一種基于折射率法檢測海水鹽度的裝置設(shè)計(jì)

蔡元學(xué)，馬 天，秦月婷，洪騰宇，周寰宇，李志成

(1. 天津科技大學(xué)理學(xué)院，天津 300457；2. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457)

海水鹽度是衡量海水含鹽量的一個(gè)標(biāo)度，而海水含鹽量是研究海水物理和化學(xué)過程的基本參數(shù)．對海洋中鹽度及其分布的精確檢測，在海洋學(xué)研究、海洋環(huán)境和氣候的監(jiān)測及預(yù)測[1]、海洋軍事[2]、沿海采油、海洋漁業(yè)[3]等領(lǐng)域具有十分重要的實(shí)用價(jià)值．

目前國內(nèi)外最常用的水體鹽度探測方法多基于接觸式或表面探測．如基于高精度電導(dǎo)率法的船載溫鹽深(CTD)儀[4-5]的鹽度檢測，該方法測量精度高，適用于現(xiàn)場連續(xù)檢測，但是存在電導(dǎo)率、溫度、深度3個(gè)參數(shù)檢測不同步，電極易受水質(zhì)污染和電磁干擾進(jìn)而影響測量精度的問題；基于微波遙感技術(shù)[6-7]進(jìn)行的航天觀測可以大范圍快速檢測海水鹽度，但是海水的微波輻射穿透能力較弱，所以只能檢測海洋表面的鹽度．

本文設(shè)計(jì)了一種基于折射率法檢測海水鹽度的裝置．此裝置可通過檢測折射光線在不同鹽度溶液中產(chǎn)生的偏移量，進(jìn)而計(jì)算出海水鹽度．鹽度傳感探頭采用折射率差動(dòng)測量和激光擴(kuò)束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在消除溫度和深度對鹽度檢測影響的同時(shí)可進(jìn)一步放大接收端光線的偏移量，提高系統(tǒng)分辨率，適合遠(yuǎn)海及深海定點(diǎn)式測量．

1 鹽度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)裝置

光在不同鹽度的液體中會(huì)發(fā)生折射，液體鹽度的變化會(huì)引起液體折射率的變化[8]，導(dǎo)致光線產(chǎn)生偏移．基于上述原理設(shè)計(jì)的鹽度檢測系統(tǒng)如圖1所示．激光發(fā)射器發(fā)出的激光通過低損耗、低噪聲和具有較高耐腐蝕性的光纖光纜傳輸?shù)禁}度傳感探頭測量單元，檢測折射光線在不同鹽度海水中與鹽度幾乎成正比的偏移量d，由CCD攝像器件通過多模光纖接收光信號的偏移量，通過信號處理電路將光信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)浇K端進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，最終得到待測海水的鹽度值．

圖1 鹽度檢測系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of salinity detection system

1.2 鹽度傳感探頭的特點(diǎn)

運(yùn)用SolidWorks制作的傳感探頭三維仿真模型如圖2所示．

圖2 傳感探頭三維仿真模型Fig. 2 Three-dimensional simulation model of sensor probe

傳感探頭主要分為兩部分，一部分是封裝有蒸餾水參考液的楔形水槽和待測液體槽，另一部分被稱為激光擴(kuò)束單元，由平凹透鏡和平凸透鏡構(gòu)成．待測海水經(jīng)過外側(cè)由丙綸短纖維濾布和活性炭吸附膜構(gòu)成的過濾單元進(jìn)入外圍的水槽中．

文獻(xiàn)研究[9-11]表明溫度對海水折射率有一定影響，因此探頭的結(jié)構(gòu)引入了參考液的設(shè)計(jì)，在同溫、同壓下同時(shí)檢測激光在蒸餾水和待測液體中光線偏移量的差值，形成折射率差動(dòng)測量[12-13]，可以有效消除溫度和深度對測量結(jié)果的影響．激光擴(kuò)束單元這一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一方面可以使光源與探測裝置分布在兩側(cè)，減少光路因反射造成的光衰減；另一方面光線通過透鏡后可以進(jìn)一步放大出射光線的偏移量，提高系統(tǒng)的分辨率．

