面向海洋應(yīng)用的光纖光柵溫度傳感器在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展

面向海洋應(yīng)用的光纖光柵溫度傳感器在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展1引言傳統(tǒng)測(cè)溫的電學(xué)傳感器主要有熱電偶式、金屬電阻式和半導(dǎo)體熱敏電阻式等。熱電偶式復(fù)制性和穩(wěn)定性較好，通過(guò)采用薄膜式結(jié)構(gòu)可使其熱慣性較小，但靈敏度較低。金屬電阻式具有較好的靈敏度、穩(wěn)定性和復(fù)制性，曾是當(dāng)時(shí)海洋探測(cè)領(lǐng)域使用比較廣泛的傳感器。但因金屬電阻值較低，檢測(cè)系統(tǒng)的導(dǎo)線阻值變化就不能忽略，如鉑測(cè)溫電阻，1Ω的導(dǎo)線電阻將會(huì)產(chǎn)生－2.5℃的測(cè)量誤差，必須采取相關(guān)措施進(jìn)行補(bǔ)償以抵消此誤差。由于海洋中特殊的水團(tuán)環(huán)境，如不同水層存在溫度梯度等因素，若使用投棄式探測(cè)器進(jìn)行海水剖面溫度測(cè)量時(shí)，這就要求傳感器的時(shí)間常數(shù)足夠小。但研究證明，鉑電阻測(cè)溫傳感器的響應(yīng)時(shí)間是十幾秒，時(shí)間常數(shù)不理想，同樣不是進(jìn)行海洋測(cè)溫的理想選擇。半導(dǎo)體熱敏電阻式的靈敏度很高，熱慣性也較小，但其穩(wěn)定性和復(fù)制性較差。熱敏電阻的響應(yīng)時(shí)間雖然可以達(dá)到毫秒級(jí)別，但是研究證明其在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)的電流很難控制并且經(jīng)常會(huì)很大，同樣也會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。綜上所述，傳統(tǒng)海洋溫度傳感器大都采用鉑電阻或熱敏電阻，優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性、可靠性較好，精度也較高，雖然技術(shù)成熟度很高，但仍有一些問(wèn)題需要解決:如惡劣的海洋環(huán)境對(duì)電學(xué)傳感器的耐壓、耐腐蝕性及防水要求很高，水下傳輸信號(hào)易受干擾等，同時(shí)其也存在研發(fā)投入成本高、壽命短、復(fù)用組網(wǎng)難等問(wèn)題，光纖布拉格光柵(FBG)傳感器則可以使這些問(wèn)題迎刃而解，其在海洋監(jiān)測(cè)中也表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，如本征絕緣、成本低廉、易組網(wǎng)、原位實(shí)時(shí)測(cè)量、濕端無(wú)電且無(wú)功耗，國(guó)內(nèi)外也已開展關(guān)于此領(lǐng)域的大量研究工作。2光纖光柵溫度傳感原理光纖Bragg光柵是一種將周期性微擾作用于光纖纖芯，使其折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的光纖無(wú)源器件，其本質(zhì)上一種具有波長(zhǎng)選擇能力的窄帶反射器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用光纖光柵對(duì)于溫度和應(yīng)變敏感的這兩種效應(yīng)，可以檢測(cè)多種物理量。由于裸光纖光柵直徑只有125μm，在惡劣的海洋環(huán)境中容易受到損傷，只有對(duì)其進(jìn)行保護(hù)性的封裝設(shè)計(jì)，才能保證光纖光柵具有更穩(wěn)定的性能，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命。同時(shí)，通過(guò)合適的封裝結(jié)構(gòu)，選用不同的基底材料，也可以實(shí)現(xiàn)溫度增敏和交叉補(bǔ)償?shù)裙δ?。圖1光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)示意圖3光纖光柵溫度傳感器國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展近些年來(lái)，光纖傳感技術(shù)發(fā)展異常迅速，同時(shí)呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ艿轿鞣絿?guó)家的高度重視，我國(guó)也特別重視這一新型傳感器的研發(fā)與應(yīng)用。關(guān)于光纖傳感器的研制，我國(guó)的起步時(shí)間與發(fā)達(dá)國(guó)家相差并不是太遠(yuǎn)，而且目前相當(dāng)一部分的成果具有較高使用價(jià)值，有的已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。