海水盐度光学检测技术研究进展

在一定温度条件下,海水的盐度与其折射率之间存在线性对应的关系,因此通过测量海水折射率可以推算出其盐度.详细介绍了几种利用光学方法测量液体折射率,从而间接检测海水盐度的技术,主要包括光纤光栅传感检测法、表面等离子波检测技术和利用几何光路折变计算折射率的检测技术,重点分析了各种方案的传感器结构、工作原理、影响测量精确度的因素,以及在实际应用中存在的问题,最后对光学技术在海水盐度实时检测中的可行性进行了展望.     

应用于海水盐度测量的单模异芯结构光纤折射率传感器

提出了一种应用于海水盐度测量的单模异芯结构的光纤折射率传感器。在两段普通单模光纤(SMF28)之间熔接一段细芯单模光纤(TCSMF),构成全光纤Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。以0-40‰NaCl溶液作为测试溶液,测量宽带光源经MZI后的透射光谱,应用特征峰波长和光谱差分积分两种方法进行解调,特征峰波长漂移量和光谱差分积分值均与NaCl浓度呈较好的线性关系。采用光谱差分积分法对全波段透射光谱强度进行解调,累积因折射率不同引起的透射谱差异,理论上可获得的盐水浓度分辨率为9.17×10-4‰,较之波长解调法提高了近3个数量级。本文的折射率传感器具有结构简单、机械强度好、测量灵敏度高和对温度不敏感等优点,可应用于海水盐度测量。     

基于遮光效应的海水折射率测量实验研究

光束穿过液体时会在其与空气的界面处发生全反射产生遮光效应,形成圆状的遮光图样,其半径与液体折射率相关。依据遮光效应原理,以氦氖激光器为光源,搭建海水折射率测量实验装置,改进了定标方法并利用高分辨率的单反相机采集海水的遮光效应图样。通过MATLAB编程对遮光图样进行数字图像处理反演海水的折射率,实验中还测量了不同温度下海水的折射率,得到海水折射率与温度变化基本呈线性关系。研究结果表明,本实验方法易于实现,重复性好,测量精度较高,应用于海水折射率测量是可行的。     

基于光外差的高精度海水折射率传感器研究EI北大核心CSCD

海水折射率测量在海洋学中发挥了重要作用,但对于海洋气候和海水流场监测领域,现有的折射率传感器无法满足应用场景的高精度与高采样率要求。有鉴于此,文中基于光外差干涉原理设计了海水折射率传感器,分析了该原理下的散粒噪声、相位解调噪声对传感器折射率测量的影响,研制了高精度海水折射率传感器样机,其采样频率为24 kHz,折射率变化量测量值的标准偏差为1.5848×10^(-8)RIU,该技术促进了海水折射率测量在海洋气候及海洋洋流等领域的应用。     

基于光电传感技术的海水盐度计研究

提出了基于位置敏感器件(PSD)的差动折射率测量方案,建立了数学模型,设计了传感探头结构,制作了原理样机。在反复实验的基础上,测定了盐度标定曲线,并对系统的稳定性和影响因素进行了测量,盐度检测的分辨率达到1.67‰,稳定性好于±1.25‰,温度和扰动引起的误差分别为0.038‰/℃和±2.58‰。对系统误差进行了分析,并提出了相应的解决办法。     

基于动态布里渊线宽的海水温度反演

为了研究不同盐度下布里渊线宽发生改变时海水温度的变化状况,采用动态布里渊线宽的方法,推导出海水温度的计算公式。通过选取不同的海水盐度进行计算机模拟,得到了动态布里渊线宽下海水温度相应变化的结果,以及布里渊线宽频移与温度的曲线和不同海水盐度下水温对于布里渊线宽的独立性曲线,模拟仿真数据与实际实验结果基本一致。结果表明,基于动态布里渊线宽的海水温度反演方法具有测量精度高、信噪比高等优点,可广泛应用于清澈海水、以及近岸浑浊海水的精确测量,对海况监测、近海国防都具有重要的应用价值。     

