[发明专利]一种基于中空光纤的海水深度传感器

说明书

本发明提供一种基于中空光纤的海水深度传感器，属于光纤传感领域。由一段抛磨一部分包层形成一个D型平台的中空光纤组成，在中空光纤的截面上有一个光纤纤芯和一个大空气孔。空气孔位于光纤截面的中心，光纤纤芯位于中央大空气孔的上侧。对中空光纤的一段包层区域抛磨加工形成D型平台以提高传感灵敏度，并在中央空气孔内侧镀有一层压敏材料和一层金薄膜。本发明提到的一种基于中空光纤的海水深度传感器可实现较大范围内的海水压强的高灵敏度传感，具有纤内集成、体积小、损耗低等优点，能够实现对海水压强实时检，测适合复杂环境下的海水深度测量。

技术领域

本发明涉及一种基于中空光纤的海水深度传感器，属于光纤传感领域。

背景技术

随着我国对海洋资源的逐步开发与利用，掌握我国领海内全面的海洋信息对海洋深潜探测、海洋保护等具有广泛的应用价值，目前，世界上绝大多数国家已实现了深海探测作业。

光纤内部导光的光学特性对外界环境的变化十分敏感，包括导光的振幅、波长、相位和偏振态等均会随着外界压力等物理量的变化而产生明显的改变。根据应用的领域不同，光纤传感器可分为温度传感器、湿度传感器和压力传感器等。光纤传感器以其灵敏度高、易于集成、抗电磁干扰能力强、适合复杂环境下的物理量的测量等特点广泛应用在海洋传感领域。

光纤压力传感器是一种新型且被广泛使用的一种压力传感器，它可将外界压力的变化转化为光纤中导光性质的变化。传统的压力传感器通常以电信号为载体，将外界的应变量转化为电信号的变化。这一类型的压力传感器通常体积较大、解调复杂，并且抗电磁干扰能力较差，不适合在复杂的海水中进行测量。与此同时，随着光纤技术的发展，光纤压力传感器以其结构简单、解调方便和良好的抗电磁干扰能力等优点逐渐取代了传统的以电信号为载体的压力传感器。

光纤压力传感器根据其结构不同主要分为四种类型，分别为：光纤光栅压力传感器、干涉型压力传感器、偏振型压力传感器和SPR型压力传感器。近年来，表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance.SPR)技术受到众多研究学者的关注。SPR效应会发生在介质-金属的交界面，当在纤芯中传输的光束发生全反射时形成的倏逝波和金属层中的表面等离子体波发生共振时，反射光的能量急剧下降，在输出谱线中会出现明显的损耗峰。在外界环境变化时，可表现在损耗谱的共振峰会发生偏移，损耗峰所对应的波长称为SPR的共振波长。SPR型传感器对外界环境中折射率的变化十分敏感，故常用于生化分析物、药品和化学试剂的检测，在医疗与生物化学领域应用广泛。

倏逝波是指光在纤芯-包层接触面处发生全反射时会有一部分光会先透射到包层，在包层中传输一定的距离后又重新反射回纤芯之中，此时在包层中传输的一小段与入射波长同量级的光波，被称为倏逝波。若在包层表面镀有一层金属薄膜，此时倏逝波会进入到金属薄膜中并影响金属薄膜中自由电子的运动，内部的电子会发生集体运动形成表面等离子体波，改变入射光的波长并达到一个特定值时，入射光能量会急剧衰弱并转换成表面等离子体波(Surface Plasmon Wave.SPW)的能量。

所述传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、结构简单灵活、测量范围较宽且制做成本低廉等特点被广泛使用。在研究中通常利用镀金、银等金属或金属氧化物薄膜来增强SPR效应，本发明在中央空气孔内侧先沉积一层压敏材料，这层压敏材料的弹光系数很高，可将外界压力的变化转化为较高的折射率变化以获取较高的压力敏感度，与没有压敏材料时相比，压力传感灵敏度最高提高了超过3.4倍。

在专利号为CN208568143U的“一种基于金刚石薄膜的海水压力传感器”，其特征在于采用单晶或多晶硼掺杂金刚石材料所制作成的压敏薄膜，基底内部形成有应力腔，配合复合电极产生电压信号传送至后端的信号采集电路以实现压力传感。但对于此类电学的传感方法，其传感元件体积较大不利于集成，电平信号会受到外界电磁干扰导致传感结果不稳定。