用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器制造技术

用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器，该传感器的技术方案是：泵浦源发出的光通过波分复用器的一个输入端到达掺饵光纤，所述掺饵光纤与偏振控制器相连，偏振控制器对传输光的偏振态起到调制作用，被调制的光经过环形器到达传感头，传感头包括：单模‑无芯‑单模光纤结构以及尾端连接的反射镜，其中无芯光纤的一部分镀金膜，另一部分涂覆丙烯酸酯材料，被反射镜反射回的光对传感头有二次调制作用，所述环形器与耦合器相连，所述耦合器的两个输出端分别连接光谱分析仪和波分复用器的另一个输入端，形成环形腔结构。该发明专利技术主要用来测量海水的盐度和温度，具有实时性、低探测极限和减小温度交叉敏感等优点。

A low detection limit inner cavity sensor for simultaneous measurement of salinity and temperature of seawater

【技术实现步骤摘要】
用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器
本专利技术属于光纤传感
，涉及一种海水盐度和温度同时测量的传感器，尤其是一种用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器。
技术介绍
海水盐度的测量对于海洋渔业养殖、海洋气候气候预报和海上军事演习等有着重大的意义，近年来针对海水盐度的测量方法也随之兴起。常用的技术手段有利用温盐深仪（CTD）、迈克尔逊干涉仪、微纳光纤传感器和布拉格光栅传感器等。中国专利技术专利201320889872.9公开了一种用于盐度测量的探针式光纤传感器，光纤探针由第一光纤、长周期光纤光栅、第二光纤、布拉格光纤光栅和第三光纤组成,第一光纤的一端镀有金属反射膜形成镀金属反射膜端头,第一光纤的另一端、载有长周期光纤光栅的光纤、第二光纤、载有布拉格光纤光栅的光纤和第三光纤依次连接，这个系统的缺点是采用的光栅传感器受温度影响较大，对测试的结果有很大的影响。中国专利技术专利201811029113.9公开了一种用于海水盐度和温度同时测量的反射式光纤传感器，所述的传感单元由多模光纤和单模光纤级联而成,其中,多模光纤与单模光纤同轴熔接,单模光纤外表面及端面镀有金膜,金膜外周从熔接端始沿单模光纤轴向到单模光纤一半长度位置,镀有温度敏感膜，该系统采用直腔结构，结构简单，可实现温度和盐度同时测量，缺点是测量精度不够，探测极限不足。中国专利技术专利201811068627.5公开了一种基于无芯光纤的长程表面等离激元共振传感器，所述传感器单元包括表面由内至外依次镀有一层介质膜和一层金属膜的无芯光纤，该系统采用传统的直腔式结构，光源-传感头-光谱仪直接相连，此结构只能用于实验室测量从深海取出的待测海水，不具备实时性、连续性，无法测量不同深度海水的折射率和温度特性。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器，将一段无芯光纤同轴熔接在两段单模光纤中，构成SNCS结构，传感头主体为在无芯光纤上镀有金膜和部分涂覆有丙烯酸酯的SNCS光纤，此结构能有效减小温度交叉敏感问题，传感头一端与反射镜相连，对传感头进行二次损耗调制，采用内腔结构可获得高SNR、窄FWHM的输出光谱和高灵敏度的特性，可实现传感系统低探测极限的折射率测量。用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器，包括：泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、偏振控制器、环形器、传感头、耦合器、光谱分析仪。传感头主体为一段无芯光纤同轴熔接在两段单模光纤中，单模光纤输出的端与反射镜连接，无芯光纤一周镀有金膜层，其中一段涂有丙烯酸酯。所述泵浦源通过波分复用器的第二输入端口将输入光耦合进光路，所述波分复用器有三个端口，两个输入端口和一个输出口，输出端口与掺铒光纤相连，所述掺铒光纤的输出端与光隔离器的输入端相连，所述光隔离器的输出端与偏振控制器相连，所述偏振控制器的输出端与环形器的输入端口相连，所述环形器有三个端口，环形器的第一输出端口与传感头相连，环形器的第二输出端口与耦合器的输入端相连，所述耦合器有三个端口，一个输入端口和两个输出端口，耦合器的第一输出端口与光谱分析仪相连，耦合器的第二输出端口与波分复用器的第一输入端口相连，形成环形腔结构的传感器。所述泵浦源峰值工作波长范围为976~982nm，功率最小调节范围为1mw，输出功率为0~700mw；所述波分复用器WDM工作波长为980/1550nm。所述掺铒光纤长度为3m，工作波长为1530~1565nm，包层直径为125um，纤芯直径为3.2um，涂覆层直径为245um。所述光隔离器ISO工作波长为1550nm。所述环形器为三端口环形器，传输光的顺序为输入端口~第一输出端口~第二输出端口。所述无芯光纤长度为59mm，无芯光纤折射率为1.446，无芯光纤表面镀金膜厚度为40nm；所述温度敏感材料为具有负热系数的丙烯酸酯。所述反射镜的反射率大于99%，所述耦合器的分光比为90:10。所述光谱分析仪的工作波长范围为600~1700nm，波长精度为0.01nm，波长分辨率为0.02nm。