一种深海测量场合用的盐度传感装置

技术领域：

本发明属于海洋光学传感技术领域，涉及一种深海测量场合用的盐度传感装置，采用MZ不同臂长的传感结构，利用反射镜将光返回到探测器进行光干涉信号的收集，再对信号进行解调和计算得到盐度。

背景技术：

目前，用于海洋领域的盐度传感技术主要由海鸟等龙头企业垄断，对于该产品的校准需要返回原厂进行，伴随着数据丢失以及校准可能存在偏差的问题，因此国内对海水盐度的探测具有较高的需求。国内对盐度传感器的研究大多跟随海鸟等企业，采用电导率的方法传感，电学方法只能测试海水中的自由离子，存在较多弊端，且近年来，基于电导率法测试盐度的方法没有明显发展，基于电学的传感方法遇到了瓶颈。对于光学传感器的高精度高分辨率等特点，有希望打破目前电学的传感精度。基于光学的盐度传感不仅可以适用于研究海洋的盐度环境变化，而且对于海洋牧场等多种经济效益场所都有广泛的应用。

中国专利号为2022107621483的专利，公开了一种法布里-波罗谐振腔式盐度传感器，其主体结构包括波长为633mn的激光器或简称激光器、光束准直器、电子控制器、FP腔、光电探测器、聚焦透镜和控制面板；激光器的输出端与光束准直器对应连接，光束准直器的输出端对应接有聚焦透镜，并通过聚焦透镜与FP腔光导通式连接，FP腔上接有光电探测器，光电探测器通过带有控制面板的电子控制器与激光器电信息连接，形成光电一体化结构的盐度传感器，用于对FP腔中的液体进行盐度测量；电子控制器为带有控制面板的光电信息自动控制部件，电子控制器的主体结构由控制芯片、低通滤波器、本振器和乘法器电信息连接构成，能实现光与电信号的转换式探测并控制，电子传感器控制过程能够通过控制面板实现操作，达到有效控制的效果；电子控制器用于控制激光器的输出与对接收到的信号进行处理，聚焦透镜通过FP腔投射的激光聚焦到光电探测器上，光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束；FP腔中装有液体，液体折射率或盐度的改变，会引起谐振频率发生改变，从而使反馈电压也发生改变；激光器发出的激光通过光束准直器之后进入到光纤，然后再通过隔离器进入FP腔，FP腔反射的激光通过环形器照射到光电探测器上，再通过本振器与光电探测器探测的信号相乘得到误差信号，误差信号经过低通滤波器后再通过PID结构的控制芯片计算得到控制信号，该控制信号反馈到激光器中，控制激光频率随着FP腔中的液体的折射率或盐度的改变而发生变化，实现盐度传感器的功能；该传感器难以满足大深度海洋环境的使用。其所述的FP腔的主体结构包括腔镜和腔体；柱体状內空式结构的FP腔的右端部与筒状结构的腔体对接式固定制有腔镜，腔镜上涂有反射介质，FP腔的腔体的内部中装有被测定用的液体，FP腔的腔镜的反射率为90-97％，FP腔的腔体的材料为微晶玻璃或不易受温度影响而伸缩的材料；FP腔的折射率与激光器的频率关系为：