傳感探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與CTD儀和微波遙感技術(shù)相比可以有效消除溫度和深度對鹽度檢測結(jié)果的影響，且檢測環(huán)境具有普適性；此裝置體積小、耐腐蝕、易拆卸，適合遠(yuǎn)距離深海定點(diǎn)式鹽度的檢測．

1.3 檢測系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定

海水對光的吸收系數(shù)與波長有關(guān)，對于可見光而言，黃色物質(zhì)對光的吸收占海水光吸收總量的65%以上，海水吸收系數(shù)的極小值在波長550nm左右；而在大洋表層水，極小值在波長510nm左右；在透明的深水中，極小值在波長470～490nm處，其吸收系數(shù)為0.02～0.05m－1[14]．基于以上的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，傳感器光源選用中心波長532nm的半導(dǎo)體激光器泵浦的固態(tài)激光器，并帶有單模的尾纖輸出．在單模光纖的端面耦合一個(gè)自聚焦透鏡，對光線進(jìn)行準(zhǔn)直，以改善光線質(zhì)量，提高測量的分辨率．

楔形水槽裝滿蒸餾水參考液并密封，頂面長寬均為35mm，底面長寬分別為70mm和35mm，楔形水槽高度為35mm，非傾斜部分壁厚2.5mm，傾斜部分壁厚2mm，傾斜部分與水平方向呈45°．透鏡可選用焦距為2cm的平凹透鏡和焦距為10cm的平凸透鏡．在滿足系統(tǒng)鹽度檢測范圍(0～42‰)可以捕獲光偏移量信號的前提下，若待檢測液體鹽度偏小，可選用小焦距平凹透鏡和大焦距平凸透鏡組合，反之，選用大焦距平凹透鏡和小焦距平凸透鏡組合，調(diào)整光在接收端的偏移量，以改善測量的準(zhǔn)確度．

傳感器的過濾單元選用300目的鈦網(wǎng)作為骨架，丙綸短纖維濾布和活性炭吸附材料附著在網(wǎng)面，其作用是為了過濾海水中的泥沙，吸附有機(jī)物大分子，減小測量環(huán)境等客觀因素對鹽度檢測結(jié)果的影響．

2 鹽度檢測系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

鹽度傳感探頭光路圖如圖3所示．光線在鹽度傳感探頭中以水平方向入射，通過折射率為n0的蒸餾水參考液后以α角度入射到折射率為ng的楔形水槽斜玻璃面，折射后以β角度進(jìn)入折射率為n的待測液體，再依次經(jīng)過平凹透鏡和平凸透鏡，最后由CCD測得當(dāng)被測液體分別是海水(光線1)和蒸餾水(光線2)時(shí)光線總偏移量d．L為光線1經(jīng)過平凹透鏡折射光線的反向延長線在焦平面的交點(diǎn)與主光軸的距離；L1和L2分別為光線1在被測液體為海水時(shí)進(jìn)入平凹透鏡和平凸透鏡前的偏移量；f1和f2分別為平凹透鏡和平凸透鏡的焦距；α0為楔形水槽斜玻璃面傾斜角度，設(shè)計(jì)為45°；s1為楔形水槽傾斜玻璃面距平凹透鏡的距離；s2為兩透鏡光心之間的距離，即為兩透鏡焦距之和；ω為入射光線與楔形水槽傾斜玻璃面法線的夾角；φ、θ均為折射光線與楔形水槽傾斜玻璃面法線的夾角．光線總垂直偏移量d的推導(dǎo)過程如下：

