王宇琦，潘震，戢雅典，范典，周次明

（1 武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國家工程研究中心， 武漢 430070）

（2 武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 武漢 430070）

0 引言

海洋占據(jù)了地球總面積的約71%，對(duì)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(rèn)知能力，研究和開發(fā)用于海洋觀測的傳感器技術(shù)及檢測設(shè)備，是建設(shè)海洋強(qiáng)國、實(shí)現(xiàn)“透明海洋”戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。海水溫度和鹽度是所有海洋學(xué)科所必需的最關(guān)鍵、最基本的物理參數(shù)，對(duì)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(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義［1-2］，開發(fā)用于海水參數(shù)測量的高性能傳感器已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。

目前，電化學(xué)傳感器是測量海水參數(shù)的主要方式［3-4］，它們具有測量精度高和實(shí)用性廣的特點(diǎn)。這類傳感器雖然發(fā)展相對(duì)成熟，但易受電磁干擾和海水腐蝕，而且海水中其他導(dǎo)電離子也會(huì)引起電導(dǎo)率的測量誤差［5-6］。此外，為了滿足大面積海洋溫鹽數(shù)據(jù)獲取的需求，通常需要復(fù)用多個(gè)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，這極大地增加了經(jīng)濟(jì)成本，性價(jià)比較低。

近年來，光纖傳感方法為物理參數(shù)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(shí)時(shí)分布式測量等優(yōu)點(diǎn)［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，F(xiàn)PI）溫鹽傳感器和賽格納克干涉儀（Segnac Interferometer，SI）溫鹽傳感器。國內(nèi)外研究學(xué)者通過對(duì)光纖進(jìn)行拉錐、反拉錐、側(cè)邊拋磨、錯(cuò)位熔接、芯徑失配熔接等光纖微加工處理實(shí)現(xiàn)了光纖干涉儀的設(shè)計(jì)，其中MZI 因其簡單的光學(xué)結(jié)構(gòu)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(jié)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(diǎn)錐形光纖MZI，實(shí)現(xiàn)了海水溫度和鹽度的同時(shí)測量。2021年，ZHENG Hongkun等［11］提出了一種由兩個(gè)Fabry-Perot 腔組成的反射式光纖溫鹽傳感器，通過將錯(cuò)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(gè)用于補(bǔ)償溫度產(chǎn)生的耦合效應(yīng)。同年，YANG Chengkun 等［12］提出了一種基于級(jí)聯(lián)保偏光纖（Polarization Maintaining Fiber，PMF）錐形的SI，用于同時(shí)測量海水鹽度和溫度。當(dāng)傳感器周圍海水鹽度發(fā)生變化時(shí)，PMF 錐體漸細(xì)區(qū)域的相關(guān)折射率差也會(huì)相應(yīng)變化，最終導(dǎo)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(diǎn)，且取得了一定的研究成果，但普遍存在制作難度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等問題［13］，難以滿足海洋工程的應(yīng)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，F(xiàn)BG）設(shè)計(jì)的，單個(gè)FBG 即可構(gòu)成一個(gè)傳感器，其制作更簡單，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。但普通的FBG 只對(duì)溫度和應(yīng)變敏感，對(duì)鹽度不敏感。為了監(jiān)測環(huán)境中的鹽度變化，一些學(xué)者將濕敏材料涂覆在光纖光柵表面來實(shí)現(xiàn)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(huì)隨著環(huán)境濕度的變化產(chǎn)生可逆的體積線性膨脹和收縮。當(dāng)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(jìn)而使光纖光柵縱向應(yīng)力發(fā)生變化，最終導(dǎo)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(shí)現(xiàn)環(huán)境中鹽度的測量。其中，聚酰亞胺由于具有較強(qiáng)的耐熱性和較理想的疏水性而被廣泛應(yīng)用于海水的鹽度測量中。2008年，MEN Liqiu 等［17］通過兩個(gè)不同涂敷材料的FBG 級(jí)聯(lián)來同時(shí)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(qiáng)烈的溫度依賴性［18］，導(dǎo)致最終測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(jié)合FBG 的方法實(shí)現(xiàn)了海水溫度和鹽度的同時(shí)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(jī)械強(qiáng)度較低，導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)FBG，只能進(jìn)行離散點(diǎn)測量，無法實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)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(jì)算鹽度和溫度的數(shù)學(xué)矩陣，作為該傳感器的分析方法，并將其應(yīng)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?dāng)_，滿足大規(guī)模復(fù)用的需要，具有良好的海洋工程應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn)海水溫度和鹽度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)分布式測量。

