海水鹽度的檢測裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種海水鹽度的檢測裝置與方法。包括產(chǎn)生波長為500nm-2400nm連續(xù)光信號(hào)的超連續(xù)光源與依次相連接光纖跳線，經(jīng)由連接器連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的尾端拉制成微納光纖環(huán)形腔，微納光纖環(huán)形腔末端與另一標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的首端微納光纖憑借靜電力和范德華力粘合，再經(jīng)過一個(gè)連接器和另一光纖跳線接入光譜分析儀。將微納光纖環(huán)形腔浸入到海水中，開啟超連續(xù)譜光源產(chǎn)生連續(xù)光信號(hào),在微納光纖環(huán)形腔中產(chǎn)生系列的諧振，經(jīng)光譜儀掃描獲得被測海水的諧振曲線光譜圖，讀出被測海水諧振峰的波長λ，計(jì)算得到海水的鹽度值。本發(fā)明將微納光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到海水鹽度測量中來，具有體積小，成本低，靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】海水鹽度的檢測裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海水鹽度檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來說是一種基于微納光纖環(huán)形腔的海水 鹽度的檢測裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 海水鹽度是海水的重要特性，是研究海水物理、化學(xué)性質(zhì)及其有關(guān)過程的重要參 數(shù)。海洋中發(fā)生的許多現(xiàn)象和過程，如海洋生物遷徙，海水養(yǎng)殖，海洋內(nèi)波的產(chǎn)生，海洋洋流 等常與鹽度分布和變化有關(guān)，因此海水鹽度的精確測量在海洋環(huán)境保護(hù)與生態(tài)治理、海洋 漁業(yè)、海洋氣候等實(shí)際生產(chǎn)和科研方面有著重要作用。
[0003] 現(xiàn)有的測量海水鹽度的方法有溫鹽深儀法、微波遙感技術(shù)、表面等離子體共振法、 鹽度敏感材料法、光纖布拉格光柵法等。溫鹽深儀法是目前常用于現(xiàn)場測量海水鹽度的方 法，通過測量電導(dǎo)率來實(shí)現(xiàn)鹽度測量，其穩(wěn)定性和分辨率高，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴且體積較大， 不能測量海表面鹽度以及海洋內(nèi)部微區(qū)鹽度。微波遙感技術(shù)利用微波輻射計(jì)測量海水的亮 溫，通過反演得到海水鹽度。該方法適用于海水鹽度的大面積測量，具有全天時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，但 由于微波穿透能力弱，該方法僅限于海水表面的鹽度反演，精度不高。表面等離子體共振檢 測法通過檢測由等離子體共振產(chǎn)生的共振波長來測量海水鹽度，該方法容易受到溫度因素 的干擾。鹽度敏感材料間接測量法通過制備對(duì)鹽度敏感的水凝膠來實(shí)現(xiàn)鹽度測量，該方法 測量精度高，缺點(diǎn)是水凝膠制備復(fù)雜且反應(yīng)時(shí)間較長。光纖布拉格光柵鹽度傳感法的測量 原理是海水鹽度的變化使得光纖光柵的應(yīng)力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同的軸向應(yīng)變，使得布 拉格波長發(fā)生變化。通過測量布拉格波長可以反演得到鹽度。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、成本低， 缺點(diǎn)是易受溫度影響、靈敏度不高和響應(yīng)時(shí)間較長。