基于拉絲塔光纖光柵的準分布式溫鹽傳感器

王宇琦，潘震，戢雅典，范典，周次明

（1 武漢理工大學 光纖傳感技術與網絡國家工程研究中心， 武漢 430070）

（2 武漢理工大學 信息工程學院， 武漢 430070）

0 引言

海洋占據了地球總面積的約71%，對海洋資源的開發(fā)利用日益受到世界各國的重視。提高海洋認知能力，研究和開發(fā)用于海洋觀測的傳感器技術及檢測設備，是建設海洋強國、實現“透明海洋”戰(zhàn)略的重要內容。海水溫度和鹽度是所有海洋學科所必需的最關鍵、最基本的物理參數，對研究海洋氣候變化、監(jiān)測海洋生態(tài)環(huán)境、開發(fā)利用海洋資源、保障軍事安全等都具有重要的理論價值和現實意義［1-2］，開發(fā)用于海水參數測量的高性能傳感器已經成為研究熱點之一。

目前，電化學傳感器是測量海水參數的主要方式［3-4］，它們具有測量精度高和實用性廣的特點。這類傳感器雖然發(fā)展相對成熟，但易受電磁干擾和海水腐蝕，而且海水中其他導電離子也會引起電導率的測量誤差［5-6］。此外，為了滿足大面積海洋溫鹽數據獲取的需求，通常需要復用多個傳感器進行組網，這極大地增加了經濟成本，性價比較低。

近年來，光纖傳感方法為物理參數的高精度測量提供了一種新的解決方案，它具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、實時分布式測量等優(yōu)點［7-9］。目前被廣泛研究的光纖溫鹽傳感器主要有干涉型光纖溫鹽傳感器和光纖光柵型溫鹽傳感器。干涉型光纖溫鹽傳感器主要分為馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）溫鹽傳感器，法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Perot Interferometer，FPI）溫鹽傳感器和賽格納克干涉儀（Segnac Interferometer，SI）溫鹽傳感器。國內外研究學者通過對光纖進行拉錐、反拉錐、側邊拋磨、錯位熔接、芯徑失配熔接等光纖微加工處理實現了光纖干涉儀的設計，其中MZI 因其簡單的光學結構和優(yōu)良的性能成為了干涉儀中研究最廣泛的一種。2019年，LIU Tianqi 等［10］結合非絕熱錐形和兩種不同光纖之間的模場失配，提出了一種拼接點錐形光纖MZI，實現了海水溫度和鹽度的同時測量。2021年，ZHENG Hongkun等［11］提出了一種由兩個Fabry-Perot 腔組成的反射式光纖溫鹽傳感器，通過將錯位熔接制造的F-P 腔暴露在環(huán)境中直接感測環(huán)境鹽度，另一個用于補償溫度產生的耦合效應。同年，YANG Chengkun 等［12］提出了一種基于級聯保偏光纖（Polarization Maintaining Fiber，PMF）錐形的SI，用于同時測量海水鹽度和溫度。當傳感器周圍海水鹽度發(fā)生變化時，PMF 錐體漸細區(qū)域的相關折射率差也會相應變化，最終導致輸出光譜偏移。上述干涉型光纖溫鹽傳感器具有靈敏度高等優(yōu)點，且取得了一定的研究成果，但普遍存在制作難度大、結構穩(wěn)定性差等問題［13］，難以滿足海洋工程的應用需求。

