一种基于微光纤传感的投弃式海水温盐深剖面测量探头

1.本发明涉及海洋环境监测的领域，具体涉及一种基于微光纤传感的投弃式海水温盐深剖面测量探头。


背景技术：

2.海水温度、盐度是海洋最基本的物理参数，海水温度、盐度随深度的变化被称为海水温盐深剖面，温盐深剖面可以为海洋科学研究人员提供基本的数据资料，绝大多数的海洋调查都离不开温盐深数据的支撑。除海洋调查外，温盐深剖面数据对于海洋经济开发、军事力量建设、海洋环境保护等也具有广泛的应用价值。
3.投弃式海水温盐深剖面测量仪（xctd）是一种快速的、中精度的海水温度、电导率剖面测量设备。该方法不需要停船即可快速布放获取测量海域的温盐深剖面。
4.传统的xctd一般采用电学传感器实现海水温度、电导率测量，并将获取的电学信号通过金属漆包线传回船上信号采集单元。由于它一般不搭载压力传感器，其深度参数一般通过探头的下沉速度计算获得。如果根据下沉速度估算深度，计算结果与探头结构的一致性、探头入水姿态、深度经验公式的准确度等因素息息相关。一旦其中某一因素发生意外，则深度测量精度无法得到保证。此外， xctd直接测出的都是电导率，并非绝对盐度，需利用盐标公式和电导率、温度、压强值来计算盐度，故压强估算带来的误差也会直接引起盐度计算误差。此外，其采用金属漆包线作为传输媒介，由于金属材料本身引发的电感、滤波等效应，也限制了传输信号的准确性和其长距离传输的应用。
5.微光纤传感器是利用微光纤与外界环境交界面上的倏逝场随外界环境变化进而导致光纤的导波特性，如传播常数等变化引起的光谱谐振峰移动或光强度变化实现传感功能的。与光纤光栅等光纤传感器相比，微光纤传感器具有尺寸更小、成本更低、灵敏度更高、多参量敏感、响应速度更快等优点，特别是微光纤同轴马赫泽德干涉仪与其他类型微光纤传感器相比具有结构简单、易于制备、易于封装等优点。
6.综上所述，传统xctd方法存在深度数据测量不准、有漏水漏电风险、数据不能长距离准确传输等问题，已有的光纤光栅等光纤传感器虽然结构简单但其盐度传感灵敏低且制备门槛较高（需专用仪器制备），因此有必要发展一种成本低廉、多参量敏感且灵敏度较高，可测量大深度海域温盐深剖面的光学方法，并对获取的信号准确解调。


