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一、引 言  传统测温的电学传感器主要有热电偶式、金属电阻式和半导体热敏电阻式等。热电偶式复制性和稳定性较好，通过采用薄膜式结构可使其热惯性较小，但灵敏度较低。金属电阻式具有较好的灵敏度、稳定性和复制性，曾是当时海洋探测领域使用比较广泛的传感器。但因金属电阻值较低，检测系统的导线阻值变化就不能忽略，如铂测温电阻，1Ω的导线电阻将会产生－2.5℃的测量误差，必须采取相关措施进行补偿以抵消此误差。由于海洋中特殊的水团环境，如不同水层存在温度梯度等因素，若使用投弃式探测器进行海水剖面温度测量时，这就要求传感器的时间常数足够小。但研究证明，铂电阻测温传感器的响应时间是十几秒，时间常数不理想，同样不是进行海洋测温的理想选择。半导体热敏电阻式的灵敏度很高，热惯性也较小，但其稳定性和复制性较差。热敏电阻的响应时间虽然可以达到毫秒级别，但是研究证明其在测试过程中通过的电流很难控制并且经常会很大，同样也会带来测量误差。 综上所述，传统海洋温度传感器大都采用铂电阻或热敏电阻，优点是稳定性、可靠性较好，精度也较高，虽然技术成熟度很高，但仍有一些问题需要解决: 如恶劣的海洋环境对电学传感器的耐压、耐腐蚀性及防水要求很高，水下传输信号易受干扰等，同时其也存在研发投入成本高、寿命短、复用组网难等问题，光纤布拉格光栅(FBG)传感器则可以使这些问题迎刃而解，其在海洋监测中也表现出极大的优势，如本征绝缘、成本低廉、易组网、原位实时测量、湿端无电且无功耗，国内外也已开展关于此领域的大量研究工作。 二、光纤光栅温度传感原理 光纤Bragg光栅是一种将周期性微扰作用于光纤纤芯，使其折射率发生轴向周期性调制而形成的光纤无源器件，其本质上一种具有波长选择能力的窄带反射器，结构如图1所示。利用光纤光栅对于温度和应变敏感的这两种效应，可以检测多种物理量。由于裸光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的海洋环境中容易受到损伤，只有对其进行保护性的封装设计，才能保证光纤光栅具有更稳定的性能，进而延长其使用寿命。同时，通过合适的封装结构，选用不同的基底材料，也可以实现温度增敏和交叉补偿等功能。  图1 光纤布拉格光栅结构示意图 三、光纤光栅温度传感器国内外研究进展 近些年来，光纤传感技术发展异常迅速，同时呈现出巨大的发展潜力，受到西方国家的高度重视，我国也特别重视这一新型传感器的研发与应用。关于光纤传感器的研制，我国的起步时间与发达国家相差并不是太远，而且目前相当一部分的成果具有较高使用价值，有的已达到国际先进水平。目前，光纤光栅通常采用波长调制，利用波分、时分等复用技术可以方便地获取海洋温度剖面信息，其在海洋环境探测中具有极大的应用潜力。光纤光栅诸多本征优势已引起国内外许多科研工作者和科研单位开展其在海洋应用方面的相关研究。 ⒈单温度传感器 光纤布拉格光栅基于波长调制，其是通过光刻在光纤上的光栅间距变化感知外界温度变化，从而对反射波长行调制，实现光纤“传”与“感”的合一，采用合适的封装结构和工艺，可达到温度增敏、压力减敏的目的，进而实现对温度的测量。2005年，中国科学院上海光学精密机械研究所詹亚歌等提出一种采用铝槽的封装结构，使温度传感器结构更加牢固，并且更便于安装固定。2007年，山东省科学院激光研究所魏玉斌等提出一种光纤光栅温度传感系统，其中传感器采用聚酰亚胺绝缘材料封装，可以实现实时、快速、准分布式测温，实验表明这一系统的测温精度达±1℃，分辨率达0.1℃。 2013年，中国科学院半导体研究所王永杰等在青岛海边将所研制的FBG温度传感器同SBE56(Sea Bird Electronic，SBE)进行海试比对，测试表明FBG温度传感器的精度达0.1℃，测温范围0～35℃，灵敏度达30pm/℃，响应时间可达50ms左右。2014年，王永杰、王瑨等设计一种采用紫铜管双端封装的FBG，其响应时间最快可达48.6ms，基本达到了商用电学传感器的响应时间水平，可满足海洋环境温度监测的特殊需求。