相較而言，光纖光柵型溫鹽傳感器主要是基于光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）設計的，單個FBG 即可構成一個傳感器，其制作更簡單，結構更穩(wěn)定，環(huán)境適應性更強。但普通的FBG 只對溫度和應變敏感，對鹽度不敏感。為了監(jiān)測環(huán)境中的鹽度變化，一些學者將濕敏材料涂覆在光纖光柵表面來實現鹽度的測量。常見的濕度敏感材料有聚酰亞胺［14］、聚乙烯醇［15］和明膠［16］等，這些濕敏材料會隨著環(huán)境濕度的變化產生可逆的體積線性膨脹和收縮。當把涂覆這些濕敏材料的光纖光柵放入海水中，鹽度的變化引起濕敏材料吸水膨脹或失水收縮，進而使光纖光柵縱向應力發(fā)生變化，最終導致其中心波長發(fā)生偏移。因此，可以通過濕敏材料涂敷的光纖光柵反射光中心波長偏移來實現環(huán)境中鹽度的測量。其中，聚酰亞胺由于具有較強的耐熱性和較理想的疏水性而被廣泛應用于海水的鹽度測量中。2008年，MEN Liqiu 等［17］通過兩個不同涂敷材料的FBG 級聯來同時測量海水的溫度和鹽度，但丙烯酸酯涂層具有非線性的濕度敏感性和強烈的溫度依賴性［18］，導致最終測量的數據準確性不高。2011年，WU Chuang 等［19］利用聚酰亞胺涂層的保偏光子晶體光纖（Polarization-Maintaining Photonic Crystal Fiber，PM-PCF）結合FBG 的方法實現了海水溫度和鹽度的同時測量。2017年，LUO Dong 等［20］提出了一種基于聚酰亞胺薄膜蝕刻FBG 的光纖溫鹽傳感器，但蝕刻后的FBG 機械強度較低，導致傳感器的穩(wěn)定性較差，不能長期使用。上述的光纖光柵溫鹽傳感器雖然具有良好的機械強度和鹽度敏感性，但目前光纖光柵溫鹽傳感器多采用的是反射率較高的強FBG，只能進行離散點測量，無法實現分布式傳感。

基于此，本文提出了一種基于拉絲塔光纖光柵（Drawing Tower Grating，DTG）的準分布式溫鹽傳感器，將PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 集成到單根光纖中以形成溫鹽度傳感元件。計算鹽度和溫度的數學矩陣，作為該傳感器的分析方法，并將其應用于海水的鹽度和溫度測量。此外，由于拉絲塔光纖光柵反射率極低，可盡量減少高階串擾，滿足大規(guī)模復用的需要，具有良好的海洋工程應用前景，可以實現海水溫度和鹽度的實時、準分布式測量。

1 原理分析

為了使DTG 對鹽度產生響應，本文選擇聚酰亞胺作為DTG 的涂敷材料。聚酰亞胺是一種較理想的疏水性高分子材料，它具有良好的耐熱性和耐水解性。在不同濃度的鹽溶液中，聚酰亞胺中的水分子會發(fā)生積累或擴散，其體積會發(fā)生線性膨脹或收縮［17］。當溶液的鹽度值不變時，聚酰亞胺與溶液之間的水交換會達到動態(tài)平衡，聚酰亞胺中水的濃度最終會趨于一個穩(wěn)定值。當聚酰亞胺從低鹽度溶液中轉移到高鹽度溶液時，由于聚酰亞胺中水的濃度與周圍溶液的濃度不同，水會從聚酰亞胺中擴散到溶液中，這將導致聚酰亞胺的體積收縮。反之，聚酰亞胺則會吸水而導致體積膨脹。

聚酰亞胺在溶液中的水交換是一個擴散過程，符合一維菲克第二定律［21］

式中，c是水的濃度，D是擴散系數，t是擴散時間。該模型假設涂層厚度是恒定的；涂層和DTG 之間的界面是不可滲透的；涂有聚酰亞胺涂層的光纖可以看成一個圓柱體，水沿圓柱體徑向擴散。式（1）柱坐標下表示為

式中，r是輻射半徑。在時間為t時，溶液中水分擴散到聚酰亞胺涂層中r處的邊界條件為c(a

當光纖沒入溶液中時，可視為光纖外溶液的濃度保持穩(wěn)定不變。此時外界環(huán)境中的水會擴散進入光纖涂層中，最終達到一個平衡狀態(tài)。由式（2）可得到此時涂層中水濃度ci0為［17］

式中，erfc 是互補誤差函數。此時，若容器里的溶液鹽度增加，聚酰亞胺涂覆層中的水濃度將會高于外界溶液。因此水會從涂覆層擴散到外界溶液中，直到形成一個新的平衡狀態(tài)。此時，涂層中的水濃度ci1為

式中，erf 是高斯誤差函數。因此在溶液濃度改變過程中，聚酰亞胺涂層中的水濃度變化可表示為

當環(huán)境溫度恒定時，隨著外界溶液鹽度增加，包覆光柵外側聚酰亞胺涂層中的水濃度也會發(fā)生變化。為了使涂層和外界溶液中水濃度達到平衡，聚酰亞胺涂層中的水分會釋放導致其體積收縮，對DTG 產生徑向壓力和軸向應變。而DTG 的徑向壓力可忽略不計，因此布拉格波長藍移是由聚酰亞胺收縮產生的負軸向應變造成的［21］。

