（控制理论与控制工程专业论文）基于光电传感技术的海水盐度计研制.pdf

基于光电传感技术的海水 盐度计研制皿，又pih ，l 巾l j 学位论文完成日期：3ql 虫：厶：芏 指导教师签字： 答辩委员会成员 盟磐一计花一 壤 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：、曹乃锋签字日期：2 0 0 年s 月j 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术 信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社 会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：皙乃锋 ：2 0 ld 负5 日1 3 日 导师粹秀民 “l o j - , 1 1 基于光电传感技术的海水盐度计研制 摘要 海水盐度的检测对研究海洋学、海洋环境监测、季节气候预测以及海洋渔业 等有十分重要的实用意义，而目前国内外使用的传感器大都是基于传统电导率法 来实现对其长期连续的检测，该方法存在三个参数检测不同步带来的误差。为此， 本论文致力于研制一种新颖的海水盐度计，来克服传统电导率c t d 仪带来的缺 陷。 在充分调研国内外盐度检测技术现状的基础上，本论文系统地提出了基于新 方法的海水盐度测量方案，建立了数学模型，设计了传感探头结构，并制作了原 理样机。在论文中，应用到的核心理论是折射率差测量原理和半导体光吸收原理， 主要完成的工作是承接前人的研究成果并对其做出了三大改进，具体包括以下几 个方面： 1 提出了一种基于海水折射率的、以p s d 为核心器件的盐度检测方法，并 设计了相应的传感模型。在传感模型中引入了参考液的设计思路，形成差动测量， 有效地消除了温度对测量结果的影响。 2 在理论推导和借鉴旧样机设计经验的基础上，设计并制作了新的盐度计 样机，该传感器样机具有结构简单、成本低、实用性强、便于远程测量以及易于 实用化等优点。 3 改进了旧样机中所使用的激光光源和p s d ，选用了模块化光源和更高分 辨率的p s d ，明显地提高系统的测量精度和稳定性。 4 改进了旧样机的水槽结构，将先前的双水槽扩展为五水槽，进一步放大 了出射光线的位置偏移量，提高了系统的分辨率。 5 改进了旧样机的光源发射和信号调理电路，增加了光源调制和软件滤波 算法，有效地消减了背景光、暗电流和外界扰动对测量的影响。 最后，在反复实验的基础上，测定了盐度标定曲线，并对系统的稳定性和影 响因素进行了测量。盐度检测的分辨率达n o 0 1 9 8 o ，比旧样机的分辨率高了约 2 个数量级，稳定性好于士0 0 3 4 o ，温度和扰动引起的误差分别为o 0 2 7 和 士0 0 9 1 3 o 。实验结果表明了系统方案和结构设计的正确性，以及新样机改进措 施的有效性。 关键词：海水盐度；光电检测；差动测量；位置敏感器件( p s d ) d e v e l o p m e n to fs e a w a t e rs a l i n o m e t e rb a s e do n p h o t o e l e c t r i cs e n s i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t d e t e c t i o no fs e a w a t e rs a l i n i t yh a sav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o r o c e a n o g r a p h i cr e s e a r c h ，m a r i n ee n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g s e a s o n a l c l i m a t e p r e d i c t i o n ，m a r i n ef i s h e r i e sa n ds oo n h o w e v e r , a tp r e s e n tt h es e n s o r sm o s t l yu s e da t h o m ea n da b r o a da r eb a s e do nt h et r a d i t i o n a lc o n d u c t i v i t ym e t h o dt o a c h i e v ei t s l o n g t e r mc o n t i n u o u sd e t e c t i o n ，w h i c hh a sa l le r r o rc o m i n