綜上所述，目前檢測海水鹽度存在如下 問題：儀器笨重、響應(yīng)時(shí)間較長、價(jià)格昂貴、對(duì)海洋微區(qū)不能現(xiàn)場測量和靈敏度不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是提供一種檢測海水鹽度的裝置與方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0005] 本發(fā)明通過利用微納光纖的強(qiáng)倏逝場與海水相互作用，在微納光纖環(huán)形腔中產(chǎn)生 諧振現(xiàn)象，以諧振波長來計(jì)算海水鹽度。當(dāng)微納光纖環(huán)形腔直徑越小，倏逝場越強(qiáng)，檢測靈 敏度越高。由于微納光纖環(huán)形腔只有毫米量級(jí)尺度，因此能夠?qū)崿F(xiàn)海洋微區(qū)鹽度檢測。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明其特征在于，包括產(chǎn)生波長為500nm-2400nm連續(xù)光 信號(hào)的超連續(xù)光源與依次相連接光纖跳線，經(jīng)由連接器連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，標(biāo)準(zhǔn)單模光 纖的尾端拉制成微納光纖環(huán)形腔，微納光纖環(huán)形腔末端與另一標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的首端微納光 纖憑借靜電力和范德華力粘合一起，再經(jīng)過一個(gè)連接器和另一光纖跳線接入光譜分析儀。
[0007] 首先進(jìn)行定標(biāo)：配置鹽度為20%。、25%。、30%。、35%。、40%。、45%。的標(biāo)準(zhǔn)氯化鈉溶 液，將本發(fā)明的微納光纖環(huán)形腔分別浸入氯化鈉溶液中，開啟超連續(xù)光源，光譜分析儀掃描 得到各個(gè)鹽度下的諧振光譜曲線，讀取各個(gè)鹽度的某一個(gè)特定諧振峰的波長，獲得諧振峰 波長與海水鹽度的線性關(guān)系。當(dāng)海水鹽度改變?chǔ)?S，諧振峰波長對(duì)應(yīng)改變?chǔ)?λ，二者的比值 定義為檢測海水鹽度靈敏度，即Ss = Λ λ / Λ S。以\ = 20%。氯化鈉溶液的諧振峰波長為 基準(zhǔn)，定義為入〇。
[0008] 海水鹽度測量方法：將本發(fā)明的微納光纖環(huán)形腔浸入到海水中，開啟超連續(xù)光源 產(chǎn)生波長為500nm-2400nm連續(xù)光信號(hào)，在微納光纖環(huán)形腔中產(chǎn)生系列的諧振，經(jīng)光譜分析 儀掃描獲得被測海水的諧振光譜圖，讀出被測海水諧振峰的波長λ，通過諧振波長的改變 量Λ λ = λ-λ^，計(jì)算得到海水溶液的鹽度值S，即
[0009] S = ( Δ λ /Ss) +S〇
[0010] 本發(fā)明通過測量諧振峰波長實(shí)現(xiàn)海水鹽度測量，其測量鹽度的靈敏度與光纖半 徑、檢測波長有關(guān)。光纖半徑越小、檢測波長越長，其檢測鹽度的靈敏度越高。
[0011] 本發(fā)明將微納光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到海水鹽度測量中來，與已有技術(shù)相比，具有體 積小，成本低，靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海水鹽度微區(qū)現(xiàn)場測量，拓展了海水鹽度測 量的領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做作進(jìn)一步說明。
[0013] 圖1.本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2.本發(fā)明的微納光纖環(huán)形腔與鄰區(qū)結(jié)構(gòu)連接關(guān)系示意圖。
[0015] 圖3.不同海水鹽度下環(huán)形腔的諧振光譜圖。
[0016] 圖4.光譜分析儀測量的諧振波長與鹽度線性關(guān)系示意圖。