式中，L是光纖的長度，?L是聚酰亞胺涂層體積變化導致光纖縱向的變化量。故鹽度變化引起DTG 中心波長的偏移為

式中，λB是光纖光柵的中心波長，ΔλB是光纖光柵中心波長的偏移量，Pe是光纖的有效彈光系數。

在實際鹽度的測量過程中，環(huán)境溫度也會發(fā)生變化，溫度的變化會引起DTG 材料的熱光效應和熱膨脹效應產生變化，最終導致DTG 中心波長的偏移。由于PI 涂敷DTG 能夠同時感受到鹽度和溫度的變化，則其引起的λB偏移可以表示為［17］

式中，KS，PI是PI 涂敷DTG 的鹽度靈敏度，KT，PI是PI 涂敷DTG 的溫度靈敏度，?T和?S是分別是環(huán)境溫度和鹽度的變化量。

為了準確地測量外界溶液的鹽度，可使用僅對溫度敏感的無涂敷DTG 進行溫度補償。因此，可以使用以下矩陣實現溫度補償

式中，KT，DTG是無涂敷DTG 的溫度靈敏度，ΔλDTG和ΔλPI分別是無涂敷DTG 和PI 涂敷DTG 中心波長的偏移量。

2 實驗系統(tǒng)與傳感器制作

本文制作的準分布式溫鹽傳感器如圖1 所示，該傳感器由兩根不同涂敷材料的光纖熔接構成，其光纖直徑均為125 μm。其中，聚酰亞胺涂敷的光纖用來測量海水鹽度的變化，PI 涂層的厚度為12.5 μm；而丙烯酸脂涂敷的普通光纖用來測量海水的溫度并解決PI 溫度串擾，丙烯酸脂涂層的厚度為62.5 μm。但實驗證明鹽度對丙烯酸酯涂層也有影響［18］，在鹽水中會吸水或者失水。因此，為了得到溶液中準確的溫度值，將普通光纖在光柵處的丙烯酸酯涂敷剝除，成為無涂敷DTG。

圖1 基于拉絲塔光纖光柵的溫鹽傳感器示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature and salt sensor based on GTG

該傳感器使用的光纖光柵為拉絲塔在線拉制的低反射率光柵［22］，圖2 為PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 的輸入光功率和反射光功率譜圖。

圖2 拉絲塔光纖光柵輸入光功率譜和反射光功率譜圖Fig.2 Input optical power spectrum and reflected optical power spectrum of drawing tower fiber grating

本文選擇7 個PI 涂敷DTG 用來檢測鹽度，柵距為2 m，6 個無涂敷的DTG 用于測量海水溫度，柵距為1 m。溫度和鹽度測量的實驗系統(tǒng)如圖3 所示，其中左圖為溫度測量系統(tǒng)，右圖為鹽度測量系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)主要由光纖光柵溫鹽傳感器、電子溫度傳感器、光纖光柵陣列解調儀、恒溫水箱和計算機組成。在實驗過程中，將傳感器卷成直徑約為9 cm 的小圓圈，通過光纖光柵陣列解調儀實時解調出光纖光柵的中心波長，其數據由計算機實時采集和記錄。測量中使用的光纖光柵陣列解調儀的型號為FBGDS-3000，購于武漢烽理光電技術有限公司，其儀表波段為1 549～1 553 nm，響應時間為1 s，空間分辨率為1 m。在測量溫度時，所使用的恒溫水箱的型號為RTS-0515，購于南京舜瑪儀器有限公司，其溫度測量范圍為?5～100 ℃，溫度波動度為±0.005～0.010 ℃。在溫度補償系數測量實驗中，把恒溫水箱中裝滿去離子水，將設計的傳感器放入從25 ℃到30 ℃再回到25 ℃的循環(huán)溫度場中，步長為1 ℃。為了模擬傳感器實際的工作環(huán)境，選擇在室溫環(huán)境中測量鹽度的變化。將傳感器沒入2 L 的燒杯中，該燒杯中裝有200 ml 濃度為5 mol/L 的NaCl 溶液。另外制備了五組溶液，將這些溶液依次倒入2 L 的燒杯中，可將杯中溶液逐漸稀釋至4 mol/L，3 mol/L，2 mol/L，1 mol/L，0.6 mol/L。在整個溫鹽測量過程中，將電子溫度傳感器放置在光纖傳感器附近來測量環(huán)境中的實際溫度。以電子溫度傳感器測得的溫度值進行標定，并與光纖傳感器測得的溫度進行對比。本文使用的電子溫度傳感器為青島道萬科技有限公司的DW1222，其測量范圍為?2～35 ℃，測量精度為0.01 ℃，響應時間為200 ms，可實時在線監(jiān)測和記錄溫度數據。