由折射定律可知

令過平凹透鏡折射光線與水平方向的夾角為γ

由圖3幾何關(guān)系可知

由式(1)—式(3)整理得

令待測液體是海水時(shí)光線在進(jìn)入楔形水槽斜玻璃面之前的偏移量為d1，由圖3可知

令折射光線與水平方向的夾角為σ

由圖3幾何關(guān)系可知

圖3 鹽度傳感探頭光路圖Fig. 3 Optical path diagram of salinity sensor probe

由式(5)—式(7)整理并化簡得

為便于分析待測液體是海水時(shí)光線1通過楔形水槽斜玻璃面的偏移量d2，將楔形水槽斜玻璃面上半部分的光路放大，并做輔助線，如圖4所示．

圖4 光線1入射至楔形水槽斜玻璃面光路放大圖Fig. 4 Enlarged view of the light path of light 1 incident on oblique glass surface of wedge flume

由折射定律可知

令待測液體為海水時(shí)光線1通過楔形水槽斜玻璃面的偏移量d2為

圖4中，t為楔形水槽斜玻璃面的厚度，令A(yù)B =t，運(yùn)用余弦定理可得

由式(9)—式(11)整理并化簡得

為便于分析待測液體是蒸餾水時(shí)光線2通過楔形水槽斜玻璃面的偏移量d3，將楔形水槽斜玻璃面下半部分的光路放大，并做輔助線，如圖5所示．

圖5 光線2入射至楔形水槽斜玻璃面光路放大圖Fig. 5 Enlarged view of the light path of light 2 incident on oblique glass surface of wedge flume

由折射定律可知

令待測液體為蒸餾水時(shí)光線2通過楔形水槽斜玻璃面的偏移量d3為

圖5中，t為楔形水槽斜玻璃面的厚度，令EF=t，運(yùn)用余弦定理得

由式(13)—式(15)整理并化簡得

綜上可得總偏移量d：

計(jì)算d過程中涉及的n0、ng、t、α、f1、f2均為系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)．此設(shè)計(jì)中參數(shù)值相應(yīng)為：蒸餾水參考液的折射率n0＝1.333；楔形水槽斜玻璃面的折射率ng＝1.5，玻璃厚度t＝2mm；激光入射光線在蒸餾水參考液中與楔形斜面法線夾角α＝45°．選用焦距f1＝2cm的平凹透鏡和焦距f2＝10cm的平凸透鏡．將以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(17)中，通過MATLAB化簡計(jì)算，在海水折射率n為1.333～1.380范圍內(nèi)得出楔形水槽傾斜玻璃面距平凹透鏡的距離s1分別為5、8、10、12cm時(shí)光線偏移量d與海水折射率n之間的關(guān)系，如圖6所示．

圖6 光線偏移量與海水折射率之間的關(guān)系Fig. 6 Relation between the light offset and the refractive index of seawater

圖6表明：在海水折射率相同時(shí)，隨著楔形水槽傾斜玻璃面距平凹透鏡距離s1的增大，光線偏移量d也增大．當(dāng)海水折射率為1.333～1.380時(shí)，在鹽度檢測系統(tǒng)能夠接收到光信號的前提下，可以通過調(diào)節(jié)楔形水槽傾斜玻璃面距平凹透鏡的距離s1，增大接收端光線的偏移量d，提高系統(tǒng)的分辨率．

當(dāng)s1＝8cm時(shí)，光線偏移量d與海水折射率n之間的關(guān)系為

由文獻(xiàn)[15]可知，在36℃時(shí)，鹽度30‰～38‰的模擬海水的折射率與鹽度的經(jīng)驗(yàn)公式為

將式(19)代入式(18)，通過MATLAB化簡計(jì)算，在鹽度S的取值范圍為30‰～38‰時(shí)得出光線偏移量d與鹽度S的關(guān)系，如圖7所示．結(jié)果表明光線偏移量d與鹽度S的相關(guān)系數(shù)為0.999，所設(shè)計(jì)的海水鹽度檢測裝置可以通過檢測光線在不同鹽度海水中的偏移量計(jì)算海水鹽度．

式(18)和式(19)表明：在經(jīng)驗(yàn)公式已知的前提下，可推導(dǎo)出鹽度S與光線偏移量d兩者間的定量關(guān)系．但在多數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式未知的情況下，測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)確定后，待測液體鹽度S僅與光線偏移量d成定量關(guān)系，其定量關(guān)系需要實(shí)際測得．鹽度測量范圍和測量靈敏度取決于傳感探頭各個(gè)部件的選用參數(shù)．