2015年，王永杰、王瑨等设计了一种新型的光纤布拉格光栅温度传感器，其方案如图2所示。 图2 传感器封装结构示意图 实验证明其无压力情况下，在0～35℃的温度范围内，表现出较好的重复性、迟滞性及线性度，传感器温度灵敏度为29.9pm/℃，与理论值接近。并进行0～5MPa范围的压力敏感性测试，结果表明FBG中心波长不受压力的影响。 2016年，武汉东湖学院高晓丹等采用电镀法和磁控溅射法设计一种电镀增敏的铜薄膜且耐海水腐蚀的碳薄膜光纤光栅温度传感器，模拟海水温度0～50℃时，表现出较高的线性度，温度灵敏度随铜薄膜的厚度呈指数增长，研究也发现这一类金刚石结构可抑制增敏铜薄膜层在海水中的腐蚀。 2017年，山东科学院研究所吕京生和张发祥等设计了一种适用于海洋抛弃式测量的FBG温度传感器，结构如图3所示。金属管封装的FBG 制作相对简单，不会对栅区造成影响，响应时间为38ms；金属外层直接封装的FBG在受力不均匀时容易发生啁啾，对工艺要求较高，响应时间为17ms。  图3 FBG温度传感器结构示意图 同年，武汉大学Qu Y等设计了一种适用于海洋监测的高灵敏度光纤光栅温度传感器，其采用电镀铜的方法实现温度增敏，传感器外由类金刚石碳膜包裹以保护铜镀层不被海水腐蚀，其结构如图4所示。温度灵敏度可达21.86pm/℃，同时模拟海洋环境实验测试表明其在38天内具有较好的稳定性。  图4 FBG涂层结构示意图 FBG能够直接应用于海洋温度传感，采用特殊封装结构可大大提高温度灵敏度，同时响应时间短，海水剖面温度测量速度快，是面向海洋温度测量的重要选择。紫铜管双端封装的FBG，通过填充特殊的高导热物质，表现出较快的响应速度。通过电镀铜方式可使FBG达到增敏目的，同时其外的类金刚石碳膜可抑制海水腐蚀。总体看来，海洋光纤光栅温度传感器适应未来海洋环境测量方法的发展方向，对交叉敏感问题的解决以及封装材料、结构和工艺的改进，将使光纤光栅温度传感器的发展更具技术优势。 ⒉多参量温度传感器 电导率法是检测海水盐度的传统方法，使用温盐深仪可以实现盐度快速连续的测量。但由于电极长期处于海水环境易腐蚀、易受电磁干扰，通过折射率变化测量盐度是另一种新的方法。随着海水盐度的不同，光折射率会发生变化，并且在一定温度条件下两者存在线性关系，因此通过检测海水折射率的变化来间接检测海水盐度是一种可行的技术方案，但必须注意温度变化对折射率的影响，因此在测量盐度的同时需要进行温度敏感性补偿。 2005年，法国科学家Marrec L等利用FBG和LPG( Long Period Grating，LPG)集成方式制作了一种温盐传感器。实验结果表明，温度传感器FBG的灵敏度为51pm/℃，盐度传感器LPG的灵敏度达4.6pm/(g·L-1)。2008年，加拿大Liqiu Men等实现了光纤光栅温度与盐度的同步测量，但温度灵敏度仅有10.2pm/℃，盐度灵敏度仅为16.5pm/(mol·L-1)，远小于实际需求。2011年，LinhViet Nguyen等开展了FP温盐计的研制，传感器结构小巧，可同时测量温度和盐度，但灵敏度远不能满足当前CTD的要求。2013年，Pereira D A等设计一种可同时测量海水温度和盐度的测量装置，探头采用两个串联的FBG1和FBG2，其中FBG1只对温度敏感，FBG2经过化学蚀刻处理对周围水环境折射率的变化敏感，其温度分辨率达±0.38℃，盐度灵敏度可达±1.3‰。 2017年，Dong Luo等提出一种可同时测量海洋盐度和温度的光纤光栅传感器，如图5所示，其在蚀刻光纤光栅( Etched Fiber Bragg Grating，EFBG)的基础上涂覆50nm厚的聚酰亚胺层以消除作用在EFBG上的应力。该传感器的折射率灵敏度为125.92nm/RIU，温度灵敏度为43.5pm/℃，其同时具有低成本、易制作和灵敏度高等优点。  图5 涂覆聚酰亚胺薄膜的蚀刻FBG结构 2017年，Dinesh Babu Duraibabu等提出一种适用于海洋精确测量的具有温度补偿的微型压力传感器。其结构同样基于EFPI和FBG。