gf r o mn o n s y n c h r o n i z e d d e t e c t i o no ft h r e ep a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri sc o m m i t t e dt ot h ed e v e l o p m e n t o fan o v e ls e a w a t e rs a l i n i t ym e t e r ，t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a l c o n d u c t i v i t yc t di n s t r u m e n t b a s e do ns u f f i c i e n t i n v e s t i g a t i o no fs a l i n i t yd e t e c t i o nt e c h n i q u e sa th o m ea n d a b r o a d ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yp r o p o s e sas e a w a t e rs a l i n i t ym e a s u r e m e n ts c h e m e b a s e do nan o v e la p p r o a c h ，e s t a b l i s h e sam a t h e m a t i c a lm o d e l d e s i g n e dt h es e n s i n g p r o b es t r u c t u r ea n dp r o d u c e sap r o t o t y p e i nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i e dc o r et h e o r yi st h e r e f r a c t i v ei n d e xd i f f e r e n t i a lm e a s u r e m e n t p r i n c i p l e a n ds e m i c o n d u c t o r o p t i c a l a b s o r p t i o np r i n c i p l e t h ep r i m a r yw o r k si nt h i sp a p e ra r er e s t i n go nt h ea c h i e v e m e n t s o fp a s tg e n e r a t i o n sa sw e l la so u ro w na n d m a k i n gt h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n tt o t h e s ea c h i e v e m e n t s ，i nd e t a i l i n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 p r o p o s eas a l i n i t yd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h er e f r a c t i v ei n d e xo fs e a w a t e r a n dw i t hp s da st h ec o r ec o m p o n e n t ，a n dd e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gs e n s o rm o d e l i n t h es e n s o rm o d e l ，t h ei n t r o d u c t i o no far e f e r e n c ef l u i dd e s i g ni d e a , f o r m sad i f f e r e n t i a l m e a s u r e m e n t ，e f f e c t i v e l ye l i m i n a t i n gt h et e m p e r a t u r ee f f e c to nt h em e a s u r e m e n t r e s u l t s 2 o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n ds i m u l a t i o n a n a l y s i s ，d e s i g na n d p r o d u c eas a l i n i t ys e n s o r t h ep r o t o t y p eh a sa d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ， h i g hp r a c t i c a l i t y ，b e i n gc o n v e n i e n tf o rr e m o t em e a s u r e m e n ta n de a s yt ob er e a l i z e d a n ds oo n 3 i m p r o v et h el a s e rl i g h ts o u r c ea n dp s du s e di nt h e0 1 dp r o t o t y p e u s ea m o d u l a rl i g h ts o u r c ea n dh i g h e r r e s o l u t i o np s d ，s i g n i f i c a n t l yi m p r o v i n gt h es y s t e m a c c u r a c ya n ds t a b i l i t y 4 i m p r o v et h es i n ks t r u c t u r eo ft h eo l dp r o t o t y p e ，i nw h i c hp r e v i o u s l yt w o w a t e rt a n k sa r ee x t e n d e dt of i v et a n k s ，a n df u r t h e ra m p l i f yt h el o c a t i o no f f s e to ft h e l i g h te m i t t e d ，i m p r o v et h es y s t e mr e s o l u t i o n 5 i m p r o v et h el i g h te m i s s i o na n ds i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t r yo ft h eo l d p r o t o t y p e ，i n c r e a s et h el i g h ts o u r c em o d u l a t i o na n de n h a n c es o f t w a r ef i l t e r i n g a l g o r i t h m ，e f f e c t i v e l yr e d u c ei m p a c to nt h em e a s u r e m e n tf r o mb a c k g r o u n dl i g h t ，d a r k c u r r e n ta n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fr e p e a t e de x p e r i m e n t s ，m e a s u r et h es a l i n i t yc a l i b r a t i o n c u r v e s ，a n dt h es t a b i l i t ya n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h es y s t e ma r ea l s om e a s u r e d s a l i n i t yd e t e c t i o nr e s o l u t i o nr e a c h e s0 019 8 0 0 0 ，w i t hr e s o l u t i o na b o u tt w oo r d e r so f m a g n i t u d eh i g h e rt h a nt h eo l dp r o t o t y p e t h es t a b i l i t yi sb e t t e rt h a n - 4 - 0 0 3 4 9 o o t h e e r r o rc a u s e b yt e m p e r a t u r ea n dd i s t u r b a n c ei s0 0 2 7 9 o o a n d4 - 0 0 9l3 or e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo ft h es y s t e ms c h e m ea n ds t r u c t u r