一种长周期光纤光栅检测海水盐度的装置与方法与流程

本发明涉及海水盐度检测技术领域,具体涉及一种长周期光纤光栅检测海水盐度的装置与方法。

背景技术：

盐度是海水的重要参数，海洋中发生的许多现象和过程与盐度的分布变化有着密切的关系。精确检测海水盐度，对研究海洋环流、海洋环境保护、海洋气候预测、海洋资源勘探、海洋资源开发利用、海水养殖、军事航道测量等诸多海洋活动及海洋科学研究有着十分重要的意义和指导作用，能够为我国海洋上的经济活动尤其是海洋军事活动提供十分重要的服务和保障。

随着人们对海洋认识和科技的不断进步，人们提出了多种检测海水盐度的测量技术，主要有电导率法、表面等离子共振法、微波空间遥感法、布里渊散射法、拉曼光谱法、紫外光谱法、核磁共振等，如《仪器仪表学报》2005.26(8)发表了吴英才、符运良等合著的《基于表面等离子共振原理的一种新型盐度光学传感器》，《光电技术应用》2011.07(10)发表了刁振威和刘兰军合著的《一种新型海水盐度测量技术》，介绍了电导法测量海水盐度的技术方案，《海洋技术》2006.25(3)发表了陆兆轼、史久新等合著的《微波辐射计遥感海水盐度的水池实验研究》。电导率法测量精度高，可现场连续检测，但电导率是以盐度、温度、压力为参数得到的，存在三种参数不同步造成的误差，且电极易损坏、易受水质污染和电磁干扰而影响测量的精度；微波遥感法方便、快捷，能够大面积、全天时、连续、动态地对海水盐度实时监测，然而由于微波穿透能力弱(几毫米)，该法只适于海水表面测量，限制了它的应用范围，而且该法易受外来因素的影响，测量精度很低；表面等离子共振法、布里渊散+射法、紫外吸收光谱法、核磁共振技术等所用仪器结构复杂，体积庞大，很难用于海水盐度的现场实时检测。

鉴于海水盐度检测的重要性，近年来也出现不少检测海水盐度的专利。

申请号201510412705.9专利公开了一种在蓝宝石基片上制作铑电极用于检测海水盐度的方法；申请号201310561955.X专利公开了一种基于MEMS技术的接触式pt四电极盐度传感器的方法；申请号201410612672.8专利公开了一种以两块平行板为极板、以两根平行安置的黄铜镀金表面的金手指做探头的盐度检测方法；申请号CN201210244182.8专利公开了一种包括电导池、恒温槽、高精度标准电阻、正弦波发生器、电压信号转换器等元件的海水盐度测量装置。这几种专利的方法均是以电极方式传导、通过对电压、电流、电导等信号的采集实现对海水盐度的检测。这种电极式盐度传感器容易受海水的腐蚀和电磁的干扰，而且电极在长期使用过程中容易出现极化现象，进而影响测量的准确性和使用寿命。

申请号201310006396.6公开了一种利用流动注射分光光度法产生的折光系数效应来测定海水盐度的方法，但这种仅仅依靠分光光度的方法，容易受具有紫外或荧光吸收特征的物质的影响，对海水测量的精度有待进一步提高。申请号201010603445.0公开了一种棱镜模型多次折射的海水盐度检测装置，利用了光束在一组棱镜模型的光学玻璃之间的多次折射进行测试海水盐度，由于多次使用棱镜玻璃块，结构显得相对复杂。申请号02117422.9公开了一种光纤海水盐度检测方法及装置，其原理是通过检测不同盐度的折射率变化引起CCD光敏面上的光斑位置变化实现盐度测量，但是该装置为了测量折射率采用了棱镜结构，这无形中扩大了检测装置的体积，也没有考虑温度变化对光线造成偏移的影响。申请号201410425894.9公开了一种利用微纳光纤环形腔传感器测量海水盐度的方法，但是由于制作微纳光纤环形腔的过程中需要对标准单模光纤的尾端拉细，降低了光纤抗机械干扰的能力。申请号201120543880.9公开了一种基于FBG的测量海水盐度的传感器，该传感器中使用了经过腐蚀的布拉格光栅，使传感器的抗机械强度降低，而且，布拉格光栅的灵敏度远远低于长周期光栅。