1 原理分析

為了使DTG 對(duì)鹽度產(chǎn)生響應(yīng)，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(huì)發(fā)生積累或擴(kuò)散，其體積會(huì)發(fā)生線性膨脹或收縮［17］。當(dāng)溶液的鹽度值不變時(shí)，聚酰亞胺與溶液之間的水交換會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，聚酰亞胺中水的濃度最終會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)聚酰亞胺從低鹽度溶液中轉(zhuǎn)移到高鹽度溶液時(shí)，由于聚酰亞胺中水的濃度與周圍溶液的濃度不同，水會(huì)從聚酰亞胺中擴(kuò)散到溶液中，這將導(dǎo)致聚酰亞胺的體積收縮。反之，聚酰亞胺則會(huì)吸水而導(dǎo)致體積膨脹。

聚酰亞胺在溶液中的水交換是一個(gè)擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)，t是擴(kuò)散時(shí)間。該模型假設(shè)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(gè)圓柱體，水沿圓柱體徑向擴(kuò)散。式（1）柱坐標(biāo)下表示為

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

當(dāng)光纖沒入溶液中時(shí)，可視為光纖外溶液的濃度保持穩(wěn)定不變。此時(shí)外界環(huán)境中的水會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入光纖涂層中，最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。由式（2）可得到此時(shí)涂層中水濃度ci0為［17］

式中，erfc 是互補(bǔ)誤差函數(shù)。此時(shí)，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(huì)高于外界溶液。因此水會(huì)從涂覆層擴(kuò)散到外界溶液中，直到形成一個(gè)新的平衡狀態(tài)。此時(shí)，涂層中的水濃度ci1為

式中，erf 是高斯誤差函數(shù)。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(dāng)環(huán)境溫度恒定時(shí)，隨著外界溶液鹽度增加，包覆光柵外側(cè)聚酰亞胺涂層中的水濃度也會(huì)發(fā)生變化。為了使涂層和外界溶液中水濃度達(dá)到平衡，聚酰亞胺涂層中的水分會(huì)釋放導(dǎo)致其體積收縮，對(duì)DTG 產(chǎn)生徑向壓力和軸向應(yīng)變。而DTG 的徑向壓力可忽略不計(jì)，因此布拉格波長藍(lán)移是由聚酰亞胺收縮產(chǎn)生的負(fù)軸向應(yīng)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(dǎo)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(shù)。

在實(shí)際鹽度的測量過程中，環(huán)境溫度也會(huì)發(fā)生變化，溫度的變化會(huì)引起DTG 材料的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)產(chǎn)生變化，最終導(dǎo)致DTG 中心波長的偏移。由于PI 涂敷DTG 能夠同時(shí)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(zhǔn)確地測量外界溶液的鹽度，可使用僅對(duì)溫度敏感的無涂敷DTG 進(jìn)行溫度補(bǔ)償。因此，可以使用以下矩陣實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳感器制作

本文制作的準(zhǔn)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(gòu)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?dāng)_，丙烯酸脂涂層的厚度為62.5 μm。但實(shí)驗(yàn)證明鹽度對(duì)丙烯酸酯涂層也有影響［18］，在鹽水中會(huì)吸水或者失水。因此，為了得到溶液中準(zhǔn)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(gè)PI 涂敷DTG 用來檢測鹽度，柵距為2 m，6 個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diào)儀、恒溫水箱和計(jì)算機(jī)組成。在實(shí)驗(yàn)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(diào)儀實(shí)時(shí)解調(diào)出光纖光柵的中心波長，其數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集和記錄。測量中使用的光纖光柵陣列解調(diào)儀的型號(hào)為FBGDS-3000，購于武漢烽理光電技術(shù)有限公司，其儀表波段為1 549～1 553 nm，響應(yīng)時(shí)間為1 s，空間分辨率為1 m。在測量溫度時(shí)，所使用的恒溫水箱的型號(hào)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(dòng)度為±0.005～0.010 ℃。在溫度補(bǔ)償系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)中，把恒溫水箱中裝滿去離子水，將設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(shí)際溫度。以電子溫度傳感器測得的溫度值進(jìn)行標(biāo)定，并與光纖傳感器測得的溫度進(jìn)行對(duì)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(yīng)時(shí)間為200 ms，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和記錄溫度數(shù)據(jù)。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 溫度補(bǔ)償系數(shù)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(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)。改變恒溫水箱的設(shè)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(shí)間約為升高1 ℃的2 倍，故升溫時(shí)每梯度測量時(shí)間為10 min，降溫時(shí)每梯度的測量時(shí)間為15 min，使其在溫度穩(wěn)定時(shí)數(shù)據(jù)采集的時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(shù)據(jù)時(shí)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(jìn)行級(jí)聯(lián)并沒有影響光柵的性能，可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)分布式的測量。