a l d e s i g n , a n dt h ee f f e c t i v e n e s so fi m p r o v e m e n tm e a s u r e so ft h en e w p r o t o t y p e k e yw o r d s ：s e a w a t e rs a l i n i t y ；p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n ；d i f f e r e n t i a lm e a s u r e m e n t ； p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ( p s d ) 目录 1 绪论1 1 1 引言l 1 2 课题来源及研究意义1 1 3 国内外的研究现状及其发展动态2 1 3 1 电导率法2 1 3 2 基于微波遥感技术的盐度检测法3 1 3 3 基于光纤传感技术的盐度检测法4 1 3 4 其他方法9 1 4 本论文的主要研究内容1 0 2 光电法盐度检测原理11 2 1 传感原理介绍1 l 2 2 数学模型1 2 2 3 遇到的问题1 4 2 4 本章小结1 4 3 原理样机的设计与制作15 3 1 传感探头结构设计15 3 1 1 光路分析15 3 1 2 仿真分析19 3 1 3 参数计算2 l 3 2 各组成器件2 3 3 2 1 半导体激光器2 3 3 2 2 直角棱镜及清洁技术2 6 3 2 3 滤光片与遮光器2 7 3 2 4p s d 器件2 8 3 2 5 水密插头与海底电缆3 0 3 2 6 透析膜3 0 3 3 电子线路设计3l 3 3 1 光源驱动电路3l 3 3 2p s d 信号调理电路3 2 3 3 3 模拟信号采集电路3 3 3 4 软件程序3 4 3 5 光路调节一3 6 3 5 1 水平方向3 6 3 5 2 垂直方向3 6 3 5 3 二维方向3 6 3 6 本章小结3 7 4 实验与分析3 8 4 1 p s d 的标定测量3 8 4 2 盐度的标定测量4 0 4 3 对比实验4 l 4 4 稳定性测量4 l 4 5 影响因素测量4 2 4 5 1 背景光影响4 2 4 5 2 温度影响4 3 4 5 3 扰动影响4 5 4 6 系统误差分析4 6 4 6 4 6 4 7 4 9 4 9 4 9 5 0 ! ；( ) ! ；( ) ! ；l 5 3 5 6 5 7 5 8 5 9 基于光电传感技术的海水盐度汁研制 1 绪论 1 1 引言 海水盐度是海水中含盐量的一个标度。海水含盐量是海水的重要特性，它与 温度和压力三者，都是研究海水的物理过程和化学过程的基本参数。海洋中发生 的许多现象和过程，常与盐度的分布和变化有关，因此海洋中盐度的分布及其变 化规律的研究，在海洋科学上占有重要的地位。 世界各大洋表层的海水，受蒸发、降水、结冰、融冰和陆地径流的影响，盐 度分布不均：两极附近、赤道区和受陆地径流影响的海区，盐度比较小；在南北 纬2 0 度的海区，海水的盐度则比较大。深层海水的盐度变化较小，主要受环流和 湍流混合等物理过程所控制。根据大洋中盐度分布的特征，可以鉴别水团和了解 其运动的情况。在研究海水中离子间的相互作用及平衡关系，探索元素在海水中 迁移的规律和测定溶于海水中的某些成分时，都要考虑盐度的影响。盐度的分布 变化与海洋环境及气候的变化有很强的内在联系，是影响和制约其它水文要素分 布和变化的重要因素。因此，对其精确的检测，对研究海洋学、海洋环境和气候 的监测及预测、军事、沿海采油、以及海洋渔业等具有十分重要的实用意义和社 会、经济效益。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于由山东省海洋仪器仪表研究所承担的国家高技术研究发展计 划( 8 6 3 计划) 专题课题一高精度自容式光纤温盐深检测系统，是海洋监测高性 能传感器技术专题的重要分支。该课题由山东省海洋仪器仪表研究所和清华大学 合作完成。 近年来，光电传感技术的发展方向和应用领域都已经有了新的突破，研究人 员也越来越认识到它与其它常规传感器相比体现出的大量而突出的优点。比如， 传感元件具有响应速度快、无接触、低耗能、灵敏度高、可测参数多、防电磁干 扰、可在高温高压下工作、传感器结构简单小巧、易实现远距离信号传输等口1 。 本课题利用光电传感技术的优点，旨在研制一种新的海水温盐深长期定点在线自 动检测系统，可用于海下的长期连续监测，检测结果可自动记录。 本课题研究意义在于：把光电传感技术引入海洋检测，对于海水参数的长期 连续检测提供了新的途径；对于海水中光学仪器防污问题的研究，可推广到其他 光学仪器中，扩大光学仪器在海洋中的应用范围，进而拓宽海洋监测的研究领域。 