海水盐度的检测装置与方法
【专利摘要】本发明涉及一种海水盐度的检测装置与方法。包括产生波长为500nm-2400nm连续光信号的超连续光源与依次相连接光纤跳线，经由连接器连接的标准单模光纤，标准单模光纤的尾端拉制成微纳光纤环形腔，微纳光纤环形腔末端与另一标准单模光纤的首端微纳光纤凭借静电力和范德华力粘合，再经过一个连接器和另一光纤跳线接入光谱分析仪。将微纳光纤环形腔浸入到海水中，开启超连续谱光源产生连续光信号,在微纳光纤环形腔中产生系列的谐振，经光谱仪扫描获得被测海水的谐振曲线光谱图，读出被测海水谐振峰的波长λ，计算得到海水的盐度值。本发明将微纳光纤传感技术应用到海水盐度测量中来，具有体积小，成本低，灵敏度高，响应快等优点。
【专利说明】海水盐度的检测装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海水盐度检测【技术领域】，具体来说是一种基于微纳光纤环形腔的海水 盐度的检测装置与方法。
【背景技术】
[0002] 海水盐度是海水的重要特性，是研究海水物理、化学性质及其有关过程的重要参 数。海洋中发生的许多现象和过程，如海洋生物迁徙，海水养殖，海洋内波的产生，海洋洋流 等常与盐度分布和变化有关，因此海水盐度的精确测量在海洋环境保护与生态治理、海洋 渔业、海洋气候等实际生产和科研方面有着重要作用。
[0003] 现有的测量海水盐度的方法有温盐深仪法、微波遥感技术、表面等离子体共振法、 盐度敏感材料法、光纤布拉格光栅法等。温盐深仪法是目前常用于现场测量海水盐度的方 法，通过测量电导率来实现盐度测量，其稳定性和分辨率高，缺点是价格昂贵且体积较大， 不能测量海表面盐度以及海洋内部微区盐度。微波遥感技术利用微波辐射计测量海水的亮 温，通过反演得到海水盐度。该方法适用于海水盐度的大面积测量，具有全天时的优点，但 由于微波穿透能力弱，该方法仅限于海水表面的盐度反演，精度不高。表面等离子体共振检 测法通过检测由等离子体共振产生的共振波长来测量海水盐度，该方法容易受到温度因素 的干扰。盐度敏感材料间接测量法通过制备对盐度敏感的水凝胶来实现盐度测量，该方法 测量精度高，缺点是水凝胶制备复杂且反应时间较长。光纤布拉格光栅盐度传感法的测量 原理是海水盐度的变化使得光纤光栅的应力发生变化，从而产生不同的轴向应变，使得布 拉格波长发生变化。通过测量布拉格波长可以反演得到盐度。其优点是稳定性高、成本低， 缺点是易受温度影响、灵敏度不高和响应时间较长。综上所述，目前检测海水盐度存在如下 问题：仪器笨重、响应时间较长、价格昂贵、对海洋微区不能现场测量和灵敏度不高。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是提供一种检测海水盐度的装置与方法，以克服现有技术的不足。
[0005] 本发明通过利用微纳光纤的强倏逝场与海水相互作用，在微纳光纤环形腔中产生 谐振现象，以谐振波长来计算海水盐度。当微纳光纤环形腔直径越小，倏逝场越强，检测灵 敏度越高。由于微纳光纤环形腔只有毫米量级尺度，因此能够实现海洋微区盐度检测。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明其特征在于，包括产生波长为500nm-2400nm连续光 信号的超连续光源与依次相连接光纤跳线，经由连接器连接的标准单模光纤，标准单模光 纤的尾端拉制成微纳光纤环形腔，微纳光纤环形腔末端与另一标准单模光纤的首端微纳光 纤凭借静电力和范德华力粘合一起，再经过一个连接器和另一光纤跳线接入光谱分析仪。
[0007] 首先进行定标：配置盐度为20%。、25%。、30%。、35%。、40%。、45%。的标准氯化钠溶 液，将本发明的微纳光纤环形腔分别浸入氯化钠溶液中，开启超连续光源，光谱分析仪扫描 得到各个盐度下的谐振光谱曲线，读取各个盐度的某一个特定谐振峰的波长，获得谐振峰 波长与海水盐度的线性关系。当海水盐度改变Λ S，谐振峰波长对应改变Λ λ，二者的比值 定义为检测海水盐度灵敏度，即Ss = Λ λ / Λ S。以\ = 20%。氯化钠溶液的谐振峰波长为 基准，定义为入〇。