[0017] 其中，1光纖跳線，2連接器，3標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，4微納光纖環(huán)形腔，5標(biāo)準(zhǔn)單模光纖， 6光纖跳線，7海水樣品池，8超連續(xù)光源，9光譜分析儀。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 如圖1、圖2,本發(fā)明的海水鹽度檢測裝置包括產(chǎn)生波長為500nm-2400nm連續(xù)光信 號(hào)的超連續(xù)光源8與依次相連接的光纖跳線1，經(jīng)由連接器2連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3,標(biāo)準(zhǔn) 單模光纖3的尾端是拉制成微納光纖環(huán)形腔4,該微納光纖環(huán)形腔4末端與另一標(biāo)準(zhǔn)單模光 纖5的首端微納光纖憑借靜電力和范德華力粘合一起，再經(jīng)過一個(gè)連接器2和另一光纖跳 線6接入光譜分析儀9。
[0019] 上述超連續(xù)光源8的型號(hào)是SuperKTM Compact，其發(fā)射光波波長范圍為 500nm-2400nm，總平均輸出功率100mw。
[0020] 上述光譜分析儀9的型號(hào)是AQ6370C，探測的波長范圍600-1700nm，波長分辨率為 0. 02nm。
[0021] 上述連接器2為單模光纖FC/PC型連接器。
[0022] 利用本發(fā)明進(jìn)行海水鹽度測量時(shí)，先要將微納光纖環(huán)形腔4浸入海水中，由超連 續(xù)光源8發(fā)出波長為500nm-2400nm的連續(xù)光，經(jīng)微納光纖環(huán)形腔4時(shí)產(chǎn)生諧振，在光譜分 析儀9中掃描到系列的諧振峰，選擇波長接近1550nm的諧振峰，當(dāng)海水鹽度不同時(shí)，能夠在 光譜分析儀上探測到諧振峰不同波長。
[0023] 通過測量已知鹽度的氯化鈉溶液諧振峰波長，獲得諧振峰波長與海水鹽度的線性 關(guān)系，如圖4。以20%。氯化鈉溶液的諧振峰波長為基準(zhǔn)，定義為λ ^，進(jìn)而再探測未知海水鹽 度的諧振波長λ，計(jì)算得到海水鹽度。
[0024] 如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3的尾端拉制成的微納光纖環(huán)形腔4,其環(huán)形腔直徑限 制在0. 5mm-l. 5_，微納光纖直徑在1-4 μ m。制作好的微納光纖環(huán)形腔4的尾端與單模光 纖5首端的微納光纖憑借靜電力和范德華力粘合。
[0025] 如圖3所示，微納光纖環(huán)形腔4在海水中會(huì)發(fā)生諧振效應(yīng)，連續(xù)光信號(hào)輸入微納光 纖環(huán)形腔4,其輸出光譜為系列等間距的諧振峰，選定波長接近1550nm的一組諧振峰進(jìn)行 海水鹽度檢測。也就是說，不同鹽度海水中的微納光纖環(huán)形腔諧振波長不同，通過檢測某一 諧振峰的波長來實(shí)現(xiàn)鹽度測量。
[0026] 如圖4所示，不同鹽度下某一諧振峰的波長會(huì)發(fā)生變化，且諧振峰波長與海水鹽 度關(guān)系是線性的。因而，通過本發(fā)明的裝置就能實(shí)現(xiàn)海水鹽度測量。圖中擬合直線的斜率 就是測量的靈敏度，所以通過氯化鈉溶液的20%。鹽度的諧振峰波長為基準(zhǔn)，就可以檢測未 知海水的鹽度。
[0027] 實(shí)施例1
[0028] 本發(fā)明包括產(chǎn)生波長為500nm-2400nm連續(xù)光信號(hào)的超連續(xù)光源8與依次相連接 光纖跳線1，經(jīng)由連接器2連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3,標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3的尾端是拉制成微納光 纖環(huán)形腔4,該微納光纖環(huán)形腔4末端與另一標(biāo)準(zhǔn)單模光纖5的首端微納光纖相連，再經(jīng)過 一個(gè)連接器2和另一光纖跳線6接入光譜分析儀9
[0029] 利用酒精燈加熱標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3,緩慢拉伸后制得直徑為3. 6 μ m的微納光纖，在 顯微鏡下將其打環(huán)形成直徑為1. 2mm的微納光纖環(huán)形腔4。將另一根單模光纖5首端拉制 成微納光纖，將微納環(huán)形腔末端與該微納光纖憑借靜電力和范德華力粘合。粘合的兩段微 納光纖的直徑越接近損耗越小。