堆寸二光电传感技术的海水盐度计研制 1 3 国内外的研究现状及其发展动态 从最早的物理测定法，发展到化学滴定法，直到1 9 5 0 年电导率盐度计问世， 才使海水盐度测量技术发生了根本性变化。目前，国内外研究人员都已经掌握了 很多成熟的盐度检测方法，如化学法、比重法及高精度的电导率法等。近年来， 基于一些发展迅速并日趋成熟的新技术，研究人员又提出了各种新的海水盐度检 测方法，如微波遥感盐度检测法、光纤传感盐度检测法及光谱法等。 1 3 1 电导率法 国内外研究人员已经提出了很多盐度检测的方法，除了取样在实验室分析 外，目前，检测海水盐度的主要方法是电导率法，而温盐深剖面仪( c t d ，c o n d u c t i v i t y t e m p e r a t u r e d e p t h ) 是通过电导率法测量海水盐度的最常用设备，其标称 精度可以达到0 0 0 1 ，国内外已有相关产品。最具有代表性的是美国海鸟公司 的c t d 仪，该产品通过设计潜水泵强制水流速度，消除盐度尖锋，成果显著， 其电导率测量范围达0 7 0 m s c m ，精度达4 - 0 0 0 2 ，响应时间达5 0 m s 。但由于海 鸟公司c t d 仪三电极时间常数较长，意大利的3 0 0 系列的c t d 仪，运用了无泵 的大导流口径的七电极与海鸟公司来竞争。 p l a t i n u me l e c t r o d e 图1 1电导池等效电路图 电导率法测量盐度，实际是通过测量电导池中电极棒之间海水的电阻或电流 来得到电导率。由于海水盐度不同，导电能力不同，即电导率不同，从而测得的 海水电阻也不同。电导池在测量中表现为一个复杂的电化学系统。在电导池两端 加电压时，会产生电导极化现象。一般采用交流电源作为电导激励电源来防止电 导电极的极化。由此，电导电极可等效为电阻和电容串并联构成的网络，如图l 一1 所示h 3 。海水盐度最终由电导率等参数计算或标定求得，1 9 7 8 年实用盐标( p s u ) 的制定瞄1 ，使电导率法快速应用于海洋盐度连续监测中，它也是目前国际上的官 方定义，其表达式为： 2 基于光电传感技术的海水盐度计研制 5 ，2 s = 口k 。， # o 式中蜀5 是在一个标准大气压下，温度为1 5 时，海水样品的电导率与标准k c l 溶液的电导率之比。口旷口j 均为已知数。 1 9 8 0 年l e w i s 又给出了任意温度下的盐度与电导率的关系式。实际作中可直 接根据国际海洋学常用表查得海水盐度，也有相关网站提供在线查询服务。 电导率法测量精度高，适用于现场连续检测。然而用c t d 仪观测到的电导 率是在其盐度为s ，温度为f ，压力为p 的情况下测量得到的，记为c ( s ，t ，p ) ， 因此这种方法需要同时检测电导率、温度和深度进而标定出盐度，存在三种参数 检测不同步造成的误差，而且电极脆弱，易受到损坏，电极易受水质污染和电磁 干扰，影响测量精度。 1 3 2 基于微波遥感技术的盐度检测法 微波遥感技术( m i c r o w a v er e m o t es e n s i n g ) 是以航空摄影技术为基础，在上 世纪6 0 年代初发展起来的- - f l 新兴技术。开始为航空遥感，自1 9 7 2 年美国发射了 第一颗陆地卫星后，标志着航天遥感时代的开始。经过几十年的发展，目前遥感 技术已广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等领域，成为- - i - j 实用的， 先进的空间探测技术。微波遥感是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它 根据不同物体对波谱产生不同响应的原理，识别地球表面上各类物体。也就是利 用地表上空的飞机、飞船、卫星等飞行物上的遥感器收集陆地和海洋的数据资料， 并从中获取信息，经记录、传送、分析和判读来识别地物。 目前，应用微波遥感技术测量海面盐度，校正后的盐度分辨率为l k m 2 时数 据准确度和精度都可以达到1 p s u ，利用最新研发的双偏光微波航空遥感技术有 望使校正后的盐度数值准确度和精度控制在1 p s u 以内 1 。2 0 0 9 年，美国宇航局将 发射装有微波遥感设备的卫星( a q u a r i u s s a c d ) ，可实现对全球海水表层盐度及 其变化的观测。 微波遥感技术测量海水盐度的原理是哺1 ：海洋盐度变化会改变海水的介电常 数，进而使海面辐射的微波亮度温度( 简称亮温，b r i g h t n e s st e m p e r a t u r e ) 发 生变化。微波辐射计用来测量海水的亮温，通过反演就可以得到海水盐度。 