(一)本發(fā)明涉及的是一種基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器，可用于海洋傳感應(yīng)用場景下對鹽度、壓強、溫度、重金屬濃度和生化分子的測量，可廣泛應(yīng)用于海洋探測、水體安全、生物醫(yī)學(xué)等光纖傳感應(yīng)用領(lǐng)域，屬于光纖傳感。

背景技術(shù)：

0、(二)背景技術(shù)

1、海洋勘探作為認識海洋生態(tài)、研究海洋環(huán)境、開發(fā)海洋資源的前提，對人類社會具有重要意義。近年來，由多功能小型傳感器組成的海洋探測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其探測范圍廣、成本低、實時監(jiān)測等獨特優(yōu)勢成為海洋探測的發(fā)展熱點。光纖傳感器作為一種創(chuàng)新的傳感技術(shù)正在興起，具有多功能性、小型化、抗電磁干擾、易于防水和易集成到光纖通信網(wǎng)絡(luò)中等優(yōu)點，逐漸取代傳統(tǒng)的電子傳感器，并被公認為是海洋網(wǎng)絡(luò)化探測技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。海洋研究中，需要探測的參數(shù)很多，其中鹽度、溫度和氣壓能夠計算海洋密度、深度和動力學(xué)等關(guān)鍵因素，以實現(xiàn)海流、潮汐和層結(jié)的實時分析，重金屬濃度和生化分子是判決水體安全的重要的參量。

2、海水的復(fù)雜環(huán)境對光纖傳感器提出了更大的挑戰(zhàn)，當(dāng)前大多數(shù)的光纖傳感器只能用于測量海水的一個或兩個參量，單一的參量監(jiān)測限制了傳感器的實用性，且主流的光纖傳感器都是基于傳輸式結(jié)構(gòu)，這不僅限制了其使用場景，而且使得應(yīng)用時更加具有挑戰(zhàn)性。

3、專利cn202410327442.0提供一種基于并聯(lián)游標(biāo)的d型腔光纖海水溫度傳感器及制作方法，整體結(jié)構(gòu)分為傳感法布里-珀羅干涉儀(sfpi)和參考法布里-珀羅干涉儀(rfpi)。在sfpi中，利用飛秒激光微加工技術(shù)在空芯光纖上刻寫d型微腔，并在其中填入可固化的流體溫度敏感材料形成溫度傳感區(qū)；在rfpi中，再次利用飛秒激光微加工技術(shù)在單模光纖上刻寫一對反射鏡，實現(xiàn)反射面之間的長度精準(zhǔn)可控，可實現(xiàn)對海水溫度的高精度測量，但是該傳感器無法實現(xiàn)多參量的海洋傳感器測量。

4、專利cn202410208772.8公開一種原位高靈敏光纖海水鹽度傳感裝置及方法。在海水鹽度測量過程中，光信號沿雙路光纖形成傳輸?shù)膫鞲斜叟c參考臂，整個裝置在轉(zhuǎn)折點處具有超高的鹽度靈敏度，但是該傳感器無法實現(xiàn)多參量測量，傳輸式結(jié)構(gòu)也限制了其使用便捷性。

5、專利cn201710114769.x提供的一種投棄式全光纖海水溫深剖面?zhèn)鞲衅?，所述的全光纖溫深傳感器包括測量海水溫度的鍍增敏膜的長周期光纖光柵、測量海水深度的光纖布拉格光柵，以實現(xiàn)對海水溫深度剖面的高靈敏度和分別獨立測量合理分配了波譜范圍，實現(xiàn)fbg-lpg的單光路級聯(lián)和同步檢測，但由于fbg對于折射率的不敏感性，限制了該傳感器對海水鹽度的測量。