技术实现要素：

7.本发明目的是克服现有技术存在的不足，而提出一种以微光纤传感器作为传感单元的投弃式海水温盐深剖面测量探头，具有制备简单、成本低廉、多参数敏感、灵敏度较高等优点。
8.这种以微光纤传感器作为传感单元的投弃式海水温盐深剖面测量探头，包括：探头尾部，包括有出水孔、尾翼、尾翼环、光纤孔、螺丝孔；探头头部，包括有支撑架、微光纤支撑台、进水孔；
传感单元，包括封装后的微光纤同轴马赫泽德干涉仪、光纤反光镜和泡沫板。
9.作为改进的方案，探头头部部分由金属材料制作，同时也作为探头的配重，探头头部设有六个对称的圆形进水孔，在进水孔上方的头部内设有两个对称的微光纤支撑台，用来放置和固定传感单元。
10.作为改进方案，传感单元由封装后的微光纤同轴马赫泽德干涉仪与光纤反光镜连接，将透射谱反射回甲板单元。
11.作为改进方案，使用了有孔的金属支架与聚合物柔性材料结合的封装结构，在基本不影响响应时间的同时提高了传感单元的牢固性以抵抗浪流等冲击。
12.作为改进方案，我们在光路中加入了环形器，环形器的作用是简化光路系统，使其变为单尾纤输出的反射式单光路。
13.本发明与传统xctd相比，具体优势为： (1) 本发明相对于传统xctd大大降低了成本，且无漏水漏电风险，可长距离传输信号，为未来广泛推广应用提供可能； (2) 传感单元由于微光纤倏逝场效应对盐度直接敏感，可直接获取绝对盐度数据，无需经过电导率间接计算盐度；本发明与基于级联光纤光栅的投弃式探头相比，具体优势为： (1) 微光纤同轴马赫泽德干涉仪的制作成本低廉，无需ar离子激光器或飞秒激光器等昂贵实验装置。
[0014] (2) 盐度灵敏度高，利用单个传感结构可实现对温盐深三个参数同时测量。
附图说明
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图1是探头结构示意图。
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图2是封装后的微光纤同轴马赫泽德干涉仪。
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图3是基于微光纤传感的投弃式海水温盐深剖面测量探头连接系统示意图。
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图4是微光纤同轴马赫泽德干涉仪所形成的干涉谱。
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附图标记说明：探头尾部1、探头头部2、传感单元3、连接部4、环形器5、ase宽带光源6、快速光谱仪7、电脑8、光纤孔1-1、尾翼环1-2、尾翼1-3、出水孔1-4、螺丝孔1-5、支撑架2-1、微光纤支撑台2-2、进水孔2-3、铝合金u型槽3-1-1、微光纤同轴马赫泽德干涉仪3-1-2、标准单模光纤3-1-3、改性丙烯酸酯3-1-4、聚二甲基硅氧烷3-1-5、光纤反光镜3-2、泡沫板3-3。
具体实施方式
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下面将结合附图对本发明做详细介绍：实施例：如图1所示，这种基于微光纤传感器的投弃式温盐深剖面测量探头，包括探头尾部1和探头头部2。探头头部2为金属配重头，且在探头头部有圆形进水孔2-3对称分布在底部，在进水孔2-3的上面有两个对称的微光纤支撑台2-2放置传感单元3，用热熔胶将传感单元固定在微光纤支撑台2-2上。传感单元一端连光纤反光镜3-2，另一端穿过光纤孔与连接部4相连。光纤反光镜3-2以缠绕的方式固定在一小块泡沫板3-3上，在固定的同时不会损伤光纤，且泡沫固定在支撑架2-1上。在泡沫板周围是三个圆形出水孔，探头尾部固装
有三片尾翼1-3。
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传感单元的结构示意图如图2所示，对微光纤同轴马赫泽德干涉仪使用的封装支架选用长45mm，宽为5mm，高为5mm，厚度为1mm的铝合金u型槽3-1-1，为加快响应时间，在u型槽三个面各打四个直径为3mm的孔。先用改性丙烯酸酯3-1-4将光纤两端固定在u型槽内，提高了稳定性；再用聚二甲基硅氧烷（pdms）3-1-5将微光纤同轴马赫泽德干涉仪的一半锥区封装，实现温盐压三参数同时测量。
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在实施过程中，整个系统的示意图如图3，光源6产生的光从环形器5的a口进入，b口输出经过连接部4和探头部1、2，再经过微光纤同轴马赫泽德干涉仪3-1-2后形成干涉谱，然后再经过光纤反光镜3-2反射。反射回的光从b口输出后从c口进入，由快速光谱仪7接收后，在电脑8上显示干涉谱。反射回的干涉谱如图4所示。当外界的温度、盐度或者压强改变时海水折射率会发生改变，折射率的变化会影响干涉谱，产生峰移。通过测量峰移量，可以计算出海水的温度盐度压力参数，最后生成温盐深剖面。


技术特征：
1.一种投弃式微光纤温盐深传感器测量探头，其特征在于：探头尾部，其包括光纤孔（1-1）、尾翼环（1-2）、尾翼（1-3）、出水孔（1-4）、螺丝孔（1-5）；探头头部，其自身作为配重头且包括支撑架（2-1）、微光纤支撑台（2-2）、进水孔（2-3）；传感单元，其包括封装后的铝合金u型槽（3-1-1）、微光纤同轴马赫泽德干涉仪（3-1-2）、标准单模光纤（3-1-3）、改性丙烯酸酯（3-1-4）、聚二甲基硅氧烷（3-1-5）、光纤反光镜（3-2）、泡沫板（3-3）。2.如权利要求1所述的一种投弃式微光纤温盐深传感器测量探头，其特征在于所述的传感单元中使用的是微光纤同轴马赫泽德干涉仪3-1-2，一端连接光纤反光镜（3-2），一端穿过光纤孔（1-1）与传输光纤相连。3.如权利要求1所述的一种投弃式微光纤温盐深传感器测量探头，其特征在于所述的探头部为流线型设计，探头头部设有光纤反光镜的支撑架（2-1）、感结构的放置台（2-2）与对称的进水孔（2-3）。4.如权利要求1所述的一种投弃式微光纤温盐深传感器测量探头，其特征在于所述的微光纤同轴马赫泽德干涉仪（3-1-2）是使用铝合金u型槽（3-1-1）、改性丙烯酸酯（3-1-4）、聚二甲基硅氧烷（3-1-5）进行加固封装。

技术总结
本发明公开了一种基于微光纤传感的投弃式海水温盐深剖面测量探头。探头包括探头头部、探头尾部和传感单元等部分。探头头部使用金属材料加工，设有进水孔与微光纤支撑台；探头尾部设有出水孔，从尾部光纤孔处导出光纤与探头外部系统连接；传感单元使用封装后的微光纤同轴马赫泽德干涉仪，即利用铝合金U型槽、改性丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷对干涉仪指定局部进行封装，并与光纤反光镜连接；本发明简化了传感单元，用单一结构实现温盐深同时测量，提高了传感单元灵敏度，为海水温盐深剖面测量及多参数传感信号解调提供了一种新方法。多参数传感信号解调提供了一种新方法。多参数传感信号解调提供了一种新方法。


技术研发人员：王姗姗 刘继超 王晶 张丽慧 李煜 张君诚 刘正
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2021.03.11
技术公布日：2022/9/29