海水的微波辐射穿透能力较弱，对海水的亮温有影响的是表层几毫米深的海 水，因此微波遥感技术检测的是海洋表面的盐度。海面的辐射亮温表达式1 如下： b 7 1 ( 秒，p ) = e ( o ，p ) t ( 1 2 ) 式中，e ( 0 ，p ) 平l l t 分别是海水的发射率及物理温度，p 为入射角，p 为极化方式， 对应的垂直极化( ，) 和水平极化( 们的发射率分别为e ( o ，i ，) 和e ( t 9 ，h ) 。 经过推导，亮温最终可以表示为： 基于光电传感技术的海水盐度计研制 b 7 = ( ，口，p ，s ，t )( 1 3 ) 也就是亮温( 87 ) 和频率( ) 、入射角( 口) 、极化仞) 、表面温度( 丁) 以及盐度( s ) 有关。因此，当其他参数确定时，即可求出海面盐度。图1 2 清楚的显示了入射 角固定、不同频率和温度情况下，海水表面盐度与亮温之间的关系。 o 苟 譬 卜 s a l i n i t y ( p s u ) 图1 2 不同频率、温度下海水表面盐度与亮温的关系曲线 微波遥感技术具有全天时、全天候工作能力，并能对海洋表面盐度进行大面 积，快速和定量的检测。缺点是只能感测海洋表面的盐度。 1 3 3 基于光纤传感技术的盐度检测法 近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤传感器开始应用到科研生产的各个 方面，凡是用到传感器的地方，几乎都有光纤传感占有一席之地n p l 。这也证明 了光纤传感的方法比传统传感方法在很多方面有无可比拟的优势。基于光纤传感 的盐度检测方法大致分为两类，即通过海水折射率或敏感材料实现盐度的间接测 量。 1 3 3 1 折射率间接测量法 海水盐度的变化会引起其对光的折射率发生改变，两者有很好的线性对应关 系，但关系式比较复杂，而且涉及到压强、温度、光波长等参量n2 | 。所以，一般 是通过标定来获得海水盐度。 ( 1 ) 裸露光纤( b a r ef i b e r ) 盐度检测法 这种方法是通过测量溶液折射率间接测出盐度，是近些年测量溶液浓度较为 流行的方法n3 | 。其测量原理和结构如下图l 一3 ，1 4 所示。用一根多模光纤( 单模也 可，但多模强度可能更好) ，把其保护层和包层均剥去( 通常用氢氟酸法) ，弯成 弧形，浸入某一溶液中。 4 基于光电传感技术的海水盐度计研制 图1 3 剥层光纤法测量盐度原理图1 4 剥层光纤局部 若溶液折射率为1 ，光纤芯和溶液界面上的全反射角为： 包= s i n 叫( , 7 , 7 1 ) 0 - 4 ) 式中，7 7 1 为光纤芯的折射率。设某一模式的光线以口角入射到该界面上，有： 惝i n - l ( c 。s 口嬲) ( 1 _ 5 ) 式中尺是光纤芯弯曲的曲率半径，2 ，为光纤直径，口和h 取决于光线的模式。只 有当t 7 只时，所对应模式的光束才能通过光纤继续传播，而不会进入流体被损 耗掉。简单推导即可得： ，i p j 厶、k , al6 ) i 螂而 , 1 , 1 1 0 - 6 ) 仔+ 2 ，) 显然，当流体折射率玎发生变化时，在光纤芯中可传播的光束模式数就要发生变 化，表现为通过纤芯的光强发生变化，通过光强变化的测量可得知流体的浓度。 在用此方法测量盐度时，必须保持溶液温度恒定，否则应作相应的修正。 用此方法对特定的溶液可达到较大的测量范围，如对n a c i 溶液可测得2 5 9 0 0 以上的浓度，但显然这种方法是最容易受到干扰的。 ( 2 ) 表面等离子共振( s p r ) 盐度检测法 i i g h t 图1 - 5 克莱切曼结构 图1 6 温度补偿型等离子共振传感器 1 9 0 2 年，w o o d 等人根据衍射光栅的反常衍射现象，意识到表面等离子波 ( s p w ，s u r f a c ep l a s m o nw a v e ) 的存在。1 9 0 9 年，s o m m e r f e l d 从麦克斯韦电磁理论 基十光l u 传感技术的海水盐度计研制 出发，引入了复介电常数的概念，得到了局限在表面附近的电磁波的波动解。2 0 世纪6 0 年代，o t t o 和k r e t s c h m a n n 等人研究了金属和介质界面处s p w 的光学激励 问题。他们采用了图1 5 的棱耦合方式，也称作克莱切( k r e t s c h m a n n ) 实验结构， 发现棱镜中的全内反射( t i r ) 谱出现了某- d , 段波长范围的光被衰减吸收，亦即 发生衰减全反射( a t r ) 现象，这证明了光可以激励表面等离子波n 引引。 表面等离子共振( s p r ，s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ) 是指在光波的作用下， 在金属和电介质的交界面上形成的改变光波传输的谐振波。