测量微量液体折射率的新方法

液体折射率的毛细管焦点测量法具有样品需要量极少和封闭测量的特点,在微量液体的折射率测量方面有重要的应用前景。为了提高毛细管焦点测量法的测量精度和改善测量的方便性,用内置CCD的电子目镜取代传统目镜,在计算机上直接观察和判断毛细管焦点的成像状态;用电动精密位移台取代传统的手动精密位移台;用新的测量系统对不同浓度的乙二醇水溶液做了折射率测量。结果表明,折射率的测量精度达到±0.0002;一次性测量样品需要量小于0.002mL。在毛细管焦点测量法中引入电子目镜和电动精密位移台,提高了微量液体折射率的测量精度。     

海水折射率对差分激光三角法油膜厚度测量精度的影响

针对海水折射率变化引起差分激光三角法溢油油膜厚度测量系统结果误差增大的问题,理论分析了海水折射率变化对厚度测量值的影响机理,研究了折射率变化与测量结果误差大小的关系。提出了基于二维曲面拟合的误差补偿方法。该方法通过采集不同厚度、不同折射率下的厚度测量值,利用二次多项式曲面拟合建立测量误差、厚度测量值和折射率之间的函数关系,根据测量值和折射率值,就可得到误差补偿值,进而实现对测量结果的补偿。通过对不同折射率、不同厚度陶瓷量块的补偿实验,结果表明补偿后的厚度测量值更接近真值,测量结果的误差显著降低。     

测量液体浓度的折射率方法

制造技术的精密化和用户要求的提高促使设计者及制造商寻求更快、更准确地测量产品参数的方法.在开发和最终产品的在线测量中,诸如折射率和光吸收测量等光学手段得到越来越多的应用,其中一个引人注意的领域是液体浓度的测量.在许多应用场合中,折射率测量是检测水和其它液体浓度的一种理想方法.同电学方法相比,它既简单又廉价,而且与导电性无关.直接的透射测量可能会改变液体的颜色或使其降解,同时系统很难校准.     

海洋湍流中扩展物体漫反射光成像的数值模拟

采用空域滤波方法和海洋湍流功率谱,编制了海洋湍流中扩展物体漫反射光成像的模拟仿真程序,研究了成像质量与海洋湍流参数和接收孔径之间的关系。研究发现,随着海水湍流功率谱中由温度引起的海水折射率变化与由盐度变化引起的海水折射率变化的比率的增大,海水温度方差耗散率的增大,以及单位质量海水动能耗散率的减小,海洋湍流的可见参数减小,成像质量变差。该数值模拟方法为研究海洋湍流中扩展物体的漫反射光成像提供了一种可行、正确的方法。     

Seawater temperature and salinity sensing based on in-fiber Michelson-Fabry-Perrot hybrid interferometer employing frequency domain decomposition method

We propose an in-fiber Michelson-Fabry-Perrot (M-FP) hybrid interferometer for the simultaneous measurement of seawater temperature and salinity. The sensor head consists of two parallel hetero Fabry-Perot (FP) cavities fabricated on the end face of the twin core fiber (TCF). A fiber fusion taper is used to split and recouple the light in the two cores. In this case, the Vernier effect can be obtained which can greatly enhance the sensitivity and solve the problem of temperature cross-sensitivity. Different from the traditional demodulation method based on envelop detection, we employed frequency domain decomposition method (FDDM) to demodulate the sensing signal. The simulation results indicate that the proposed sensor has high sensitivity to salinity and temperature. Thanks to the merits of high sensitivity, ease of fabrication and small footprint, the proposed seawater temperature and salinity sensor would have potential applications in marine science, food industry and ocean ranching.     

Monitoring technology of salinity in water with optical fiber sensor

A novel optical fiber sensor used for remote monitoring of salinity in water is proposed. Based on the detection of beam deviation due to the refractive index changes of the salt water, salinity can be measured by a position-sensitive detector. The measurement principle is theoretically described. Preliminary prototype is set up, and experimental results indicate the feasibility of the method. Salinity measurement resolution can reach 0.012%o within the measurement range from distilled water to salt water with salinity of 50%o.     