上述专利和方法都存在一些其自身难于克服的缺点和局限性，这些检测海水盐度的装置和系统，不能在复杂多变的海洋环境中进行长期可靠的实时监测，无法满足现代海洋调查的要求。因此，研制坚固、可靠、体积小、精度高、可实现远距离信号传输、抗腐蚀、抗干扰能力强的新型盐度传感器是当前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种长周期光纤光栅检测海水盐度的装置与方法，以解决上述现有技术存在的问题，使检测海水盐度的装置体积小、重量轻、耐腐蚀、灵敏度高、抗电磁干扰。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于长周期光栅的海水盐度检测装置，包括光源、光纤耦合器、液体槽、长周期光栅、温度传感器模块、光谱仪、信号采集模块、A/D转换模块、单片机和输出模块；所述光纤耦合器输入端的光纤接头P₀与所述光源连接；所述光纤耦合器的第二输出光纤接头P₂与所述光谱仪连接，第一输出光纤接头P₁与刻有长周期光栅的光纤的一个端面相连接；所述长周期光栅栅区部分的光纤被拉直固定于包含可盛放海水的凹型液体槽的支架上，刻有长周期光栅的光纤另一端的平整端面镀有反射膜；所述光谱仪的输出端口和所述温度传感器模块分别与所述信号采集模块相连接，所述信号采集模块与所述A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块与所述单片机相连接，所述单片机与所述输出模块连接。

可选的，所述温度传感器模块置于固定长周期光栅的支架的液体槽中。

可选的，所述光纤耦合器为2×2单模光纤耦合器。

可选的，所述长周期光栅为未经过纳米薄膜修饰的裸长周期光栅、经过氢氟酸刻蚀的长周期光栅或各种纳米薄膜材料在栅区包层表面修饰的长周期光栅。

可选的，所述输出模块包括液晶显示屏、手机或电脑中的至少一种。

本发明还提供一种基于长周期光栅的海水盐度检测方法，包括如下步骤：

步骤一，首先将光纤耦合器输入端的光纤接头P₀和光源相连接，光纤耦合器输出端的一个光纤接头P₂与光谱仪相连接，光纤耦合器输出端的另一个光纤接头P₁与刻有长周期光栅的光纤的一个端面相连接；长周期光栅栅区部分的光纤被拉直固定于包含可盛放海水的凹型液体槽的支架上，刻有长周期光栅的光纤另一端的平整端面镀有反射膜；光谱仪的输出端口和温度传感器模块分别与信号采集模块相连接，然后信号采集模块与A/D转换模块相连接，A/D转换模块与单片机相连接，通过液晶显示屏显示出盐度的数值，或通过蓝牙、WIFI或者USB端口在手机或电脑上对盐度数据进行读取和储存；

步骤二，配制一系列标准盐度溶液，然后在某一恒定的温度下，用固定好的长周期光栅测试配制好的标准液，接着对信号和数据进行算法处理，制定盐度与谐振波长、谐振强度值之间变化关系的标准曲线；

步骤三，逐渐增加或降低长周期光栅的温度，并在纯水中同步测试固定好的长周期光栅的谐振波长、谐振强度的变化值，接着对信号和数据进行算法处理，得出长周期光栅的谐振波长、谐振强度的变化值与温度的对应关系的标准曲线；

步骤四，用固定好的长周期光栅和温度传感器模块分别实时测试真实海水环境中的海水，用在真实海水中测得的长周期光栅的谐振波长和谐振强度值，减掉温度所引起的长周期光栅谐振波长或谐振强度变化值，将校正处理后得出的谐振波长和谐振强度值与盐度的标准曲线对照，得出海水的盐度值；

步骤五，通过液晶显示屏显示出海水盐度的数值，或通过蓝牙、WIFI或者USB端口在手机或电脑上对海水盐度数据进行读取和储存。

可选的，所述步骤二中长周期光栅通过感知水的折射率来推知水的盐度。

可选的，所述步骤一中在长周期光栅的光纤末端的平整端面镀反射膜所采用的方法为溅射法、蒸发法、原子层沉积法或化学湿法。

本发明相对于现有技术相比取得了以下技术效果：

①抗电磁干扰，能更准确真实地反应出海水的盐度；②耐腐蚀，非常适于在海水中长期使用；③重量轻、体积小、易联网，有利于实现海水盐度的在线连续的自动化远距离遥测；④适用范围广，不仅可测量海平面附近的盐度，尤其适合海洋深处的盐度检测；

