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。

关键词 光纤光栅；海洋监測；温深传感器

中图分类号 P7 文献标识码 A 文章编号 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。

参考文献

[1]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传感器[J].中国激光，2015，42（6）：166-170.

[4]徐元哲，马淑婧，张颖，等.新型封装的光纤光栅温度传感器的研究[J].东北电力大学学报，2012，32（4）：83-86.

作者简介：吴路光，海南热带海洋学院。

徐元哲，海南热带海洋学院。

龙顺宇，海南热带海洋学院。

谢鑫刚，海南热带海洋学院。