圖3 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental system

3 實驗結果與討論

3.1 溫度補償系數測量

將光纖傳感器放入裝滿去離子水的恒溫箱中，其溫度恒定在25 ℃，浸泡30 min 使聚酰亞胺充分吸水膨脹后，再開始進行溫度實驗。改變恒溫水箱的設定溫度，將溫度從25 ℃逐漸升至30 ℃，再降回25 ℃，步長為1 ℃。由于恒溫箱降低1 ℃需要的時間約為升高1 ℃的2 倍，故升溫時每梯度測量時間為10 min，降溫時每梯度的測量時間為15 min，使其在溫度穩(wěn)定時數據采集的時間基本相同。在溫度測量過程中，將電子溫度傳感器放置在光纖傳感器附近，同步記錄恒溫箱中溫度的實際變化。

圖4（a）和（c）分別為PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 隨溫度改變其中心波長偏移量的變化曲線。由圖4 可知，PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 的中心波長偏移量隨著溫度升高而增大，隨著溫度下降而減小，可以實時的反映溫度的變化。此外，DTG1～DTG13 在相同溫度場下其中心波長數據時域特性良好，而且隨溫度變化的整體趨勢基本一致，這表明將光纖光柵進行級聯并沒有影響光柵的性能，可以實現溫度的實時、準分布式的測量。

圖4 光纖傳感器的溫度響應Fig.4 Temperature response of fiber optic sensor

溫度在25 ℃～30 ℃的范圍內，步長為1 ℃，對監(jiān)測的溫度數據進行線性擬合，其結果分別如圖4（b）和（d）所示，其中圖4（b）為PI 涂敷DTG 的線性擬合，圖4（d）為無涂敷DTG 的線性擬合，斜率表示傳感器的溫度靈敏度。表1 和表2 分別展示了PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 溫度響應的擬合結果。由圖可知，PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 隨溫度的改變呈線性響應。從擬合結果可知，PI 涂敷DTG 的平均溫度靈敏度約為10.24 pm/℃，無涂敷DTG 的平均溫度敏感度約為10.02 pm/℃。PI 涂敷的DTG 溫度靈敏度略高，是因為除了光纖光柵本身對溫度產生響應外，PI 涂層還會隨著溫度的變化而膨脹和收縮。

表1 PI 涂敷DTG 溫度響應的線性擬合結果Table 1 Linear fitting results of PI coated DTG temperature response

表2 無涂敷DTG 溫度響應的線性擬合結果Table 2 Linear fitting results of uncoated DTG temperature response

為了體現光纖傳感器在溫度測量方面的優(yōu)越性，從PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 中各選擇一個DTG 與電子溫度傳感器的測量結果進行比較。圖5 為光纖傳感器與電子式溫度傳感器的溫度響應對比圖，其中黑線和紅線分別表示溫度連續(xù)變化時DTG1 和DTG8 中心波長偏移量的變化，藍線表示水溫不斷變化時電子溫度傳感器測得的實際溫度值。

圖5 電子傳感器與光纖傳感器的溫度響應對比Fig.5 Comparison of temperature response of electronic sensor and fiber optic sensor

從圖5 可知，在溫度測量中，DTG1 和DTG8 中心波長偏移量與電子溫度傳感器測量溫度值的變化基本一致，表明設計的光纖傳感器可以實時地反映溫度的實際變化。而且，相比于電子溫度傳感器，光纖傳感器中一個DTG 就可以作為一個溫度傳感器，其尺寸更小，復用更簡單。然而，光纖傳感器在溫度上升和下降階段呈現為不對稱的梯形，這是因為恒溫水箱在降低相同溫度時所需要的時間比升溫時更長。為了使熱循環(huán)時每個溫度梯度的穩(wěn)定時間基本相同，將升1 ℃的測量時間設為10 min，而降1 ℃設為15 min。而且，不論是升溫還是降溫，當到達同一溫度時，DTG 的中心波長偏移量的變化基本一致，說明DTG 在升溫和降溫時的靈敏度保持一致，DTG 在溫度測量中良好的重復性。在熱循環(huán)中，溫度每變化1 ℃時，DTG 相應中心波長的偏移都在10 pm 左右，表明傳感器在測量溫度變化時具有很高的穩(wěn)定性。在實驗過程中，由于光纖陣列溫度解調儀的精度有限，分辨率只有1 pm，所以傳感器的溫度分辨率為0.1 ℃。