与布拉格光栅、微纳光纤环形腔等其它海水盐度光纤传感器件相比，长周期光栅海水盐度传感器具有较高的灵敏度，能更精确地区分出海水盐度的微小变化；

由于长周期光栅易受弯曲、温度和海水盐度的同时影响，所以在实际应用中，要扣除海水中弯曲、温度对长周期光栅透射谱的影响，才能准确地测定出海水的真实盐度。本发明通过将长周期光栅拉直固定在凹型液体槽支架上，避免了弯曲对长周期光栅透射谱的交叉影响；通过增加温度传感器模块和算法处理，消除了温度对长周期光栅透射谱的交叉影响；通过利用光纤耦合器和在长周期光栅的光纤端面制备反射膜的方式，不仅保留了长周期光栅的透射谱显示模式，而且使长周期光栅在远距离的海水盐度监测中更加有利；通过在长周期光栅固定支架外圈层包覆微纳滤膜，防止了海水中的固态生化物质在长周期光栅栅区的表面附着，保证了海水盐度测量的准确性。

本发明所述的单端面透射谱长周期光栅海水盐度传感器，具有操作过程简便、抗电磁干扰、检测灵敏度高的优点，具有广阔的商业化应用前景，有望在海洋领域大规模推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明长周期光纤光栅检测海水盐度的装置系统示意图；

图2为本发明长周期光栅的谐振波长与盐度的对应关系图；

图3为本发明长周期光栅的谐振波长与温度的对应关系图；

附图标记说明：1为光源，2为光纤耦合器，3为长周期光栅固定支架，4为微纳滤膜，5为液体槽，6为长周期光纤光栅，7为温度反应器模块，8为反射膜，9为光谱仪，10为信号采集模块，11为A/D转换模块，12为单片机，13为液晶显示屏，14为手机或电脑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种长周期光纤光栅检测海水盐度的装置与方法，以解决上述现有技术存在的问题，使检测海水盐度的装置体积小、重量轻、耐腐蚀、灵敏度高、抗电磁干扰。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本实施例提供一种基于长周期光栅的海水盐度检测装置，如图1所示，包括光源1、光纤耦合器2(所述光纤耦合器2为2×2单模光纤耦合器)、液体槽5、长周期光栅6、温度传感器模块7、光谱仪9、信号采集模块10、A/D转换模块11、单片机12和输出模块；所述光纤耦合器2输入端的光纤接头P0与所述光源1连接；所述光纤耦合器2的第二输出光纤接头P2与所述光谱仪9连接，第一输出光纤接头P1与刻有长周期光栅6的光纤的一个端面相连接，所述长周期光栅6为未经过纳米薄膜修饰的裸长周期光栅、经过氢氟酸刻蚀的长周期光栅或各种纳米薄膜材料在栅区包层表面修饰的长周期光栅；所述长周期光栅6栅区部分的光纤被拉直固定于包含可盛放海水的凹型液体槽5的支架3上，刻有长周期光栅6的光纤另一端的平整端面镀有反射膜8；所述光谱仪9的输出端口和所述温度传感器模块7分别与所述信号采集模块10相连接，所述温度传感器模块7置于固定长周期光栅6的支架3的液体槽5中；所述信号采集模块10与所述A/D转换模块11相连接，所述A/D转换模块11与所述单片机12相连接，所述单片机12与包括液晶显示屏13、手机或电脑14中的至少一种的所述输出模块连接。

本实施例还提供一种基于长周期光栅的海水盐度检测方法，包括如下步骤：

步骤一，首先将光纤耦合器2输入端的光纤接头P₀和光源1相连接，光纤耦合器2输出端的一个光纤接头P₂与光谱仪9相连接，光纤耦合器2输出端的另一个光纤接头P₁与刻有长周期光栅6的光纤的一个端面相连接；长周期光栅6栅区部分的光纤被拉直固定于包含可盛放海水的凹型液体槽5的支架3上，刻有长周期光栅6的光纤另一端的平整端面采用溅射法、蒸发法、原子层沉积法或化学湿法镀有反射膜8；光谱仪9的输出端口和温度传感器模块7分别与信号采集模块10相连接，然后信号采集模块10与A/D转换模块11相连接，A/D转换模块11与单片机12相连接，通过液晶显示屏13显示出盐度的数值，或通过蓝牙、WIFI或者USB端口在手机或电脑14上对盐度数据进行读取和储存；

