤传感器具备很好的发展前景。
光纤盐度传感器，按测量方式主要有直接测量法与间接测量法两种。
直接测量法。在恒定的温度与压力下，一定盐度的海水引起特定的折射率改变，因此，测得海水折射率就可以反推出海水盐度。2012年，S Robinson和R Nakkeeran[14]提出了一种基于光子晶体环形谐振器（PCRR）的强度调制型光纤盐度传感器，透过光功率受到海
水引起的有效折射率调制，20°C条件下，传感器的最小可检测（灵敏度）和动态范围分别为1%（1 g/L）和40%，同时对温度有较好的不敏感性。2016年，中国海洋大学Shanshan Wang等[15]提出了一种基于超细纤维定向耦合器的海水高灵敏度盐度和温度传感器。通过火焰加热拉锥技术将标准单模光纤拉成直径为3.79 μm和2.20 μm细纤维，并组合成定向耦合器，实现盐度灵敏度930 pm/‰和温度灵敏度-160 μm/℃。进一步缩小纤维直径，可将温度敏感度提高至-1 130 μm/℃。同时，在传感器耦合区涂覆乙基纤维素溶剂作为保护，提高了传感器在海洋环境下的可靠性与稳定性。
间接测量方法。光纤外层涂覆材料吸收一定盐度的海水后物理性质会发生改变并作用到光纤，从而引起传输光场变化。2011年，Chuang Wu等[16]利用光纤涂覆膨胀导致光纤径向压力变化进行盐度传感。结构如图2所示，Chuang Wu等在偏振保持光纤（PM-PCF）上涂覆聚酰亚胺，并将其制作成Sagnac干涉仪（图中插图所示Sagnac环直径为1.8 cm），并将裸露的FBG整合到Sagnac干涉仪中补偿温度影响，实现了0.742 nm/(mol/L)的灵敏度。这种光纤传感器存在的问题在于需要去除涂覆后再涂覆聚酰亚胺涂料，并且需要刻蚀FBG，增加了工艺复杂度，因此需要进一步优化制作工艺，降低制作成本。2015年Xing L等[17]研究了表面等离子体盐度传感器，实验结果显示，谐振波长分辨率为0.15 nm，折射
率监测偏差0.002，具有较好的稳定性。
应用直接测量法的光纤盐度传感器存在的问题主要是需要将光纤直接裸露在海水环境中。为了增加光纤器件对海水折射率的敏感性，在光纤上采用一些锥形结构[18]，增大了海水与泄露到光纤外的模式相互作用，但同时裸光纤长期暴露在海水环境下，受到水分子渗入及微生物附着影响，传感器性能会降低。间接测量法通过敏感材料间接测量海水盐度，传感器的性能和响应时间受涂覆材料性质影响较大，而且涂覆材料往往是自行制备，限制了技术推广。综上所述，很有必要发展出新的传感原理，以适应光纤盐度传感面临的海洋物理和化学环境问题，提高盐度传感的精度、稳定性和耐用性。
郑州龙湖蓄水
压力传感器的测量性能直接决定了海洋深度定位的精度[19]。传统的电学压力传感器发展最为成熟的是压阻式传感器，这种传感器利用外力引起单晶硅材料电阻率改变的现象测量压力。但是存在着易受自身电流热效应影响，线性度不佳的缺点。光纤器件能够对压力变化直接响应，与光纤温度传感器有相通之处，具有体积小、灵敏度高、稳定性好、量程大等特点。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议