6、為了克服上述在先技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器。該傳感器集成了五個測量通道：七芯光纖三個邊芯側(cè)面拋磨后鍍上金屬納米膜以形成三個表面等離子體共振(spr)傳感通道，毛細管結(jié)構(gòu)纖端注入透明彈性膠體后形成fpi以測量壓強和溫度，在對應(yīng)邊芯拋磨區(qū)域七芯光纖中央芯上刻寫光纖光柵(fbg)用作溫度補償部件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，階梯狀內(nèi)徑毛細管結(jié)構(gòu)有效簡化了填充彈性膠體的過程，并提高了傳感器制備的可重復(fù)性。對芯反射結(jié)構(gòu)有效地將基于七芯光纖邊芯側(cè)拋的spr透射譜引導(dǎo)到七芯光纖的對角側(cè)芯中，該方法有效地防止了信道之間的串?dāng)_，并且顯著地降低了解調(diào)多參量測量結(jié)果的復(fù)雜性。作為一種多參量測量、易于解調(diào)的探針式光纖傳感器，能夠有效應(yīng)用在海洋探測、水下環(huán)境感知等領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)思路

0、(三)
技術(shù)實現(xiàn)要素：

1、本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊靈活、可批量生產(chǎn)的一種基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器。

2、本發(fā)明的具體實施方式如下：

3、基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器系統(tǒng)由寬帶光源，環(huán)形器，七芯光纖扇入扇出器，探針型多參量海洋傳感器和光譜儀組成?；谄咝竟饫w的探針型多參量海洋傳感器是七芯光纖依次焊接第一級毛細管光纖和第二級毛細管光纖，將第二級毛細管光纖端研磨成錐體圓臺并在研磨面鍍上納米金膜實現(xiàn)光信號的對芯耦合傳輸，毛細管結(jié)構(gòu)內(nèi)填有透明彈性膠體，形成的fp空氣腔用于測量溫度參量和壓強參量；七芯光纖三個邊芯側(cè)面拋磨后分別鍍上金屬納米膜，形成三個表面等離子波(spw)敏感區(qū)；在七芯光纖中央芯上對應(yīng)邊芯拋磨處分別刻寫光纖光柵(fbg)，用于參量測量時的溫度補償，該光纖傳感系統(tǒng)能夠滿足海洋傳感應(yīng)用場景下的對鹽度、溫度、壓強、重金屬濃度與生化分子測量的需求。

4、圖1和圖2闡釋了基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器的工作原理。

5、如圖1所示，首先，將寬帶光源1的寬譜光耦合輸入到單模光纖3中，經(jīng)過寬帶環(huán)形器4后，該寬譜光通過特殊的七芯光纖扇入扇出器5后被傳輸?shù)狡咝竟饫w纖芯中。七芯光纖端焊接一小段階梯狀毛細管光纖，將毛細管光纖端經(jīng)過端面研磨制成錐體圓臺8，利用磁控濺射裝置在該錐體圓臺8研磨面上鍍上納米金膜，在毛細管內(nèi)部填充透明彈性膠體，由于毛細效應(yīng)發(fā)生的強度與孔徑大小成反比，彈性膠體僅存在與第二級毛細管中，與第一級毛細管空氣腔構(gòu)成fp空氣腔9，七芯光纖三個邊芯側(cè)面拋磨后，鍍上金屬納米膜形成傳感區(qū)spr1，spr2與spr3，并在七芯光纖中央芯上對應(yīng)拋磨區(qū)域分別刻寫fbg1、fbg2、fbg3以用于參量測量時的溫度補償。

6、為了論述清晰起見，如圖2所示，光在傳感探頭中的光傳播分為三個階段。階段i為進入中間纖芯的光對應(yīng)于fbg反射光譜的光信號被反射回來，由光譜儀2讀出，用于溫度串?dāng)_補償；階段ii為，進入七芯光纖中央芯波導(dǎo)的光耦合進入第一級毛細管光纖25的諧振腔中；階段iii為，七芯光纖波導(dǎo)spr光信號22、23、24由錐體圓臺反射到對角波導(dǎo)中，經(jīng)過扇入扇出器后傳回到光譜儀2中，27、28、29為七芯光纖中spr光信號傳輸?shù)牟▽?dǎo)組合。

7、所述一種實現(xiàn)單模光纖與七芯光纖互聯(lián)耦合的扇入扇出器，其征是可實現(xiàn)七芯光纖的各纖芯與對應(yīng)單模光纖的獨立耦合傳輸。