当光以大于全反射角 入射到交界面上时，有一部分光被反射，另一部分光被耦合进入等离子体内，在 表面等离子中存在光的消失波，如果入射光的波矢量沿平行于界面的分量和表面 等离子波的波矢量相等，那么表面等离子在光的作用下发生谐振，光波在传输过 程中发生能量的损失，在宏观上表现为光波被强烈吸收。 s p r 技术根据初始条件的不同可以用于多种检测分析，其中用于盐度检测的 s p r 条件设定为：复色光入射，固定入射角，记录反射光谱，得到反射率随光波 入射光波长的关系，找出共振波长。在克莱切曼实验结构中，那段被吸收的光其 波长即称为共振波长，用以r 7 表示： 2 万s gs i n a 、 y6- r2 1 历广 卜7 ) 式中，g 分别为棱镜相对介电常数；n 为入射角：七印是与金属薄膜内部性质和与 之接触的样品的介电常数有关的量。在金属薄膜已确定的情况下，可求出尼印与 溶液盐度( 劝和温度( 力的关系式： = k s ，( s ，t ) ( 1 - 8 ) 可见，共振波长不仅与盐度有关，还受温度影响。因此可以采用一种具有自 参考功能的s p r 传感结构n6 i ，如图1 - 6 所示。两个采样池中分别装有海水和蒸馏 水，这时的共振波长差为： 一 r 1 1 、兄= 九r 嚣一九尺r 。22 乃占g8 i n 口ii ：而一i ：素f 万i o - 9 通过测量共振波长差计算盐度，可以大大降低温度对盐度的测量影响。 最近几年，随着m e m s 工艺的发展，人们直接在光纤内加工制作了各种结构 的全光纤型s p r 传感器n 旬n 7 m 引，如图1 7 所示，基本原理大致相同。 6 基于光电传感技术的海水盐度计研制 ( a ) 锥状光纤 ( b ) d 型光纤探头 ( c ) 多模光纤探头 图1 7 基于m e m s - i - 艺的s p r 传感器 1 3 3 2 盐度敏感材料间接测量法 近年来，作为智能材料的高分子水凝胶( h y d r o g e l ) 的研究和开发工作非常活 跃。高分子水凝胶可以在水中膨胀至一个平衡状态，被认为是一种生物适合性材 料。高分子水凝胶的含水量取决于高分子网络结构，并可对外界环境变化作出响 应，例如外界环境的盐度变化，酸碱度变化等等鲫犯0 。 根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝 胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温度或p h 等的变化不敏感，而环境敏感 7 基于光电传感技术的海水盐度计研制 的水凝胶是指自身能感知外界环境( 如温度、p h 、光、电、压力等) 微小的变化 或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高分子凝胶 瞳1 i 。此类凝胶的突出特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有显著的变化，利 用这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关等乜2 | ，这是1 9 8 5 年以来研究者 最感兴趣的课题之一。 盐度传感器利用的就是水凝胶在离子环境中产生溶胀的特性，随着溶液盐度 增大，水凝胶会释放体内水分从而体积变小，反之亦然。因此，人们基于盐度敏 感型水凝胶的特性制成了各种盐度传感器，图1 8 显示的就是利用水凝胶制作的 传感头实物照片。 图1 8 水凝胶传感头 ( 1 ) 光纤微弯损耗型 基于光纤微弯损耗原理的光纤盐度传感器其结构乜3 3 如图1 - 9 ( a ) 所示，盐度敏 感型水凝胶随着溶液盐度的变化发生溶胀，使得光纤受到微弯扰动产生微弯损 耗，其大小体现引起光纤微弯扰动物理量的变化。因此通过检测光纤输出端的光 强即可求出溶液盐度。 铀蟹l8 眦r 。鹘l7 8 i r 。“一一一、。、一i u h y d r o g e l u 行燮链：l j 翰缝誊： i y d r o g e lc o a t b， c r a t i n g 、 l l l l l l l i f | 弱 馏- e l 娜。毙 ( a ) 光纤微芎损耗型 ( b ) f b g 型 图1 9 基于水凝胶的盐度传感器 ( 2 ) 光纤光栅型 光纤光栅型盐度传感器的结构嘲1 如图l 一9 ( b ) 所示，利用盐度敏感型水凝胶封 装裸光纤的f b g 段，水凝胶在盐溶液中发生溶胀，作用在f b g 两端的夹具( c l a m p ) 上，使光纤光栅反射波长发生漂移，从而实现间接测量盐度。 ( 3 ) 长周期光纤光栅型 2 0 0 7 年s p i e 会议上报道了一种基于p h 敏感型水凝胶的长周期光纤光栅 基f 光电传感技术的海水盐度计研制 ( l p f g ) 传感器心5 1 。