目前，光纖光柵通常采用波長(zhǎng)調(diào)制，利用波分、時(shí)分等復(fù)用技術(shù)可以方便地獲取海洋溫度剖面信息，其在海洋環(huán)境探測(cè)中具有極大的應(yīng)用潛力。光纖光柵諸多本征優(yōu)勢(shì)已引起國(guó)內(nèi)外許多科研工作者和科研單位開展其在海洋應(yīng)用方面的相關(guān)研究。⒈單溫度傳感器光纖布拉格光柵基于波長(zhǎng)調(diào)制，其是通過(guò)光刻在光纖上的光柵間距變化感知外界溫度變化，從而對(duì)反射波長(zhǎng)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)光纖“傳”與“感”的合一，采用合適的封裝結(jié)構(gòu)和工藝，可達(dá)到溫度增敏、壓力減敏的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。2005年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所詹亞歌等提出一種采用鋁槽的封裝結(jié)構(gòu)，使溫度傳感器結(jié)構(gòu)更加牢固，并且更便于安裝固定。2007年，山東省科學(xué)院激光研究所魏玉斌等提出一種光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，其中傳感器采用聚酰亞胺絕緣材料封裝，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)分布式測(cè)溫，實(shí)驗(yàn)表明這一系統(tǒng)的測(cè)溫精度達(dá)±1℃，分辨率達(dá)0.1℃。2013年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王永杰等在青島海邊將所研制的FBG溫度傳感器同SBE56(SeaBirdElectronic，SBE)進(jìn)行海試比對(duì)，測(cè)試表明FBG溫度傳感器的精度達(dá)0.1℃，測(cè)溫范圍0～35℃，靈敏度達(dá)30pm/℃，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)50ms左右。2014年，王永杰、王瑨等設(shè)計(jì)一種采用紫銅管雙端封裝的FBG，其響應(yīng)時(shí)間最快可達(dá)48.6ms，基本達(dá)到了商用電學(xué)傳感器的響應(yīng)時(shí)間水平，可滿足海洋環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)的特殊需求。2015年，王永杰、王瑨等設(shè)計(jì)了一種新型的光纖布拉格光柵溫度傳感器，實(shí)驗(yàn)證明其無(wú)壓力情況下，在0～35℃的溫度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較好的重復(fù)性、遲滯性及線性度，傳感器溫度靈敏度為29.9pm/℃，與理論值接近。并進(jìn)行0～5MPa范圍的壓力敏感性測(cè)試，結(jié)果表明FBG中心波長(zhǎng)不受壓力的影響。2016年，武漢東湖學(xué)院高曉丹等采用電鍍法和磁控濺射法設(shè)計(jì)一種電鍍?cè)雒舻你~薄膜且耐海水腐蝕的碳薄膜光纖光柵溫度傳感器，模擬海水溫度0～50℃時(shí)，表現(xiàn)出較高的線性度，溫度靈敏度隨銅薄膜的厚度呈指數(shù)增長(zhǎng)，研究也發(fā)現(xiàn)這一類金剛石結(jié)構(gòu)可抑制增敏銅薄膜層在海水中的腐蝕。2017年，山東科學(xué)院研究所呂京生和張發(fā)祥等設(shè)計(jì)了一種適用于海洋拋棄式測(cè)量的FBG溫度傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。金屬管封裝的FBG制作相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)柵區(qū)造成影響，響應(yīng)時(shí)間為38ms；金屬外層直接封裝的FBG在受力不均勻時(shí)容易發(fā)生啁啾，對(duì)工藝要求較高，響應(yīng)時(shí)間為17ms。圖2

FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖同年，武漢大學(xué)QuY等設(shè)計(jì)了一種適用于海洋監(jiān)測(cè)的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器，其采用電鍍銅的方法實(shí)現(xiàn)溫度增敏，傳感器外由類金剛石碳膜包裹以保護(hù)銅鍍層不被海水腐蝕，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。溫度靈敏度可達(dá)21.86pm/℃，同時(shí)模擬海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明其在38天內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性。圖3