在實(shí)際測量中，因?yàn)椴煌^(qū)海水鹽度與光線偏移量有不同的線性關(guān)系，根據(jù)文中的實(shí)驗(yàn)原理，需要實(shí)地采集不同鹽度的海水進(jìn)行鹽度標(biāo)定，獲取觀測海域海水鹽度與光線偏移量的關(guān)系，對檢測系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正．結(jié)合實(shí)地鹽度標(biāo)定曲線和鹽度檢測系統(tǒng)測得的光線偏移量計(jì)算得出待測海水的鹽度值．

3 檢測系統(tǒng)的鹽度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)室以氯化鈉、無水碳酸鈉、無水氯化鈣、六水合氯化鎂、無水硫酸鈉、氯化鉀(以上物質(zhì)均為海水的主要成分)為溶質(zhì)自制了鹽度為14‰～42‰的海水模擬液，將海水模擬液放入待測液體槽內(nèi)代替海水進(jìn)行檢測系統(tǒng)的鹽度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示．

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 8 Diagram of experimental apparatus

檢測系統(tǒng)中的CCD攝像器件將光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，每個(gè)脈沖信號反映一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置．

光斑偏移量的測量采用兩種方法．第一種方法是利用MATLAB灰度重心法，其步驟為：(1)在暗室中利用光屏承接光斑，光屏后放置像元尺寸為0.8μm的CMOS攝像器件將光斑偏移量圖像傳輸至電腦終端；(2)MATLAB讀取圖像(m像素×n像素)生成m×n×3的數(shù)值矩陣；(3)將RGB圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像(m像素×n像素)；(4)設(shè)定灰度閾值為190，其目的是為了降低背景信息對目標(biāo)的干擾；(5)利用灰度重心法計(jì)算光斑中心坐標(biāo)，如圖9所示；(6)根據(jù)歐氏距離公式計(jì)算兩點(diǎn)間距離，即為光斑的偏移量，測量值見表1．第二種方法是采用游標(biāo)卡尺測量偏移量，其測量值見表1．

圖9 灰度重心法確定光斑中心Fig. 9 Gray center method determining spot center

表1 鹽度的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Salinity calibration experiment results

在海水模擬液鹽度為14‰～42‰的范圍內(nèi)選取18個(gè)觀測點(diǎn)，采樣3次取平均值作為偏移量結(jié)果. 由表1數(shù)據(jù)對比可知，利用MATLAB灰度重心法與游標(biāo)卡尺所測得光線偏移量的平均差值小于0.01mm，說明實(shí)驗(yàn)中可采用游標(biāo)卡尺測量光線的偏移量的方式，且此方法操作簡單．對模擬海水鹽度與灰度重心法所測定的光線偏移量進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖10所示．

圖10 鹽度標(biāo)定曲線Fig. 10 Salinity calibration curve

所得光線偏移量d與其對應(yīng)鹽度S的線性擬合方程為

光線偏移量與鹽度的相關(guān)系數(shù)為0.9998．此結(jié)果說明兩者有很好的線性關(guān)系．依此，檢測得到待測液體的光線偏移量后，其鹽度可以由式(20)計(jì)算得出．

4 結(jié) 語

本文基于光電傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于折射率法檢測海水鹽度的裝置．此裝置通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在鹽度傳感探頭上采用了折射率差動(dòng)測量和激光擴(kuò)束單元的設(shè)計(jì)，可以有效消除溫度和深度對鹽度檢測結(jié)果的影響．理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：折射光線偏移量d和海水鹽度S之間存在定量關(guān)系，通過改變透鏡焦距或增大平凹透鏡與楔形水槽傾斜玻璃面的間距可提高系統(tǒng)裝置的分辨率．檢測系統(tǒng)具有體積小、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，有望在遠(yuǎn)海及深海定點(diǎn)式鹽度檢測方面發(fā)揮作用．