3.2 溫度和鹽度測量

將光纖傳感器浸泡在去離子水中10 min 后取出，放入5 mol/L 的高濃度NaCl 溶液中，使聚酰亞胺充分失水收縮。再加入去離子水或者低濃度的NaCl 溶液，使其逐漸稀釋至4 mol/L，3 mol/L，2 mol/L，1 mol/L，0.6 mol/L，觀察其鹽度響應。其中每個鹽度下的測量時間為20 min。不使用固體NaCl，是因為它溶解在水中需要較長的時間，在影響響應時間的同時也會影響其測量精度。在測量過程中，將電子溫度傳感器放置在光纖傳感器的附近，以感測環(huán)境溫度的變化。

無涂敷DTG 的實際測溫性能如圖6 所示，圖6 表明光纖傳感器溫度的應用值和電子溫度傳感器測量值之間的變化一致性。因為室溫環(huán)境下的溫度會在1 ℃以內微小變化，而光纖陣列波長解調儀的精度有限，分辨率只有1 pm，所以偏移量的變化曲線會出現一些毛刺，導致曲線不太平滑。

圖6 電子傳感器測得溫度與無涂敷DTG 波長偏移量的對比Fig.6 Comparison of temperature measured by electronic sensor and wavelength shift of uncoated DTG

光纖傳感器中PI 涂敷DTG 測量的鹽度響應如圖7 所示。由圖7 可知，PI 涂敷DTG 中心波長的偏移量與鹽度的線性關系并不好，這是由于鹽度的測量是在室溫環(huán)境下進行的，并沒有進行控溫，在每個鹽度梯度下的溫度并不相同。

圖7 未進行溫度補償的PI 涂敷DTG 測量的鹽度響應Fig.7 Salinity response of PI-coated DTG measurements without temperature compensation

將表1 和表2 得出的溫度靈敏度與設定的鹽度值代入式（9），使用式（10）進行溫度補償。其中，標定的溫度為25 ℃，鹽度為0 mol/L。

式中，T為裸DTG 測得的溫度，S為調配的鹽度，?λFBG和?λPI的單位用pm 表示，?T的單位用℃表示，?S和S的單位用mol/L 表示。基于式（10），可以同時確定環(huán)境溫度和PI涂敷DTG 在鹽度影響下的中心波長的偏移量。

圖8 顯示了溫度補償后PI 涂敷DTG 的鹽度響應。其中，圖8（a）為溫度補償后PI 涂敷DTG 隨時間的波長響應，圖8（b）為PI 涂敷DTG 在4 mol/L 下隨時間的波長響應。從圖8（a）可知，DTG1～DTG7 在相同鹽度下其波長數據時域特性良好，而且隨鹽度變化的整體趨勢基本一致，這表明將光纖光柵進行級聯并沒有影響光柵的性能，可以實現鹽度的實時、準分布式的測量。從圖8（b）可知，PI 涂敷DTG 在不同鹽度下的波長變化趨勢可分為跳變階段，響應階段和穩(wěn)定階段三個階段。跳變階段是因為加水操作時，水的沖擊力會對PI 涂敷DTG 造成影響，隨著燒杯內溶液的增加，水的沖擊力對PI 涂敷DTG 的影響減小。不穩(wěn)定階段是指PI 涂敷DTG 響應鹽度的時間段，穩(wěn)定階段是指PI 涂敷DTG 在當前鹽度下已經穩(wěn)定的時間段。

圖8 溫度補償后的PI 涂敷DTG 測量的鹽度響應Fig.8 Salinity response of temperature-compensated PI-coated DTG measurements

從PI 涂敷DTG 中隨機選擇一個DTG 的測量結果與設定鹽度值進行比較。圖9 為DTG7 隨鹽度變化的動態(tài)響應變化，其中綠線為溫度補償后PI 涂敷DTG 中心波長偏移量的變化曲線，紅線為設定鹽度值的變化。當傳感器從去離子水中移入5 mol/L 的NaCl 溶液中時，PI 涂敷DTG 的不穩(wěn)定階段所用時間更長，是由于溶液中濃度跨度太大，PI 涂敷DTG 的響應所需時間更長。當PI 涂敷DTG 在梯度相同的不同鹽度下的穩(wěn)定階段基本一致，平均穩(wěn)定時間為16 min。此外，穩(wěn)定區(qū)PI 涂敷DTG 在梯度相同的相鄰鹽度曲線之間的距離相似，表明穩(wěn)定波長與鹽度之間存在良好的線性關系。且PI 涂敷DTG 在去離子水中時的中心波長偏移量大于在0.6 mol/L 的NaCl溶液中時，這些結果驗證了PI 涂敷DTG 測試結果在鹽度傳感中良好的重復性。