FBG涂層結(jié)構(gòu)示意圖FBG能夠直接應(yīng)用于海洋溫度傳感，采用特殊封裝結(jié)構(gòu)可大大提高溫度靈敏度，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間短，海水剖面溫度測(cè)量速度快，是面向海洋溫度測(cè)量的重要選擇。紫銅管雙端封裝的FBG，通過(guò)填充特殊的高導(dǎo)熱物質(zhì)，表現(xiàn)出較快的響應(yīng)速度。通過(guò)電鍍銅方式可使FBG達(dá)到增敏目的，同時(shí)其外的類金剛石碳膜可抑制海水腐蝕?？傮w看來(lái)，海洋光纖光柵溫度傳感器適應(yīng)未來(lái)海洋環(huán)境測(cè)量方法的發(fā)展方向，對(duì)交叉敏感問(wèn)題的解決以及封裝材料、結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)，將使光纖光柵溫度傳感器的發(fā)展更具技術(shù)優(yōu)勢(shì)。⒉多參量溫度傳感器電導(dǎo)率法是檢測(cè)海水鹽度的傳統(tǒng)方法，使用溫鹽深儀可以實(shí)現(xiàn)鹽度快速連續(xù)的測(cè)量。但由于電極長(zhǎng)期處于海水環(huán)境易腐蝕、易受電磁干擾，通過(guò)折射率變化測(cè)量鹽度是另一種新的方法。隨著海水鹽度的不同，光折射率會(huì)發(fā)生變化，并且在一定溫度條件下兩者存在線性關(guān)系，因此通過(guò)檢測(cè)海水折射率的變化來(lái)間接檢測(cè)海水鹽度是一種可行的技術(shù)方案，但必須注意溫度變化對(duì)折射率的影響，因此在測(cè)量鹽度的同時(shí)需要進(jìn)行溫度敏感性補(bǔ)償。2005年，法國(guó)科學(xué)家MarrecL等利用FBG和LPG(LongPeriodGrating，LPG)集成方式制作了一種溫鹽傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度傳感器FBG的靈敏度為51pm/℃，鹽度傳感器LPG的靈敏度達(dá)4.6pm/(g·L-1)。2008年，加拿大LiqiuMen等實(shí)現(xiàn)了光纖光柵溫度與鹽度的同步測(cè)量，但溫度靈敏度僅有10.2pm/℃，鹽度靈敏度僅為16.5pm/(mol·L-1)，遠(yuǎn)小于實(shí)際需求。2011年，LinhVietNguyen等開展了FP溫鹽計(jì)的研制，傳感器結(jié)構(gòu)小巧，可同時(shí)測(cè)量溫度和鹽度，但靈敏度遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前CTD的要求。2013年，PereiraDA等設(shè)計(jì)一種可同時(shí)測(cè)量海水溫度和鹽度的測(cè)量裝置，探頭采用兩個(gè)串聯(lián)的FBG1和FBG2，其中FBG1只對(duì)溫度敏感，F(xiàn)BG2經(jīng)過(guò)化學(xué)蝕刻處理對(duì)周圍水環(huán)境折射率的變化敏感，其溫度分辨率達(dá)±0.38℃，鹽度靈敏度可達(dá)±1.3‰。2017年，DongLuo等提出一種可同時(shí)測(cè)量海洋鹽度和溫度的光纖光柵傳感器，如圖4所示，其在蝕刻光纖光柵(EtchedFiberBraggGrating，EFBG)的基礎(chǔ)上涂覆50nm厚的聚酰亞胺層以消除作用在EFBG上的應(yīng)力。該傳感器的折射率靈敏度為125.92nm/RIU，溫度靈敏度為43.5pm/℃，其同時(shí)具有低成本、易制作和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。圖4涂覆聚酰亞胺薄膜的蝕刻FBG結(jié)構(gòu)2017年，DineshBabuDuraibabu等提出一種適用于海洋精確測(cè)量的具有溫度補(bǔ)償?shù)奈⑿蛪毫鞲衅?。其結(jié)構(gòu)同樣基于EFPI和FBG。EFPI用于壓力測(cè)量，F(xiàn)BG用于溫度測(cè)量。將這一傳感系統(tǒng)安裝在一種微型遙控潛水器中可用于監(jiān)測(cè)水下不同深度的壓力變化，如圖5所示。圖5傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和測(cè)量安裝圖同年，海南熱帶海洋學(xué)院吳路光等設(shè)計(jì)了一種可用于同時(shí)測(cè)量海水溫度和深度的FBG傳感器，如圖6所示。