EFPI用于压力测量，FBG 用于温度测量。将这一传感系统安装在一种微型遥控潜水器中可用于监测水下不同深度的压力变化，如图7所示。  图7 传感器结构示意图和测量安装图 同年，海南热带海洋学院吴路光等设计了一种可用于同时测量海水温度和深度的FBG 传感器，如图8所示。其采用弹性膜片结构，测量压力的光纤直接与膜片相连，从而使膜片在压力作用下产生轴向位移，进而拉动压力测量光纤以实现压力测量；将测量温度的光纤单独固定，采用进水腔结构，以保证光纤直接与海水接触时免受海水冲击，这一设计可实现快速测温，并进行温度补偿。  图8 温深传感器示意图 光纤压力传感器一般采用相位或波长调制，在实现波分复用与分布式测量中具有独特优势，存在的问题主要是轴向抗拉力的极限限制以及需同时兼顾测量范围和测量分辨率。随着技术的发展和封装材料工艺的进步，基于EFPI的大量程压力传感器将更加容易制作。 海水的温度、盐度和深度是研究海洋环境变化的最为基本的物理量，深刻影响着气候变化和人类探测活动，是海洋探测中最重要的物理量。充分研究各光纤器件的不同性能，将其合理组合利用，实现彼此性能互补，将是多参量光纤光栅温度传感器的又一发展方向。 ⒊准分布式温度传感器 光纤光栅中心波长由其有效折射率与周期共同决定，因此可以在同一条光纤上刻蚀多个具有不同反射波长的光纤光栅，进行分布式温度测量以方便获取海洋温度剖面信息，这是传统海洋电学传感器不能实现的。在实际海洋环境温度监测时，常常采用准分布式温度传感器，也称点温度传感器，即通常所说的分布式温度测量系统，国外也早已经报道了多种光纤分布式温度测量系统：如英国York传感器公司推出了分布式光纤温度传感系统，并积极开拓这其在海洋环境监测中的应用，已取得较大进展。日本研制的光纤分布式温度传感器测量系统已在海上进行了大量试验，可测量从海平面到300m水深的温度分布; 日本还研制了一种可长时间工作于深海的光纤分布式测温系统，测温范围为0～10℃，精度可达0.3℃。 2011年，华北电力大学李星蓉等利用40个FBG 组成2条传感链，可测量海水深度为200m。为消除温度和应力的交叉影响，其在设计中对传感器进行特殊铠装密封封装，并对FBG 温度传感器进行耐压测试。然而FBG温度灵敏度较低，该系统精度为0.2℃。2016年，王永杰等提出了船载拖曳与全光纤温度链相结合的新型测量系统，如图9所示。  图9 系统示意图 其通过对光纤光栅的特殊封装和标定测试，FBG的灵敏度和响应时间分别达到28.5pm/℃和214.8ms，满足浅表层海域的测试要求。设计并制备40只FBG温度传感器，并研制一条总长200m的光纤光栅传感器拖曳链，将40只FBG以等间隔的形式串接于其中，如图10所示。  图10 编制完好的传感器链 温度拖曳阵配合解调设备和绞车系统，于黄海部分海域完成水深70 m 的拖曳试验，同时与SBE进行比测实验，如图11和图12所示。  图11 温度传感器与SBE56捆绑图  图12 拖曳中的传感器链 海试证明，该系统测量精度优于0.01℃，具有较高实用价值。2017年，王永杰等首次将温度传感器和压力传感器集成在拖曳缆中，这一观测系统可随船舶运动实现海平面至水下200m温度垂直剖面的高采样频率、高水平分辨率、实时、连续性观测，如图13所示，其测温精度可达0.01℃，压力精度可达0.1%。这一系统的成功研制将为获取高时空分辨率的温度资料提供非常宝贵的技术手段，也大大提高了船时的利用效率。 图13 系统整体示意图及拖曳应用中的实物图 同年，王永杰、王建丰等研制了基于无线传输的光纤温度链遥测系统，如图14所示。这一系统可获取海洋不同深度的水温情况，以保障海洋牧场的生态和生产环境的安全。这是光纤光栅温度传感器首次实际应用于海洋养殖方面，并且遥测系统的手机软件也已投入使用。 图14 海洋牧场温度链遥测系统示意图 对温度阶跃层的调查一直是海洋研究的重点。单纯温度拖曳链测量时没有准确的深度信息，只有相对位置，无法将测得的温度信息与深度联系起来，缺少深度定位，因此与实际深度的温度信息有差距，缺少压力传感器也不能达到精确定位温度传感器和判断拖曳链水下姿态的目的。