用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器的检测方法，步骤如下，泵浦源发出的泵浦光通过波分复用器的第二输入端口耦合进光路，在增益介质掺铒光纤内得到增益，当谐振腔内的增益大于损耗时，会在环形腔内形成连续的激光振荡，增益后的光通过光隔离器后，受到偏振控制器的调制作用，通过调节偏振控制器使光谱中出现两个明显的激光输出，被调制后的光进入环形器的输入端口，传输到第一输出端口后进入单模-无芯-单模光纤组成的传感头部分，传感头尾部连接反射镜，经过尾端反射镜反射回来的光信号再次对传感头进行损耗调制，然后经过第二输出端口进入耦合器的输入端，耦合器的第一输出端口与光谱分析仪相连，观察输出光谱中特征波长的移动量。第二输出端口与波分复用器的第一输入端口相连，形成环形腔结构。光经过单模-无芯-单模光纤结构的传感头时，单模光纤中的基模在通过第一个熔接点进入无芯光纤中时会激发无芯光纤中的高阶模式，由于各阶模式的耦合系数、传播常数不同，通过第二个熔接点耦合进单模光纤时形成多模干涉；光通过无芯光纤时，由于无芯光纤镀有金膜会激发表面等离子共振效应，无芯光纤的一段涂有丙烯酸酯；镀有金膜的无芯光纤对折射率非常敏感，当海水折射率发生改变时，会使无芯光纤折射率对应的谐振峰值发生移动，而丙烯酸酯只对温度敏感，当外界温度改变时，镀金膜的无芯光纤和涂丙烯酸酯部分的光纤温度对应的谐振峰值都会发生漂移。对此可采用双波长矩阵法来进行温度补偿，能有效解决温度交叉敏感存在的问题。本专利技术的用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器的优点在于：1、本专利技术相对于CTD技术而言，采用光纤传感技术测量海水盐度，具有耐腐蚀性、抗电磁干扰、结构简单、体积小、操作简单等优点；2、本专利技术采用的单模-无芯-单模结构，无芯光纤部分镀金膜和涂覆丙烯酸酯作为传感头，有效提高折射率灵敏度，同时利用双波长矩阵方法可有效的减小温度交叉敏感问题；3、本专利技术采用内腔传感技术，将传感头与反射镜相连，可对传感部分进行二次调制，在能获得高SNR的同时，还具有窄FWHM和高灵敏度的特性，能显著提高系统的探测极限；4、本专利技术采用内腔结构的同时结合传感头探针，可进行实际海水温度和盐度的测量，具有实时性，连续性。附图说明图1是本专利技术所述传感系统的结构示意图；图2是传感头结构示意图。图中：1、泵浦源；2、波分复用器；3、掺饵光纤；4、光隔离器；5、偏振控制器；6、环形器；7、传感头；8、耦合器；9、光谱分析仪；10、单模光纤；11、无芯光纤；12、反射镜；13、金膜；14、丙烯酸酯；①、波分复用器的第一输入端口；②、波分复用器的第二输入端口；③、环形器的输入端口；④、环形器的第一输出端口；⑤、环形器的第二输出端口；⑥、耦合器的第一输出端口；⑦、耦合器的第二输出端口。具体实施方式为使本专利技术的目的和优点更加容易理解，下面参照附图说明作详细的介绍。图1给出了用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器示意图。其工作过程为：泵浦源1发出的光经过波分复用器2的第二输入端口②到达掺饵光纤3，所述掺饵光纤3的输出端与光隔离器4的输入端相连，所述光隔离器4的输出端与偏振控制器5的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器，其特征在于：包括泵浦源、波分复用器、掺饵光纤、偏振控制器、光隔离器、环形器、传感头、耦合器以及光谱分析仪；所述泵浦源的输出端与波分复用器的第二输入端口相连，所述波分复用器的输出端与掺饵光纤相连，所述掺饵光纤输出端与偏振控制器相连，所述偏振控制器的输出端与光隔离器相连，所述光隔离器的输出端与环形器的输入端口相连，所述环形器的第一输出端口与传感头相连，所述传感头为单模‑无芯‑单模结构，其中无芯光纤部分镀有一层金膜和部分涂覆丙烯酸酯，无芯光纤尾端与反射镜相连，所述环形器第二输出端口与耦合器相连，所述耦合器的第一输出端口与光谱分析仪相连，第二输出端口与波分复用器的第一输入端口相连，所有连接部分均以单模光纤同轴熔接。

【技术特征摘要】
1.用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器，其特征在于：包括泵浦源、波分复用器、掺饵光纤、偏振控制器、光隔离器、环形器、传感头、耦合器以及光谱分析仪；所述泵浦源的输出端与波分复用器的第二输入端口相连，所述波分复用器的输出端与掺饵光纤相连，所述掺饵光纤输出端与偏振控制器相连，所述偏振控制器的输出端与光隔离器相连，所述光隔离器的输出端与环形器的输入端口相连，所述环形器的第一输出端口与传感头相连，所述传感头为单模-无芯-单模结构，其中无芯光纤部分镀有一层金膜和部分涂覆丙烯酸酯，无芯光纤尾端与反射镜相连，所述环形器第二输出端口与耦合器相连，所述耦合器的第一输出端口与光谱分析仪相连，第二输出端口与波分复用器的第一输入端口相连，所有连接部分均以单模光纤同轴熔接。2.根据权利要求1所述的用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器，其特征在于，所述泵浦源的工作波长范围为976~982nm，功率最小调节范围为1mw，输出功率为0~700mw；所述波分复用器工作波长为980/1550nm。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐德刚，张利，王梦飞，王晶晶，
申请(专利权)人：天津大学青岛海洋技术研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37