其采用彈性膜片結(jié)構(gòu)，測(cè)量壓力的光纖直接與膜片相連，從而使膜片在壓力作用下產(chǎn)生軸向位移，進(jìn)而拉動(dòng)壓力測(cè)量光纖以實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量；將測(cè)量溫度的光纖單獨(dú)固定，采用進(jìn)水腔結(jié)構(gòu)，以保證光纖直接與海水接觸時(shí)免受海水沖擊，這一設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)快速測(cè)溫，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖6溫深傳感器示意圖光纖壓力傳感器一般采用相位或波長(zhǎng)調(diào)制，在實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用與分布式測(cè)量中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，存在的問(wèn)題主要是軸向抗拉力的極限限制以及需同時(shí)兼顧測(cè)量范圍和測(cè)量分辨率。隨著技術(shù)的發(fā)展和封裝材料工藝的進(jìn)步，基于EFPI的大量程壓力傳感器將更加容易制作。海水的溫度、鹽度和深度是研究海洋環(huán)境變化的最為基本的物理量，深刻影響著氣候變化和人類探測(cè)活動(dòng)，是海洋探測(cè)中最重要的物理量。充分研究各光纖器件的不同性能，將其合理組合利用，實(shí)現(xiàn)彼此性能互補(bǔ)，將是多參量光纖光柵溫度傳感器的又一發(fā)展方向。⒊準(zhǔn)分布式溫度傳感器光纖光柵中心波長(zhǎng)由其有效折射率與周期共同決定，因此可以在同一條光纖上刻蝕多個(gè)具有不同反射波長(zhǎng)的光纖光柵，進(jìn)行分布式溫度測(cè)量以方便獲取海洋溫度剖面信息，這是傳統(tǒng)海洋電學(xué)傳感器不能實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際海洋環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，常常采用準(zhǔn)分布式溫度傳感器，也稱點(diǎn)溫度傳感器，即通常所說(shuō)的分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)，國(guó)外也早已經(jīng)報(bào)道了多種光纖分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)：如英國(guó)York傳感器公司推出了分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，并積極開拓這其在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，已取得較大進(jìn)展。日本研制的光纖分布式溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)已在海上進(jìn)行了大量試驗(yàn)，可測(cè)量從海平面到300m水深的溫度分布;日本還研制了一種可長(zhǎng)時(shí)間工作于深海的光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)，測(cè)溫范圍為0～10℃，精度可達(dá)0.3℃。2011年，華北電力大學(xué)李星蓉等利用40個(gè)FBG組成2條傳感鏈，可測(cè)量海水深度為200m。為消除溫度和應(yīng)力的交叉影響，其在設(shè)計(jì)中對(duì)傳感器進(jìn)行特殊鎧裝密封封裝，并對(duì)FBG溫度傳感器進(jìn)行耐壓測(cè)試。然而FBG溫度靈敏度較低，該系統(tǒng)精度為0.2℃。2016年，王永杰等提出了船載拖曳與全光纖溫度鏈相結(jié)合的新型測(cè)量系統(tǒng)，如圖7所示。圖7系統(tǒng)示意圖其通過(guò)對(duì)光纖光柵的特殊封裝和標(biāo)定測(cè)試，F(xiàn)BG的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間分別達(dá)到28.5pm/℃和214.8ms，滿足淺表層海域的測(cè)試要求。設(shè)計(jì)并制備40只FBG溫度傳感器，并研制一條總長(zhǎng)200m的光纖光柵傳感器拖曳鏈，將40只FBG以等間隔的形式串接于其中，如圖8所示。圖8編制完好的傳感器鏈溫度拖曳陣配合解調(diào)設(shè)備和絞車系統(tǒng)，于黃海部分海域完成水深70m的拖曳試驗(yàn)，同時(shí)與SBE進(jìn)行比測(cè)實(shí)驗(yàn)，如圖9和圖10所示。圖9