圖9 DTG7 隨鹽度變化的動態(tài)響應變化Fig.9 Dynamic response process of DTG7 with salinity

如圖10 所示，將溫度補償后的結果進行線性擬合，表3 展現了其線性擬合結果?；趫D10 的擬合結果，可以看出PI 涂敷DTG 的中心波長偏移量隨鹽度的變化呈線性關系，符合PI 的線性吸濕膨脹特性，證明了該溫度補償方案的有效性，表明了該傳感器可以實現鹽度的準確測量。同時也進一步證明了溶液中PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 的溫度依賴性分別滿足圖4（b）和（d）中顯示的線性關系，表明該傳感器可以實現溫度的精確測量。從表3 可以看出，溫度補償后PI 涂敷DTG 的平均鹽度靈敏度約為?5.58 pm/（mol/L）。

表3 溫度補償后鹽度響應的線性擬合結果Table 3 Linear fitting results of the salinity response after temperature compensation

圖10 溫度補償后的鹽度響應Fig.10 Salinity response after temperature compen?sation

本文提出的光纖傳感器與現有文獻之間的比較如表4 所示。從表4 可知，與其他傳感器相比，該傳感器的結構簡單，可以準分布式測量海水的溫度和鹽度，具有較強的實用性。但是，該傳感器對鹽度的靈敏度較低，未來將探索提高鹽度敏感度的方法。例如，增加PI 涂層的厚度，以較長的響應時間為代價，可以進一步提高其鹽度敏感性。較厚的涂層會產生較大的壓力，從而導致較高的鹽度敏感性。靈敏度隨著厚度的增加而增強，但對鹽度的響應也需要更長的時間。也可以適當減小光纖的直徑，在PI 涂層厚度不變的情況下，適當減小光纖包層的厚度，纖芯中光柵周圍包層的表面積會極大減小，導致相同鹽度變化產生的壓力對光柵作用力更大，使得中心波長偏移量增大，進而提高傳感器對鹽度的靈敏度。此外，對聚酰亞胺薄膜進行摻雜增加其親水性能，也能增加鹽度敏感度。同時考慮到無涂敷DTG 較弱的機械性能，也將進一步研究其封裝方法。

表4 一些具有代表性的溫度和鹽度傳感器的性能Table 4 Performance of some representative temperature and salinity sensors

本文將多個PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 直接串聯構成了海水溫鹽準分布式傳感器，雖然海水溫度呈垂直分布的特點，海水溫度在表面最高，平均為18 ℃左右，隨深度增加其溫度呈非線性的下降，在深度4 000 m以下平均溫度為1.5 ℃左右［24］。但在傳感器測量深度范圍內海水的溫度變化可忽略不計，故該傳感器可以實現海水溫度的精確測量與補償，具有一定的實用性。

4 結論

本文提出了一種基于拉絲塔光纖光柵的準分布式溫鹽傳感器，該傳感器以PI 涂敷的DTG 作為鹽度傳感元件，PI 涂層在與不同鹽度的溶液接觸時體積會膨脹或收縮，由鹽度變化引起的膨脹或收縮反應被轉換為加載在PI 涂敷DTG 上的軸向應變，通過監(jiān)測其中心波長的漂移來準分布地測量鹽度。在溫度補償系數測量實驗中，PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 都能精確測量出環(huán)境溫度，且一致性良好，其溫度靈敏度分別平均為10.24 pm/℃和10.02 pm/℃。在溫鹽同時測量實驗中，整個系統(tǒng)處于室溫環(huán)境，沒有進行控溫操作，該傳感器仍能準確測量出溶液的溫度，補償后得到的鹽度靈敏度平均為?5.58 pm/（mol/L）。實驗證明，該傳感器可以同時實時準分布式測量海水的溫度和鹽度，同時還具有測量范圍廣、測量準確度高、易于制造等優(yōu)點，在海洋工程中有一定的應用前景。