[0008] 海水盐度测量方法：将本发明的微纳光纤环形腔浸入到海水中，开启超连续光源 产生波长为500nm-2400nm连续光信号，在微纳光纤环形腔中产生系列的谐振，经光谱分析 仪扫描获得被测海水的谐振光谱图，读出被测海水谐振峰的波长λ，通过谐振波长的改变 量Λ λ = λ-λ^，计算得到海水溶液的盐度值S，即
[0009] S = ( Δ λ /Ss) +S〇
[0010] 本发明通过测量谐振峰波长实现海水盐度测量，其测量盐度的灵敏度与光纤半 径、检测波长有关。光纤半径越小、检测波长越长，其检测盐度的灵敏度越高。
[0011] 本发明将微纳光纤传感技术应用到海水盐度测量中来，与已有技术相比，具有体 积小，成本低，灵敏度高，响应快等优点，实现对海水盐度微区现场测量，拓展了海水盐度测 量的领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 下面结合附图对本发明做作进一步说明。
[0013] 图1.本发明的总体结构示意图。
[0014] 图2.本发明的微纳光纤环形腔与邻区结构连接关系示意图。
[0015] 图3.不同海水盐度下环形腔的谐振光谱图。
[0016] 图4.光谱分析仪测量的谐振波长与盐度线性关系示意图。
[0017] 其中，1光纤跳线，2连接器，3标准单模光纤，4微纳光纤环形腔，5标准单模光纤， 6光纤跳线，7海水样品池，8超连续光源，9光谱分析仪。
【具体实施方式】
[0018] 如图1、图2,本发明的海水盐度检测装置包括产生波长为500nm-2400nm连续光信 号的超连续光源8与依次相连接的光纤跳线1，经由连接器2连接的标准单模光纤3,标准 单模光纤3的尾端是拉制成微纳光纤环形腔4,该微纳光纤环形腔4末端与另一标准单模光 纤5的首端微纳光纤凭借静电力和范德华力粘合一起，再经过一个连接器2和另一光纤跳 线6接入光谱分析仪9。
[0019] 上述超连续光源8的型号是SuperKTM Compact，其发射光波波长范围为 500nm-2400nm，总平均输出功率100mw。
[0020] 上述光谱分析仪9的型号是AQ6370C，探测的波长范围600-1700nm，波长分辨率为 0. 02nm。
[0021] 上述连接器2为单模光纤FC/PC型连接器。
[0022] 利用本发明进行海水盐度测量时，先要将微纳光纤环形腔4浸入海水中，由超连 续光源8发出波长为500nm-2400nm的连续光，经微纳光纤环形腔4时产生谐振，在光谱分 析仪9中扫描到系列的谐振峰，选择波长接近1550nm的谐振峰，当海水盐度不同时，能够在 光谱分析仪上探测到谐振峰不同波长。
[0023] 通过测量已知盐度的氯化钠溶液谐振峰波长，获得谐振峰波长与海水盐度的线性 关系，如图4。以20%。氯化钠溶液的谐振峰波长为基准，定义为λ ^，进而再探测未知海水盐 度的谐振波长λ，计算得到海水盐度。
[0024] 如图2所示，标准单模光纤3的尾端拉制成的微纳光纤环形腔4,其环形腔直径限 制在0. 5mm-l. 5_，微纳光纤直径在1-4 μ m。制作好的微纳光纤环形腔4的尾端与单模光 纤5首端的微纳光纤凭借静电力和范德华力粘合。
[0025] 如图3所示，微纳光纤环形腔4在海水中会发生谐振效应，连续光信号输入微纳光 纤环形腔4,其输出光谱为系列等间距的谐振峰，选定波长接近1550nm的一组谐振峰进行 海水盐度检测。也就是说，不同盐度海水中的微纳光纤环形腔谐振波长不同，通过检测某一 谐振峰的波长来实现盐度测量。
[0026] 如图4所示，不同盐度下某一谐振峰的波长会发生变化，且谐振峰波长与海水盐 度关系是线性的。因而，通过本发明的装置就能实现海水盐度测量。图中拟合直线的斜率 就是测量的灵敏度，所以通过氯化钠溶液的20%。盐度的谐振峰波长为基准，就可以检测未 知海水的盐度。
[0027] 实施例1