步骤二，配制一系列标准盐度溶液，然后在某一恒定的温度下，用固定好的长周期光栅6测试配制好的标准液，长周期光栅6通过感知水的折射率来推知水的盐度，接着对信号和数据进行算法处理，制定盐度与谐振波长、谐振强度值之间变化关系的标准曲线；

步骤三，逐渐增加或降低长周期光栅6的温度，并在纯水中同步测试固定好的长周期光栅6的谐振波长、谐振强度的变化值，接着对信号和数据进行算法处理，得出长周期光栅6的谐振波长、谐振强度的变化值与温度的对应关系的标准曲线；

步骤四，用固定好的长周期光栅6和温度传感器模块7分别实时测试真实海水环境中的海水，用在真实海水中测得的长周期光栅的谐振波长和谐振强度值，减掉温度所引起的长周期光栅谐振波长或谐振强度变化值，将校正处理后得出的谐振波长和谐振强度值与盐度的标准曲线对照，得出海水的盐度值；

步骤五，通过液晶显示屏13显示出海水盐度的数值，或通过蓝牙、WIFI或者USB端口在手机或电脑14上对海水盐度数据进行读取和储存。

以下通过具体实例对本发明基于长周期光栅的海水盐度检测装置安装过程以及检测过程进行详细说明：

首先将光纤耦合器2输入端的光纤接头P0和光源1相连接，光纤耦合器2输出端的一个光纤接头P₂与光谱仪9相连接，光纤耦合器2输出端的另一个光纤接头P₁与刻有长周期光栅6的光纤的一个端面相连接；长周期光栅6栅区部分的光纤被拉直固定于包含可盛放海水的凹型液体槽5的支架3上，刻有长周期光栅6的光纤另一端的平整端面镀有反射膜8；光谱仪9的输出端口和温度传感器模块7分别与信号采集模块10相连接，然后信号采集模块10与A/D转换模块11相连接，A/D转换模块11与单片机12相连接，通过液晶显示屏13显示出盐度的数值，或通过蓝牙、WIFI或者USB端口在手机或电脑14上对盐度数据进行读取和储存，如图1所示。

其次，配制浓度为0‰、5‰、10‰、15‰、20‰、25‰、30‰、35‰、40‰一系列氯化钠标准溶液，然后在恒定温度20℃下，分别将上述标准液加入到已固定长周期光栅的液体槽中，长周期光栅的谐振波长分别为1486.351nm、1486.545nm、1486.751nm、1486.936nm、1487.129nm、1487.326nm、1487.518nm、1487.722nm、1487.916nm，盐度与谐振波长的关系图如说明书附图图2所示。

分别将液体槽的纯水温度调整为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃长周期光栅的温度，同步测试的固定好的长周期光栅的谐振波长值依次为1486.584nm、1486.5064nm、1486.428nm、1486.351nm、1486.273nm、1486.196nm、1486.118nm、1486.041nm、1485.963nm、1485.885nm，长周期光栅的谐振波长与温度的对应关系的标准曲线如说明书附图图3所示。

用固定好的长周期光栅和温度敏感模块分别实时测试某一区域的海水，结果显示，海水温度为26℃，谐振波长为1486.862nm，经过对数据进行算法处理，减掉温度所引起的长周期光栅谐振波长，与盐度的标准曲线对照，得出海水的盐度值10.74‰。

本发明通过将长周期光栅拉直固定在凹型液体槽支架上，避免了弯曲对长周期光栅透射谱的交叉影响；通过增加温度传感器模块和算法处理，消除了温度对长周期光栅透射谱的交叉影响；通过利用光纤耦合器和在长周期光栅的光纤端面制备反射膜的方式，不仅保留了长周期光栅的透射谱显示模式，而且使长周期光栅在远距离的海水盐度监测中更加有利；通过在长周期光栅固定支架外圈层包覆微纳滤膜，防止了海水中的固态生化物质在长周期光栅栅区的表面附着，保证了海水盐度测量的准确性。

本发明所述的单端面透射谱长周期光栅海水盐度传感器，具有操作过程简便、抗电磁干扰、检测灵敏度高的优点，具有广阔的商业化应用前景，有望海洋领域被大规模推广应用。

本说明书应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。