光栅部分使用p h 敏感型水凝胶封装作为涂覆层。根据模式耦 合理论，考虑单模情况，前向传输的纤芯模通过长周期光纤光栅后耦合成一系列 同向传输的包层模，其共振波长为： 旯= ( c a r e 一，z 知) 人 ( 1 1 0 ) 和吃分别为纤芯基模和m 阶包层模的有效折射率，受外部环境不同程度的 影响。人为光栅周期。 因此，溶液折射率和光栅周期的变化都会使长周期光纤光栅的共振波长发生 漂移。当溶液p h 值变化时，作为包层的水凝胶随之溶胀，其折射率因此而改变， 最终导致共振波长漂移，由此原理可以实现对p h 值的检测。 水凝胶型盐度传感器其优点是精度高、可靠性高、使用寿命长。目前，盐度 敏感型水凝胶均为实验室自行制备，限制了它的广泛应用，并且大多数凝胶材料 响应时间较长，其力学性能也有待于进一步提高。 近一年多以来，澳大利亚的纽芬兰纪念大学( m e m o r i a lu n i v e r s i t yo f n e w f o u n d l a n d ) 的研究人员利用聚酰亚胺( p o l y i m i d e ，一种温度和盐度敏感材料) 和丙烯 酸盐( a c r y l a t e ，一种温度敏感材料) 两种聚合物，将它们涂在两段f b g 处，实现了 温度和盐度的同时测量m 7 m 引。温度敏感度达到0 0 1 0 2 n m 。c ，盐度敏感性达到 0 0 0 3 8 n m s 。性能还有待提高。 1 3 4 其他方法 海水盐度的检测还有一些其他方法，比如密度法、拉曼光谱法；布里渊散射 法、紫外光谱法等。密度法是先由比重求密度，再根据密度、温度求盐度，其原 理和仪器制作相对简单；拉曼光谱法汹1 利用溶液中电解质的浓度变化与溶液的拉 曼光谱特性之间存在的定量关系，通过拉曼光谱偏斜率来计算盐度，此方法快速、 简便；布里渊散射法。3 通过测量布里渊频移和其他参数，再根据经验公式求得盐 度，由于采用调频探测，所以抗干扰性好、信噪比高；紫外光谱法b 根据溶液的 紫外吸收谱与盐度、温度及波长有关的特性，反演求得盐度，可达到较高的测量 精度；等厚干涉法。地3 利用牛顿环实验中透镜凸面和平板玻璃间的空隙，在空隙里 分别为空气和待测液条件下，测定k 、足级暗环的两组直径，从而求得待测液折 射率，标定可得盐度值，此方法不适于现场实时测量盐度。 但以上方法大多处在理论和实验研究阶段，技术还不成熟，不适于复杂的海 洋环境下的盐度测量。 9 基于光电传感技术的海水盐度计研制 1 4 本论文的主要研究内容 相比较光电温度、压力( 可推导得到深度) 传感技术，光电盐度传感技术在 国内外还处于不成熟阶段，相关的产品更是稀缺，所以本论文重点研究高精度自 容式光纤温盐深枪测系统( 8 6 3 课题) 中的光电盐度检测技术，其主要内容包括： 1 ) 利用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，我们设计了光路反射式的探头结构，采用了p s d 器件感应光点位置，实现了 对海水盐度的精确快速测量。 海洋是个很复杂的环境，盐度变化很大。图1 1 0 ( a ) 展示了全球表层海水的 盐度分布，图1 1 0 ( b ) 展示了不同纬度下海洋表面盐度和温度的分布规律。可见 海水盐度的变化范围在1 旷3 6 之间。结合8 6 3 课题的技术参数，本课题将传感 基于光电传感技术的海水盐度计研制 2 光电法盐度检测原理 位置敏感器件( p s d ，p o s i t i o ns e n s i t i v ed e v i c e ) ，是一种基于半导体横向效 应的光电二极管。当入射光点落在器件感光表面不同位置时，p s d 将输出不同的 电信号，通过对输出信号的处理，即可判断入射点在p s d 器件上的位置，由此可 以实现光点位置的连续测量。p s d 不仅具有灵敏度高、位置分辨率高和良好的瞬 态响应特性，并且其检测位置输出只与光斑能量中心有关，而与光强、光斑形状 和大小无关，因而对光束质量要求相对不高口鲫嘲。正是由于这些优点，p s d 在非 接触式高精度测量以及实时动态检测领域获得了广泛应用。 本章将着重论述采用p s d 为核心器件的光电法盐度检测原理，利用p s d 检测 与被测盐度相关的光线偏移量，引入参考水槽，形成了差动折射率测量的基本结 构，消减了温度漂移对测量的影响。 2 1 传感原理介绍 众所周知，光线在不同折射率液体当中会发生偏折，也就是折射。对于混合 液体来说，溶质浓度的变化也会影响到溶液折射率的变化。每一种溶质的浓度与 其溶液折射率二者之间都会有一个定量的关系，如果能找到这种关系，那么也就 能够根据溶液折射率直接得出溶液的浓度。本课题就是基于这一思想产生出来 的。 但是，海水盐度与折射率之间的关系比较复