8、所述的通過錐體圓臺的研磨技術(shù)可以在第一級毛細管光纖端研磨成錐體圓臺，控制電控位移臺調(diào)節(jié)毛細管結(jié)構(gòu)纖端與研磨臺面的接觸角度，即在傳感器纖端制成反射角為45o的錐體圓臺。

9、本發(fā)明提供的基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器，在傳感環(huán)境中能夠同時實現(xiàn)溫度、壓強、鹽度、重金屬濃度和生化分子的測量。與在先技術(shù)相比，傳感器由于采用扇入扇出器，結(jié)合多芯光纖空分復(fù)用技術(shù)，有效避免了參量測量時的互相串?dāng)_，結(jié)構(gòu)緊湊靈活，滿足了海洋傳感場景下對多參量測量的需求。

技術(shù)特征：

1.一種基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器系統(tǒng)，其特征是：該光纖傳感器系統(tǒng)由寬帶光源，環(huán)形器，七芯光纖扇入扇出器，光譜儀和基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器組成，該多參量海洋傳感器是由一段七芯光纖焊接一段階梯狀內(nèi)徑毛細管結(jié)構(gòu)，其中毛細管結(jié)構(gòu)纖端被研磨成錐體圓臺，并在圓臺研磨面鍍上納米金膜以形成光信號的對芯耦合，毛細管光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)填充透明彈性膠體形成法布里-珀羅干涉儀(fpi)以測量傳感區(qū)的溫度參量和壓強參量，七芯光纖三個邊芯側(cè)面拋磨后鍍上金屬納米膜以形成三個表面等離子體共振(spr)傳感通道，在七芯光纖對應(yīng)邊芯拋磨區(qū)域的中央芯上寫入光纖光柵(fbg)以補償參量測量時的溫度串?dāng)_。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器系統(tǒng)中，一種實現(xiàn)透明彈性膠體精準(zhǔn)填充的階梯狀內(nèi)徑毛細管結(jié)構(gòu)，其特征是：該結(jié)構(gòu)是由第一級毛細管和第二級毛細管組成，第一級毛細管內(nèi)徑比第二級毛細管內(nèi)徑大數(shù)十微米，由于毛細效應(yīng)強度與毛細管內(nèi)徑成反比，填充的彈性膠體僅存留在第二級毛細管中，即纖端fp空氣腔的長度與第一級毛細管長度相同，彈性敏感膜的長度與第二級毛細管長度相同，提升了制作fp諧振腔的可重復(fù)性與精確性。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器系統(tǒng)，通過錐體圓臺研磨技術(shù)在第二級毛細管纖端制成反射角為45o的對芯反射錐體圓臺，有效將基于七芯光纖邊芯側(cè)拋的spr透射譜引導(dǎo)到七芯光纖的對角側(cè)芯中。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器，分別采用spr、fpi與fbg三種傳感原理，與多芯光纖空分復(fù)用技術(shù)結(jié)合，能夠?qū)γ總€通道的測量結(jié)果進行獨立解調(diào)，該設(shè)計有效地防止了信道之間的串?dāng)_，并且顯著地降低了解調(diào)多參數(shù)測量結(jié)果的復(fù)雜性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供的是一種基于七芯光纖的探針型多參量海洋傳感器。其特征是：它由寬帶光源、七芯光纖扇入扇出器、環(huán)形器、光譜儀和七芯光纖探針組成，該光纖探針是由一段七芯光纖依次焊接兩段不同內(nèi)徑的毛細管。將探針纖端研磨成圓錐臺，錐臺研磨面鍍上納米金膜，纖端毛細管內(nèi)填充透明彈性膠體，七芯光纖三個邊芯側(cè)面拋磨后鍍上金屬納米膜，對應(yīng)邊芯拋磨區(qū)域的七芯光纖中央芯上寫入光纖光柵，即可實現(xiàn)在海洋傳感應(yīng)用場景下對鹽度、壓強、溫度、重金屬濃度、生化分子的測量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)靈活緊，可廣泛應(yīng)用于海洋探測、水體安全、生物醫(yī)學(xué)等光纖傳感應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：鞠濤,牛浩,劉存良,唐琦,馮程成,孟林,苑立波
受保護的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19