[0028] 本发明包括产生波长为500nm-2400nm连续光信号的超连续光源8与依次相连接 光纤跳线1，经由连接器2连接的标准单模光纤3,标准单模光纤3的尾端是拉制成微纳光 纤环形腔4,该微纳光纤环形腔4末端与另一标准单模光纤5的首端微纳光纤相连，再经过 一个连接器2和另一光纤跳线6接入光谱分析仪9
[0029] 利用酒精灯加热标准单模光纤3,缓慢拉伸后制得直径为3. 6 μ m的微纳光纤，在 显微镜下将其打环形成直径为1. 2mm的微纳光纤环形腔4。将另一根单模光纤5首端拉制 成微纳光纤，将微纳环形腔末端与该微纳光纤凭借静电力和范德华力粘合。粘合的两段微 纳光纤的直径越接近损耗越小。
[0030] 上述超连续光源8 (SuperKTM Compact,光波长为500nm-2400nm)发出的光信号通 过光纤跳线1进入到单模光纤3后传到微纳光纤环形腔4,将微纳光纤环形腔4放置于不同 盐度的海水中，微纳光纤环形腔4产生的谐振谱经单模光纤5和光纤跳线6传送到光谱分 析仪9 (AQ6370C)，利用光谱分析仪9检测到谐振曲线。其谐振峰波长依次为1529. 084nm、 1529. 116nm、1529. 128nm、1529. 144nm、1529. 156nm、1529. 164nm，对应的海水盐度分别为 26. 8%。、31. 3%。、35. 6%。、37. 7%。、39. 7%。和41. 6%。，得到不同盐度下的微纳环形腔输出谐振 光谱如图3所示。从图中可以看到微纳环形腔的谐振效应是非常明显的。对其进行数据分 析得到谐振波长与盐度的关系如图4所示，灵敏度为5. 3pm/%。。
[0031] 本发明通过减小微纳光纤半径可以得到更高的盐度灵敏度。在技术上拉制出直径 为2. 5 μ m的光纤，并将其打环形成环直径约为0. 5mm的环形腔，其探测极限可达0. 2%。，灵 敏度达到17. 4pm/%。。
【权利要求】
1. 一种海水盐度的检测装置，其特征在于包括产生波长为500nm-2400nm连续光信号 的超连续光源（8)与依次相连接光纤跳线（1)，凭借连接器（2)连接的标准单模光纤（3)， 标准单模光纤（3)的尾端拉制成微纳光纤环形腔（4)，该微纳光纤环形腔（4)末端与另一标 准单模光纤（5)的首端微纳光纤相连，再经过一个连接器（2)和另一光纤跳线（6)接入光 谱分析仪（9)。
2. 如权利要求1所述的海水盐度的检测装置，其特征在于上述超连续光源（8)的型号 是SuperKTM Compact,其发射光波波长范围为500nm-2400nm。
3. 如权利要求1所述的海水盐度的检测装置，其特征在于上述光谱分析仪（9)的型号 是AQ6370C，探测的波长范围600-1700nm，波长分辨率为0· 02nm。
4. 如权利要求1所述的海水盐度的检测装置，其特征在于上述连接器（2)为单模光纤 FC/PC型连接器。
5. 海水盐度的检测方法：将微纳光纤环形腔（4)浸入海水中，开启超连续谱光源（8) 产生波长为500nm-2400nm连续光信号，在微纳光纤环形腔（4)中产生系列的谐振，经光谱 分析仪（9)扫描获得被测海水的谐振光谱图，读出被测海水谐振峰的波长λ，通过谐振波 长的改变量Λ λ = λ-λ^，以下列公式计算得到海水溶液的盐度值S: S= (Δ A/Ss)+S0〇
6. 海水盐度的定标方法：首先配置盐度为20%。、25%。、30%。、35%。、40%。和45%。的标准 氯化钠溶液，将微纳光纤环形腔分别浸入上述氯化钠溶液中，开启超连续光源，光谱分析仪 扫描得到各个盐度下的谐振光谱曲线，读取各个盐度的某一个特定谐振峰的波长，获得谐 振峰波长与海水盐度的线性关系，当海水盐度改变AS，谐振峰波长对应改变△ λ，二者的 比值定义为检测海水盐度灵敏度Ss，即Ss = Λ λ / Λ S ;以\ = 20%。氯化钠溶液的谐振峰波 长为基准，定义为入〇。
【文档编号】G01N21/25GK104155246SQ201410425894
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】王晶, 王姗姗, 李国祥, 杨红娟 申请人:中国海洋大学