Measurement of Refractive Index of Liquid-state Alloy SCN-Eth by Laser Interference

The method to measure the refractive index of the liquid-state metal is introduced.By inserting a wedge sample cell to the optical path of the Michelson interferometer, the refractive index of the liquid-state alloy SCN-Eth is measured at different temperatures and densities.The results show that this method can be applied to measure the refractive index of various liquids, especially at different temperatures.     

环形腔微光纤MZI的海水温/盐度同时测量的设计与模拟

为实现海水中温度和盐度(温/盐度)同时测量,设 计了一种环形腔微光纤Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。首先,计算了MZI在不同温/盐度下的 输出光谱,光谱中同时存在谐 振峰和干涉峰,分别由环形腔谐振和MZ干涉引起,由于谐振峰和干涉峰对温/盐度变化的响 应不同,因而 可将其运用于海水的温/盐度同时测量;其次,为了提升MZI的测量灵敏度,计算了灵敏度 与 其结构参数的关系。结果表明,谐振峰的温/盐度灵敏度只与制成环形腔的微光纤直径有关 ,而干涉峰灵敏 度同时与MZI两个微光纤臂的直径和长度相关,当制成环形腔的微光纤臂是MZI两臂中直径 较 小且长度较大的一臂时,能得到较高的测量灵敏度。经过优化后,干涉峰的温/盐度灵 敏度比传统的 光纤光栅分别提升了75倍和约3650倍。本文 设计的MZI具有结构简单、灵敏度高的优点,可为研制新型的海洋微光纤传感器提供参考。     

一种简便的测量薄透明体折射率的方法

提出了一种比较巧而简便的测量薄透明体的折射率的方法，即利用同一个楔形盒装入两种样品，一为待测样品，另一为易测折射率的透明液体参照物，将楔形盒置于迈克尔逊干涉仪光路中。利用对比，可较大地简化步骤，减少烦杂计算，从而较快地得到良好结果。用此方法测量了某聚合物分散液晶的折射率，与用其他方法得到的结果相符。实验表明该方法有便于操作、成本低、效率高等优点，对薄透明体或其他材料的折射率测量具有一定的参考实用价值。     

一种简便的测量薄透明体折射率的方法

提出了一种比较巧而简便的测量薄透明体的折射率的方法,即利用同一个楔形盒装入两种样品,一为待测样品,另一为易测折射率的透明液体参照物,将楔形盒置于迈克尔逊干涉仪光路中。利用对比,可较大地简化步骤,减少烦杂计算,从而较快地得到良好结果。用此方法测量了某聚合物分散液晶的折射率,与用其他方法得到的结果相符。实验表明该方法有便于操作、成本低、效率高等优点,对薄透明体或其他材料的折射率测量具有一定的参考实用价值。     

基于显微数字全息的生物薄膜折射率的测量

提出了一种基于显微数字全息相位重构图像的生物薄膜折射率的简便测量方法。利用角谱法对生物薄膜的显微数字全息图像进行重构,得到其复振幅分布,从中获得激光通过生物薄膜后的相位变化与薄膜厚度、薄膜中液体的折射率及薄膜折射率间的定量关系。通过等厚干涉和阿贝折射仪测得膜的厚度与液体的折射率,再从定量的相位变化中获得生物薄膜的折射率。以洋葱内表皮细胞层折射率的测量为例,进行了相应的实验验证,得到了波长为632.8nm下的折射率。理论与实验均表明,该方法是有效和切实可行的。     

基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器

为了实现高灵敏度液体折射率传感器的高效制备,采用飞秒激光直写技术,在光纤末端刻蚀出矩形凹槽,辅以光纤熔接方法,制备出一种基于光纤内双开口法布里-珀罗(F-P)干涉腔的折射率传感器。该传感器的液体折射率传感灵敏度达到1107.76nm/RIU。讨论了温度对该传感器性能的影响,温度串扰小于0.0025nm/℃;基于海水含盐浓度与折射率的线性关系,探讨了该传感器在海水含盐浓度传感测量方面的应用,灵敏度为0.171nm/(mgmL-1)。结果表明,基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器具有干涉谱对比度高、线性响应良好、灵敏度高、不易受温度串扰、结构紧凑、制备简单高效等优点,在生物、医疗、化学、环境等领域中有着广泛的应用前景。