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

溫度在25 ℃～30 ℃的范圍內(nèi)，步長為1 ℃，對(duì)監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，其結(jié)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(yīng)的擬合結(jié)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(yīng)。從擬合結(jié)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?yàn)槌斯饫w光柵本身對(duì)溫度產(chǎn)生響應(yīng)外，PI 涂層還會(huì)隨著溫度的變化而膨脹和收縮。

表1 PI 涂敷DTG 溫度響應(yīng)的線性擬合結(jié)果Table 1 Linear fitting results of PI coated DTG temperature response

表2 無涂敷DTG 溫度響應(yīng)的線性擬合結(jié)果Table 2 Linear fitting results of uncoated DTG temperature response

為了體現(xiàn)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(gè)DTG 與電子溫度傳感器的測量結(jié)果進(jìn)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(yīng)對(duì)比圖，其中黑線和紅線分別表示溫度連續(xù)變化時(shí)DTG1 和DTG8 中心波長偏移量的變化，藍(lán)線表示水溫不斷變化時(shí)電子溫度傳感器測得的實(shí)際溫度值。

圖5 電子傳感器與光纖傳感器的溫度響應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)的光纖傳感器可以實(shí)時(shí)地反映溫度的實(shí)際變化。而且，相比于電子溫度傳感器，光纖傳感器中一個(gè)DTG 就可以作為一個(gè)溫度傳感器，其尺寸更小，復(fù)用更簡單。然而，光纖傳感器在溫度上升和下降階段呈現(xiàn)為不對(duì)稱的梯形，這是因?yàn)楹銣厮湓诮档拖嗤瑴囟葧r(shí)所需要的時(shí)間比升溫時(shí)更長。為了使熱循環(huán)時(shí)每個(gè)溫度梯度的穩(wěn)定時(shí)間基本相同，將升1 ℃的測量時(shí)間設(shè)為10 min，而降1 ℃設(shè)為15 min。而且，不論是升溫還是降溫，當(dāng)?shù)竭_(dá)同一溫度時(shí)，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(shí)的靈敏度保持一致，DTG 在溫度測量中良好的重復(fù)性。在熱循環(huán)中，溫度每變化1 ℃時(shí)，DTG 相應(yīng)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(shí)具有很高的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)過程中，由于光纖陣列溫度解調(diào)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(yīng)。其中每個(gè)鹽度下的測量時(shí)間為20 min。不使用固體NaCl，是因?yàn)樗芙庠谒行枰^長的時(shí)間，在影響響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)也會(huì)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(shí)際測溫性能如圖6 所示，圖6 表明光纖傳感器溫度的應(yīng)用值和電子溫度傳感器測量值之間的變化一致性。因?yàn)槭覝丨h(huán)境下的溫度會(huì)在1 ℃以內(nèi)微小變化，而光纖陣列波長解調(diào)儀的精度有限，分辨率只有1 pm，所以偏移量的變化曲線會(huì)出現(xiàn)一些毛刺，導(dǎo)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(duì)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(yīng)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(guān)系并不好，這是由于鹽度的測量是在室溫環(huán)境下進(jìn)行的，并沒有進(jìn)行控溫，在每個(gè)鹽度梯度下的溫度并不相同。

圖7 未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)腜I 涂敷DTG 測量的鹽度響應(yīng)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(shè)定的鹽度值代入式（9），使用式（10）進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其中，標(biāo)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(diào)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(shí)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(bǔ)償后PI 涂敷DTG 的鹽度響應(yīng)。其中，圖8（a）為溫度補(bǔ)償后PI 涂敷DTG 隨時(shí)間的波長響應(yīng)，圖8（b）為PI 涂敷DTG 在4 mol/L 下隨時(shí)間的波長響應(yīng)。從圖8（a）可知，DTG1～DTG7 在相同鹽度下其波長數(shù)據(jù)時(shí)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(jìn)行級(jí)聯(lián)并沒有影響光柵的性能，可以實(shí)現(xiàn)鹽度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)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(yīng)階段和穩(wěn)定階段三個(gè)階段。跳變階段是因?yàn)榧铀僮鲿r(shí)，水的沖擊力會(huì)對(duì)PI 涂敷DTG 造成影響，隨著燒杯內(nèi)溶液的增加，水的沖擊力對(duì)PI 涂敷DTG 的影響減小。不穩(wěn)定階段是指PI 涂敷DTG 響應(yīng)鹽度的時(shí)間段，穩(wěn)定階段是指PI 涂敷DTG 在當(dāng)前鹽度下已經(jīng)穩(wěn)定的時(shí)間段。