船载温深剖面测量系统首次将温度传感器和压力传感器集成在拖曳缆中，这一成功研制将为获取高时空分辨率的温度资料提供非常宝贵的技术手段。传感器封装技术及工艺、可靠性筛选、系统集成等基础工作的加强，甲板设备单元小型化、自动化等设计的完善，将会使这一准分布式光纤光栅温度传感系统的实用化水平得到长足的提高。物理海洋的六要素为温度、盐度、深度、波浪、海流、潮汐，其中盐度的测量与温度、深度密切相关，因此没有盐度的温深仪是不完备的。将现有温深传感拖曳链结合盐度测量方法，集中开展温盐深仪的研究，这是面向海洋应用的光纤光栅传感系统的又一发展思路。 四、总结与展望 光纤光栅传感器被认为是新一代的海洋传感器，目前国内外的研究十分活跃，有些光纤传感器正从实验室研究阶段走向工程应用阶段，已有实际应用的报道。通过广泛调研可知，国内外海洋测温传感器目前大多数处于实验室研发和实验阶段，仅部分进行海试实验，另外测温系统精度较低，不能实现高精度测温。几年来，中国科学院半导体研究所在海洋测温领域做了一系列相关系统性实验和研发工作，并完成大量实际海洋环境测试，进而验证传感系统的实际应用性能，在整个实验研发环节，也得到海洋技术中心和华北水电的大力支持和帮助。 光纤布拉格光栅以其独特的传感优势在海洋环境监测领域得到了高度重视和日益广泛的应用。但相比于土木工程、航空航天、石油化工等领域，光纤传感技术在海洋监测领域的渗透较少，应用和发展还尚处于初级阶段，相对于传统电学传感器在海洋仪器设备中的大量使用仍存在较大差距。同时现有光纤光栅传感器受限于材料和工艺水平，仪器环境适应性仍较差、工作可靠性不够高，距离国外先进产品尚有一定差距。光纤光栅虽具有应用于海洋环境测量的天然优势，如其自身对温度与压力等多种因素敏感。但是，实现面向海洋应用的光纤光栅传感器实用化还有很长的路要走，光纤光栅传感的发展仍然面临许多技术方面的困难。例如如何实现温度高灵敏度测量、快速响应与传感器铠装保护的平衡；如何解决FBG 本身温度与压力交叉敏感的问题；如何实现大范围、高精度和快速原位实时测量；如何有效利用光源的有限带宽进而实现更多光栅的复用；如何开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测系统等，这些都是保证FBG传感测量系统能够走向实用化的关键，同时也是科研工作者的重要研究方向。 目前，海洋探测技术正在向着小型化、多参数化、模块化、智能化等方向发展，这就对海洋探测传感器提出了更高的要求。FBG能够直接应用于温度传感，并且通过复用集成式分布测量可以较方便的获取海洋温度剖面信息，同时其又具有响应时间短、测量速度快等优点，其适应未来海洋探测方法的发展方向，是面向海洋温度测量的重要选择。 五、结束语 光纤传感器凭借其独特的传感优势，十分适用于恶劣的海洋环境的监测。近年来，光纤传感器面向海洋的温度、压力、盐度等方面的研究都有了很大的发展。基于海洋科学发展现状和实际需求，本文阐述了几年来国内外光纤光栅温度传感技术在海洋环境探测领域的最新研究进展，分析其传感原理、结构和应用特点，最后探讨指出了光纤光栅传感器未来的发展方向。可以预见，光纤光栅传感器必然会在海洋探测领域中得到进一步重视并取得更广泛的应用，光纤光栅传感技术的飞速发展也将为现代物理海洋的科学研究提供创新点和技术支撑，极大推动物理海洋的科学研究和海洋仪器设备的研发进程。 【作者简介】本文作者/王瑨 王永杰 张登攀，分别来自黄河水利职业技术学院、中国科学院半导体研究所和河南理工大学机械与动力工程学院。第一作者王瑨，1989年出生，女，硕士，黄河水利职业技术学院，助教，主要从事精密测量技术及仪器的教学与研究；通讯作者王永杰，1979年出生，男，中国科学院半导体研究所，硕士生导师，主要从事光纤传感技术在海洋领域的应用研究。文章来自《激光与红外》（2019年第5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。 |
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