[0030] 上述超連續(xù)光源8 (SuperKTM Compact,光波長為500nm-2400nm)發(fā)出的光信號(hào)通 過光纖跳線1進(jìn)入到單模光纖3后傳到微納光纖環(huán)形腔4,將微納光纖環(huán)形腔4放置于不同 鹽度的海水中，微納光纖環(huán)形腔4產(chǎn)生的諧振譜經(jīng)單模光纖5和光纖跳線6傳送到光譜分 析儀9 (AQ6370C)，利用光譜分析儀9檢測到諧振曲線。其諧振峰波長依次為1529. 084nm、 1529. 116nm、1529. 128nm、1529. 144nm、1529. 156nm、1529. 164nm，對(duì)應(yīng)的海水鹽度分別為 26. 8%。、31. 3%。、35. 6%。、37. 7%。、39. 7%。和41. 6%。，得到不同鹽度下的微納環(huán)形腔輸出諧振 光譜如圖3所示。從圖中可以看到微納環(huán)形腔的諧振效應(yīng)是非常明顯的。對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分 析得到諧振波長與鹽度的關(guān)系如圖4所示，靈敏度為5. 3pm/%。。
[0031] 本發(fā)明通過減小微納光纖半徑可以得到更高的鹽度靈敏度。在技術(shù)上拉制出直徑 為2. 5 μ m的光纖，并將其打環(huán)形成環(huán)直徑約為0. 5mm的環(huán)形腔，其探測極限可達(dá)0. 2%。，靈 敏度達(dá)到17. 4pm/%。。
【權(quán)利要求】
1. 一種海水鹽度的檢測裝置，其特征在于包括產(chǎn)生波長為500nm-2400nm連續(xù)光信號(hào) 的超連續(xù)光源（8)與依次相連接光纖跳線（1)，憑借連接器（2)連接的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（3)， 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（3)的尾端拉制成微納光纖環(huán)形腔（4)，該微納光纖環(huán)形腔（4)末端與另一標(biāo) 準(zhǔn)單模光纖（5)的首端微納光纖相連，再經(jīng)過一個(gè)連接器（2)和另一光纖跳線（6)接入光 譜分析儀（9)。
2. 如權(quán)利要求1所述的海水鹽度的檢測裝置，其特征在于上述超連續(xù)光源（8)的型號(hào) 是SuperKTM Compact,其發(fā)射光波波長范圍為500nm-2400nm。
3. 如權(quán)利要求1所述的海水鹽度的檢測裝置，其特征在于上述光譜分析儀（9)的型號(hào) 是AQ6370C，探測的波長范圍600-1700nm，波長分辨率為0· 02nm。
4. 如權(quán)利要求1所述的海水鹽度的檢測裝置，其特征在于上述連接器（2)為單模光纖 FC/PC型連接器。
5. 海水鹽度的檢測方法：將微納光纖環(huán)形腔（4)浸入海水中，開啟超連續(xù)譜光源（8) 產(chǎn)生波長為500nm-2400nm連續(xù)光信號(hào)，在微納光纖環(huán)形腔（4)中產(chǎn)生系列的諧振，經(jīng)光譜 分析儀（9)掃描獲得被測海水的諧振光譜圖，讀出被測海水諧振峰的波長λ，通過諧振波 長的改變量Λ λ = λ-λ^，以下列公式計(jì)算得到海水溶液的鹽度值S: S= (Δ A/Ss)+S0〇
6. 海水鹽度的定標(biāo)方法：首先配置鹽度為20%。、25%。、30%。、35%。、40%。和45%。的標(biāo)準(zhǔn) 氯化鈉溶液，將微納光纖環(huán)形腔分別浸入上述氯化鈉溶液中，開啟超連續(xù)光源，光譜分析儀 掃描得到各個(gè)鹽度下的諧振光譜曲線，讀取各個(gè)鹽度的某一個(gè)特定諧振峰的波長，獲得諧 振峰波長與海水鹽度的線性關(guān)系，當(dāng)海水鹽度改變AS，諧振峰波長對(duì)應(yīng)改變△ λ，二者的 比值定義為檢測海水鹽度靈敏度Ss，即Ss = Λ λ / Λ S ;以\ = 20%。氯化鈉溶液的諧振峰波 長為基準(zhǔn)，定義為入〇。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK104155246SQ201410425894
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】王晶, 王姍姍, 李國祥, 楊紅娟 申請(qǐng)人:中國海洋大學(xué)