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

從PI 涂敷DTG 中隨機(jī)選擇一個(gè)DTG 的測量結(jié)果與設(shè)定鹽度值進(jìn)行比較。圖9 為DTG7 隨鹽度變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，其中綠線為溫度補(bǔ)償后PI 涂敷DTG 中心波長偏移量的變化曲線，紅線為設(shè)定鹽度值的變化。當(dāng)傳感器從去離子水中移入5 mol/L 的NaCl 溶液中時(shí)，PI 涂敷DTG 的不穩(wěn)定階段所用時(shí)間更長，是由于溶液中濃度跨度太大，PI 涂敷DTG 的響應(yīng)所需時(shí)間更長。當(dāng)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(shí)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(guān)系。且PI 涂敷DTG 在去離子水中時(shí)的中心波長偏移量大于在0.6 mol/L 的NaCl溶液中時(shí)，這些結(jié)果驗(yàn)證了PI 涂敷DTG 測試結(jié)果在鹽度傳感中良好的重復(fù)性。

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

如圖10 所示，將溫度補(bǔ)償后的結(jié)果進(jìn)行線性擬合，表3 展現(xiàn)了其線性擬合結(jié)果。基于圖10 的擬合結(jié)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(guān)系，符合PI 的線性吸濕膨脹特性，證明了該溫度補(bǔ)償方案的有效性，表明了該傳感器可以實(shí)現(xiàn)鹽度的準(zhǔn)確測量。同時(shí)也進(jìn)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(guān)系，表明該傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度的精確測量。從表3 可以看出，溫度補(bǔ)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(bǔ)償后鹽度響應(yīng)的線性擬合結(jié)果Table 3 Linear fitting results of the salinity response after temperature compensation

圖10 溫度補(bǔ)償后的鹽度響應(yīng)Fig.10 Salinity response after temperature compen?sation

本文提出的光纖傳感器與現(xiàn)有文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單，可以準(zhǔn)分布式測量海水的溫度和鹽度，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。但是，該傳感器對(duì)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(yīng)時(shí)間為代價(jià)，可以進(jìn)一步提高其鹽度敏感性。較厚的涂層會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，從而導(dǎo)致較高的鹽度敏感性。靈敏度隨著厚度的增加而增強(qiáng)，但對(duì)鹽度的響應(yīng)也需要更長的時(shí)間。也可以適當(dāng)減小光纖的直徑，在PI 涂層厚度不變的情況下，適當(dāng)減小光纖包層的厚度，纖芯中光柵周圍包層的表面積會(huì)極大減小，導(dǎo)致相同鹽度變化產(chǎn)生的壓力對(duì)光柵作用力更大，使得中心波長偏移量增大，進(jìn)而提高傳感器對(duì)鹽度的靈敏度。此外，對(duì)聚酰亞胺薄膜進(jìn)行摻雜增加其親水性能，也能增加鹽度敏感度。同時(shí)考慮到無涂敷DTG 較弱的機(jī)械性能，也將進(jìn)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(gè)PI 涂敷DTG 和無涂敷DTG 直接串聯(lián)構(gòu)成了海水溫鹽準(zhǔn)分布式傳感器，雖然海水溫度呈垂直分布的特點(diǎn)，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(nèi)海水的溫度變化可忽略不計(jì)，故該傳感器可以實(shí)現(xiàn)海水溫度的精確測量與補(bǔ)償，具有一定的實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于拉絲塔光纖光柵的準(zhǔn)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(shí)體積會(huì)膨脹或收縮，由鹽度變化引起的膨脹或收縮反應(yīng)被轉(zhuǎn)換為加載在PI 涂敷DTG 上的軸向應(yīng)變，通過監(jiān)測其中心波長的漂移來準(zhǔn)分布地測量鹽度。在溫度補(bǔ)償系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)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(shí)測量實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)系統(tǒng)處于室溫環(huán)境，沒有進(jìn)行控溫操作，該傳感器仍能準(zhǔn)確測量出溶液的溫度，補(bǔ)償后得到的鹽度靈敏度平均為?5.58 pm/（mol/L）。實(shí)驗(yàn)證明，該傳感器可以同時(shí)實(shí)時(shí)準(zhǔn)分布式測量海水的溫度和鹽度，同時(shí)還具有測量范圍廣、測量準(zhǔn)確度高、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，在海洋工程中有一定的應(yīng)用前景。