溫度傳感器與SBE56捆綁圖圖10拖曳中的傳感器鏈海試證明，該系統(tǒng)測(cè)量精度優(yōu)于0.01℃，具有較高實(shí)用價(jià)值。2017年，王永杰等首次將溫度傳感器和壓力傳感器集成在拖曳纜中，這一觀測(cè)系統(tǒng)可隨船舶運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)海平面至水下200m溫度垂直剖面的高采樣頻率、高水平分辨率、實(shí)時(shí)、連續(xù)性觀測(cè)，如圖11所示，其測(cè)溫精度可達(dá)0.01℃，壓力精度可達(dá)0.1%。這一系統(tǒng)的成功研制將為獲取高時(shí)空分辨率的溫度資料提供非常寶貴的技術(shù)手段，也大大提高了船時(shí)的利用效率。圖11系統(tǒng)整體示意圖及拖曳應(yīng)用中的實(shí)物圖同年，王永杰、王建豐等研制了基于無(wú)線傳輸?shù)墓饫w溫度鏈遙測(cè)系統(tǒng)，如圖12所示。這一系統(tǒng)可獲取海洋不同深度的水溫情況，以保障海洋牧場(chǎng)的生態(tài)和生產(chǎn)環(huán)境的安全。這是光纖光柵溫度傳感器首次實(shí)際應(yīng)用于海洋養(yǎng)殖方面，并且遙測(cè)系統(tǒng)的手機(jī)軟件也已投入使用。圖12

海洋牧場(chǎng)溫度鏈遙測(cè)系統(tǒng)示意圖對(duì)溫度階躍層的調(diào)查一直是海洋研究的重點(diǎn)。單純溫度拖曳鏈測(cè)量時(shí)沒(méi)有準(zhǔn)確的深度信息，只有相對(duì)位置，無(wú)法將測(cè)得的溫度信息與深度聯(lián)系起來(lái)，缺少深度定位，因此與實(shí)際深度的溫度信息有差距，缺少壓力傳感器也不能達(dá)到精確定位溫度傳感器和判斷拖曳鏈水下姿態(tài)的目的。船載溫深剖面測(cè)量系統(tǒng)首次將溫度傳感器和壓力傳感器集成在拖曳纜中，這一成功研制將為獲取高時(shí)空分辨率的溫度資料提供非常寶貴的技術(shù)手段。傳感器封裝技術(shù)及工藝、可靠性篩選、系統(tǒng)集成等基礎(chǔ)工作的加強(qiáng)，甲板設(shè)備單元小型化、自動(dòng)化等設(shè)計(jì)的完善，將會(huì)使這一準(zhǔn)分布式光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)的實(shí)用化水平得到長(zhǎng)足的提高。物理海洋的六要素為溫度、鹽度、深度、波浪、海流、潮汐，其中鹽度的測(cè)量與溫度、深度密切相關(guān)，因此沒(méi)有鹽度的溫深儀是不完備的。將現(xiàn)有溫深傳感拖曳鏈結(jié)合鹽度測(cè)量方法，集中開展溫鹽深儀的研究，這是面向海洋應(yīng)用的光纖光柵傳感系統(tǒng)的又一發(fā)展思路。4總結(jié)與展望光纖光柵傳感器被認(rèn)為是新一代的海洋傳感器，目前國(guó)內(nèi)外的研究十分活躍，有些光纖傳感器正從實(shí)驗(yàn)室研究階段走向工程應(yīng)用階段，已有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。通過(guò)廣泛調(diào)研可知，國(guó)內(nèi)外海洋測(cè)溫傳感器目前大多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段，僅部分進(jìn)行海試實(shí)驗(yàn)，另外測(cè)溫系統(tǒng)精度較低，不能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。幾年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在海洋測(cè)溫領(lǐng)域做了一系列相關(guān)系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)和研發(fā)工作，并完成大量實(shí)際海洋環(huán)境測(cè)試，進(jìn)而驗(yàn)證傳感系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)研發(fā)環(huán)節(jié)，也得到海洋技術(shù)中心和華北水電的大力支持和幫助。光纖布拉格光柵以其獨(dú)特的傳感優(yōu)勢(shì)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。但相比于土木工程、航空航天、石油化工等領(lǐng)域，光纖傳感技術(shù)在海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的滲透較少，應(yīng)用和發(fā)展還尚處于初級(jí)階段，相對(duì)于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器在海洋儀器設(shè)備中的大量使用仍存在較大差距。同時(shí)現(xiàn)有光纖光柵傳感器受限于材料和工藝水平，儀器環(huán)境適應(yīng)性仍較差、工作可靠性不夠高，距離國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品尚有一定差距。光纖光柵雖具有應(yīng)用于海洋環(huán)境測(cè)量的天然優(yōu)勢(shì)，如其自身對(duì)溫度與壓力等多種因素敏感。