中国专利号为2021100748402的专利，公开了一种具备原位自校准功能的电导率传感器，其技术方案是基于电解液体电导管温度与电导率自校准功能的原位自校准式电导率传感器，其主体结构包括第一铠装帽、第一校准电导管、第二校准电导管、开放式测量电导管、第一电极、第三电极、第一开放电极、第一导线、第二导线、第三导线、第二铠装帽、第二电极、第四电极、第二开放电极、第四导线、第五导线和第六导线；第一铠装帽和第二铠装帽为对称式匹配结构，均为圆盘状盒盖式结构；内部封有电导率为S1的第一校准电导管和内部封有电导率为S2的第二校准电导管均为管筒状结构；带有二个电极的开放式测量电导管为管筒状结构，第一校准电导管内连有第一电极和第二电极，第二校准电导管内连有第三电极和第四电极，用于二个电极测量的开放式测量电导管的内腔中设有第一开放电极和第二开放电极；与第一校准电导管电极相连接的有第一导线和第四导线，与第二校准电导管电极相连接的有第二导线和第五导线，与开放式测量电导管的电极相连接的有第三导线和第六导线；第一铠装帽上固定安装有第一电极、第三电极和第一开放电极，并分别与第一导线、第二导线和第三导线电连接；第二铠装帽上固定安装有第二电极、第四电极和第二开放电极，并分别与第四导线、第五导线和第六导线电连接；第一铠装帽和第二铠装帽之间并排式固定制有第一校准电导管和第二校准电导管，并分别密封式包套在第一电极与第二电极、第三电极与第四电极上，构成固装式结构；并行排列的第一校准电导管和第二校准电导管的上侧并行式固定制有开放式测量电导管，测量电导管中密封式分别套有电连接的第一开放电极和第二开放电极；第一铠装帽和第二铠装帽的材料包括环氧树脂；第一校准电导管、第二校准电导管和开放式测量电导管的排布结构为三角形排布或并列平行排布；第一校准电导管和第二校准电导管的外形为圆筒状或长方体筒状。其涉及的电导管的壳体为耐海水腐蚀、导热且电绝缘的材料；开放式测量电导管的二个电极相对位置和距离固定，置于海水或液体中用来测量海水电导率；电极材料具备耐腐蚀且稳定的性能，包括金属材料、铂电极、不锈钢电极、导电石墨烯、导电碳材料、碳黑、高掺杂半导体材料、导电高分子材料和导电塑料；电导管的壳体为非绝缘材料时，其内壁与外壁均涂有一层导热绝缘涂层材料；电导管的壳体内的导电液体包括盐水、酸性液体、碱性液体、酒精、油类、丙酮、甲醇和无机溶液；其使用前要先进行校准，将组成电导率传感器的三个电导管放入恒温水槽中，分别测量第一校准电导管、第二校准电导管的电导值与温度的关系曲线，再分别放入水三相点瓶和金属镓点瓶中，进行温度校准；然后将三个电导管放入不同电导率值的电解液中，测量在不同温度下的电导-电导率曲线；在现场应用时，先根据第一校准电导管和第二校准电导管测得的电导-温度曲线，获得温度值，再在测量电导管的电导-电导率曲线上查找相同温度下的电导和电导率曲线，通过测得的电导值实现对管外液体的电导率测量；每间隔5～10分钟的时间，用已知电导率值的标准电导管对电路进行校准，消除测量误差，其校准方法为，在已知校准电导管中溶液的电导率的情况下，能够测得液体此时的温度值；再用此温度值和两个校准电导管获得的电导值产生新的电导—电导率曲线；然后用新曲线去校准内存中的老曲线，实现原位实时校准；在新曲线下，通过测量电导管获得的电导测量值即得此时海水的电导率。

现有技术涉及的这些传感器普遍存在着涉及结构相对复杂，使用方法比较受条件限制，结构复杂，制备成本高，不易适用于深海环境的盐度测量。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提出一种深海测量场合用的盐度测量的盐度传感装置，通过盐度传感探头与激光器等光电部件的光电信息配合实现盐度测量，具有结构简单，分辨率高，灵敏度好和量程范围的等优势，可以替代现有的盐度测量技术，尤其适合应用于深海场合。

为了实现上述目的，本发明涉及的深海测量场合用的盐度传感装置的具体结构包括激光器、衰减器、光分束器、第一衰减器、第二衰减器、气体吸收池、FP标准具、探测器和环形器，还包括盐度传感探头、模数转换模块、工控机、电压输出模块、电流控制模块和温度控制模块，各部件电信息连通并光学配合构建组成盐度传感装置的一体式结构；具有电信息处理和调控功能的工控机内部装有labview程序的电流控制模块，电流控制模块使得激光器连续重复输出具有一定规律的光信号实现扫频，该光信号经过衰减器后，被光分束器分解为三路光束，第一路光束经过第一衰减器再经过气体吸收池后，再经过探测器接收，最后经过扫频处理扫出一个气体吸收池的峰，实现系统误差的校准；第二路光束经过第二衰减器后再经过FP标准具，然后经过探测器接收，最后经过扫频处理而出现均匀峰值，实现波长标定；第三路光束经过环形器，在二端口处经过盐度传感探头的盐度MZ探测路经得到正弦信号，再由探测器接收，由探测器接收后的三路信号在经过由模数转换模块转换后回到含有labview软件功能的工控机进行解调，从而实现反解，然后经过电压输出模块再经过电流控制模块和温度控制模块返回式控制激光器，实现盐度的测量。

本发明涉及的盐度传感探头的主体结构包括光纤准直器、分光棱镜、第一反射镜、第一光程差补偿窗口、第二光程差补偿窗口、第二反射镜、第一探测溶液和第二探测溶液，各部件按光学和机械结构原理配合构建成一体式的用于测量深海环境的盐度传感探头结构，通过环形器接入盐度测量装置系统，实现对海洋环境条件下的盐度检测和处理。

