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《海水盐度和温度实时检测的新型光纤传感器研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第22卷 第10期光 学 学 报Vol.22,No.102002年10月ACTAOPTICASINICAOctober,2002文章编号:025322239(2002)1021241204海水盐度和温度实时检测的新型光纤传感器研究赵 勇 廖延彪(清华大学电子工程系,北京100084)摘要:提出了一种新颖的用于海水温度和盐度同时实时探测的光纤传感器系统。分别利用半导体材料吸收光谱的临界极限值随温度变化发生移动而导致出射光强改变的特性和待测液体盐度变化引起传输光折射角改变导致接收端光线偏移的性质,通过反射式的结构设计和线阵排列的接收
2、光纤将信号传输至海面以上,并由CCD实现对光强峰值信号及其偏移量的采集。传感器由一直角棱镜、本征GaAs单晶体薄片、装有参考液和待测液的水槽、接收光纤阵列等部分组成。理论分析和仿真结果验证了传感器设计的可行性。关键词:盐度测量;温度测量;光纤传感器;光吸收;光折射;砷化镓晶体中图分类号:TP212.1 文献标识码:A1 引 言对光的折射和吸收是物质的两个内在的特性。人们对物质折射率的测量曾提出过多种方法,并应海水温度和盐度的检测对研究海洋学、海洋环[4]用于实践当中;利用半导体材料对光的吸收效应境监测、季节气候预测以及海洋
3、渔业等有十分重要[5,6]实现压力和温度的测量也有报道。然而,满意的实用意义,温度也是海洋石油勘探业中的一个重的测量结果只限于在环境条件良好的实验室里才能要的基本参数。以往国内外海下温度的测量,尤其得到,而工程实际中需要传感器能够在现场环境下是在海洋石油测井中多采用铂电阻温度传感器,国工作,有时候环境条件相当恶劣,这就要对传感器进内的测井公司大都采用国外进口的Pt500型铂电阻行重新的设计。本文基于折射率差测量原理和半导温度传感器,其价格昂贵,由于其特殊的标度方法体光吸收原理提出了一种新颖的反射式光纤传感(对应0℃时的电阻为50
4、0Ω)又很难用国内的铂电器,实现了对海下温度和盐度的同时探测。根据前阻Pt100(对应0℃时的电阻为100Ω)取代。因此[7～9]人的研究结果,海水折射率与盐度之间主要关迫切需要研究出一种具有低成本、适应性强、工作可系可总结为:1)在温度不变的情况下,折射率随盐靠、体积小的海下温度传感器。在海港进出口贸易度的变化率是,盐度每变化1‰,折射率变化中,水尺计重的重要依据就是海水盐度和密度的准-42×10;2)在盐度不变的情况下,折射率随温度确测量。以往是用专门的采样装置在船尾部和中部升高而降低,在2℃～3℃范围内,温度每变化的各个深
5、度采集有代表性的水样,再进行测量。不-51℃,折射率变化5×10;而在20℃左右,温度每仅过程繁琐、费时费力,而且取样液体常常并非按计-4变化1℃,折射率变化1×10。可见温度对海水量规程所要求的吃水深度一半处的液体,而参有一折射率的测量是有很大影响的,所以应该采用测量定量的上层液体而造成误差。近年来,光纤传感技待测液与参考液折射率差的办法解决这一问题。原术在传感器市场中占有越来越大、越来越重要的地因是折射率差的测量受温度的影响很小,温度每变位,因为工业界人士已经开始认识到它与其它常规-7化1℃,折射率差变化4×10,这样的变化
6、率给盐传感器相比所能体现出的大量而突出的优点。例度测量带来的影响仅相当于0.002‰。如,传感元件无需电子单元、防燃防爆防腐蚀、灵敏度高、柔性易弯曲、防电磁干扰、可在高温高压下工2 测量原理作、传感器结构简单小巧、易实现远距离信号传输并[1～3]且信号损耗小等。盐度的测量原理是基于检测与盐度几乎成正比的折射角的变化来实现的,并用CCD摄像器件感受由于折射角变化引起接收光线的偏移量。传统的折E2mail:zhaoy@ee.tsinghua.edu.cn 收稿日期:2001210208;收到修改稿日期:2001211227射率测量
7、方法是用一个显微镜直接目测折射临界角©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 光 学 学 报 124222卷 度的大小,显然这种方法不适合长时间连续的远距 图2给出了传感探头的结构和光线传播路径及离测量。图1给出了本文提出的整体的测量原理框折射情况。传感探头主要可分为两部分,一部分是图。发光二极管发出的
8、光束通过具有低损耗、低噪装有参考液和待测液的水槽,作为参考液体的蒸馏声和较高耐腐蚀性的光纤光缆发送到测量单元。水装在密封的楔形槽中,待测的海水通过过滤网和吸附膜的过滤后进入外围的水槽中;另一部分被称为感温反射单元,其中GaAs晶体薄片(0.1mm～0.2mm)用