本发明涉及的深海测量场合用的盐度传感装置按功能区分的主体结构包括激光器、衰减器、工控机、模数转换模块、探测器和激光控制器，并有其配合组成解调系统；还包括光纤准直器、分光镜、镀增透膜的臂长控制窗口结构、反射镜和调整架，并由其配合构成盐度传感探系统结构；光纤准直器能实现光纤输入到空间光时保持光路处于准直状态，并实现反射光路的收回，在光纤内实现干涉；分光镜是将准直后的光按照1：1分成两束，分别入射到不同长度的海水中，组成两支光路；镀增透膜的臂长控制窗口结构能保证通光效率达到97％以上和控制两路光信号对水域探测的长度；反射镜和调整架是实现光路原路返回光纤准直器的调整结构，以及MZ两个不同长度的开口探测光路，开口探测光路是实现MZ折射率和盐度测量的结构功能，通过该结构功能实现两个不同长度的MZ臂，返回的光携带2nΔL的光程差，经过干涉之后可以得到折射率的相关信息；激光器要求单频无跳模激光器；衰减器控制光强的输入，工控机给labview程序提供平台，模数转换模块实现信号的采集和记录；解调系统通过对MZ正弦信号进行寻峰解调实现折射率和盐度的测量；该装置适用的环境为深层海洋盐度及折射率测量，用于海水的折射率和盐度测量，实现高分辨率、多参量测量和大容差。

本发明涉及的镀增透膜的臂长控制窗口结构能够保持通光，两路空间光的光程差由两路的空气长度差、窗口长度差和探测长度差与各自的折射率的乘积三部分组成，能满足光路的空气长度相同，窗口长度一致，通过结构分布实现光程差补偿，其MZ结构的光程差的产生来自于不同长度的探测部分2nΔL。

本发明所述的不同臂长的探测光路组成MZ结构，MZ干涉结果只携带由于探测水域的液体通过所产生的光程差；两条探测通路均采用开放流通的结构，保证两条光路所过的待测液体具有相同的光学特性，根据公式

得到结果，MZ干涉结果在ΔL确定的情况携带折射率信息，通过后期解调实现折射率与盐度的传感。

本发明涉及的解调系统还包括气体吸收池、FP标准具和LABVIEW解调程序，解调系统通过对单频激光器进行波长扫描，扫过气体吸收池的吸收峰以及FP标准具的谐振峰，通过此方法实现激光器的波长的确定以及系统的参数校正，对收回的信号的解调采用labview寻峰算法解调MZ的折射率，并在此基础上计算盐度。

本发明与现有技术相比，其传感器的总体结构设计简单，制备工艺成熟，其产品具有高分辨率和灵敏度，量程扩大，测量精度高，可广泛适用于深层海洋领域，应用环境良好。

附图说明：

图1为本发明涉及的盐度传感器的主体结构原理示意图。

图2为本发明的盐度传感器的测量光路结构原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及一种深海测量用的盐度传感器的具体结构，其主体结构包括激光器110、衰减器111、光分束器112、第一衰减器113、第二衰减器114、气体吸收池115、FP标准具116、探测器117和环形器118，还包括盐度传感探头130、模数转换模块124、工控机123、电压输出模块122、电流控制模块119和温度控制模块121，各部件电信息连通并光学配合构建组成盐度传感装置的一体式结构；工控机123的内部装有labview程序的电流控制模块119，电流控制模块119使得激光器110连续重复输出具有一定规律的光信号实现扫频，该光信号经过衰减器111后，被光分束器112分解为三路光束，第一路光束经过第一衰减器113再经过气体吸收池115后，再经过探测器117接收，最后经过扫频处理扫出一个气体吸收池的峰，实现系统误差的校准；第二路光束经过第二衰减器114后再经过FP标准具116，然后经过探测器117接收，最后经过扫频处理而出现均匀峰值，实现波长标定；第三路光束经过环形器118，在二端口处经过盐度传感探头130的盐度MZ探测路经得到正弦信号，再由探测器117接收，由探测器117接收后的三路信号在经过由模数转换模块124转换后回到含有labview软件功能的工控机123进行解调，从而实现反解，然后经过电压输出模块122再经过电流控制模块119和温度控制模块121返回式控制激光器110，实现盐度的测量。

本实施例涉及的盐度传感探头130的具体结构如图2所示，其主体结构包括光纤准直器100、分光棱镜101、第一反射镜102、第一光程差补偿窗口106、第二光程差补偿窗口107、第二反射镜103、第一探测溶液104和第二探测溶液105，各部件按光学和机械结构原理配合构建成一体式的用于测量深海环境的盐度传感探头结构，通过环形器118接入盐度测量装置系统，实现对海洋环境条件下的盐度检测和处理。

本实施例涉及的不同臂长的探测光路组成MZ结构，两路空间光的光程差由两路的空气长度差、窗口长度差以及探测光路长度三部分组成，该部分满足两条光路的空气长度差和窗口长度差之和为零，即该MZ结构的光程差的产生完全来自于不同长度的探测光路部分，由此MZ干涉结果只携带由于探测水域的液体通过所产生的光程差信息。

实施例2：

本实施例涉及的一种深海测量场合用的盐度传感装置的实际应用例，采用实施例1的技术方案制成的盐度传感装置，在青岛国家深海基地使用，经过3个月的反复调试和实际应用，其结果显示，在深度186-260米的多个不同深度海洋环境测试盐度，效率提高25％，精度完全达到设计要求，应用操作步骤节减。