全光纤海洋盐度传感技术的研究
发布时间：2021-04-16 09:15
海洋是人类生存和发展的重要空间和资源宝库。对海洋的精确探测和持续观测有助于人类更好地了解海洋和发展海洋。在众多海洋水文要素中,对海水盐度的测量尤其重要。本文研究了全光纤海洋盐度传感技术,基于光纤有源内腔传感技术,采用反射式光纤多模干涉结构,通过测量海水的折射率来间接测量海水的盐度,实现了海水盐度的高精度测量。本文的主要研究工作归纳如下:（1）介绍了海洋盐度传感器的研究背景、海洋盐度的定义与发展以及基于电极式电导率传感器的海洋盐度检测技术发展趋势。根据目前光纤传感实现溶液折射率测量的各种技术方案,阐述了基于多模干涉结构的光纤传感器在海洋盐度测量领域的应用潜力。（2）基于无芯光纤多模干涉结构的分立式无源海洋盐度传感系统传感特性的研究。根据多模干涉结构的光纤传感理论,对基于无芯光纤的多模干涉结构的折射率和温度传感特性进行模拟,并通过实验进行分析和论证。基于无芯光纤的多模干涉结构的折射率灵敏度为125.23nm/RIU,温度灵敏度为6.11pm/°C。该光纤传感结构具有折射率灵敏度高,温度交叉敏感小的特点。分立式无源传感系统的盐度探测极限为2.45‰。（3）基于无芯光纤多模干涉结构的有源内腔调...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三电极电导池结构[33]
天津大学硕士学位论文6导率传感，人们开发出了四电极电导率传感器，其中两个为电压电极，两个为电流电极。电流电极呈半球形，电压电极呈环形，两者同轴制作，如图1-2所示。在测量过程中，在电流电极两端接入交流激励信号，从而在两极板间的海水中形成交变电常利用同轴的电压电极接收两极板间的压降并通过解调电路保持电压恒定，通过测量电极间的电流就能算出电导池内海水的等效电阻，从而得出海水的电导率。四电极电导率传感器将电压电极和电流电极分开，有效避免了电极极化对电导率测量的影响[32]。但如果电流电极和电压电极存在偏心，就会对四电极电导率传感器的稳定性产生影响，这就要求在电极加工的过程中，电流电极和电压电极精确同心，加剧了四电极电导池加工的难度和成本。图1-2四电极结构[33]结合三电极电导池和四电极电导池的技术优势，人们开发了基于七电极电导池的海洋盐度传感器，其电导池结构如图1-3所示，在圆形管上嵌入了七个环形电极[33]。中间的电极为电流电极，激励电流通过它输入到电导池中，经待测海水后从两端的电流电极流出。同样将两端的电流电极通过解调电路接地，起到对电导池外电磁干扰的屏蔽作用。在中间电流电极和两端电流电极之间有两对电压电极。当电流从中间电极流向两边的过程中，在电导池内建立感应电场，从而在两对电压电极之间产生电压差。通过测量两个电压差计算电导池内海水的等效电阻，获得海水的电导率。同样将电压电极和电流电极分开，避免电极极化对电导率测量产生的影响。七电极电导率传感器集中了三电极和四电极电导池的优点，进一步提高了电导率的测量精度[34]。而且，七电极电导池口径大，尺寸小，无需外加潜水泵就能实现电导池内外海水的充分交换。
第1章绪论7图1-3七电极电导池结构[33]目前，电极式电导率传感器未来发展的趋势是多电极化，旨在补偿基于电化学法测量海水盐度技术方案的原始缺陷，如测量易受电磁干扰、极化效应的影响等，从而实现更高精度的海水电导率的测量。1.4基于光纤传感技术的海洋盐度检测法光纤传感技术始于二十世纪七十年代，目前已广泛用于湿度[35-36]、温度[37-39]、应变[40-42]、磁场[43-45]、曲率[46-48]等多种物理量的测量以及结构健康度的监测领域[49-50]。光纤传感器利用光纤传输信号，具有诸多传统传感器所不具备的优点，如抗电磁干扰，绝缘性高，防爆性能好，耐腐蚀，体积小，便于组网等[51]。随着光纤传感技术应用领域的不断拓宽，人们又提出了基于光纤传感的海水盐度检测技术。由于基于光纤传感的海水盐度检测技术通过环境对光纤中传输光信号的调制来实现传感，可以规避基于电化学法进行海水盐度测量的原始缺陷，近年来得到越来越多的关注。它的实现方式主要是通过敏感材料或海水折射率实现海水盐度的间接测量。1.4.1基于敏感材料的盐度检测法当海水的盐度发生改变时，光纤传感器表面涂覆的敏感材料的体积会随之改变。敏感材料这种随海水盐度相对应的形变会调制光纤传感器中传输的光信号，从而使光信号携带有海水盐度的信息。目前，敏感材料一般为盐度敏感型水凝胶
【参考文献】：
期刊论文
[1]七电极电导率传感器测量电路设计与实现[J]. 范寒柏,胡杨,党武松. 电子科技. 2013(12)
[2]海洋观测技术现状综述[J]. 尹路,李延斌,马金钢. 舰船电子工程. 2013(11)
[3]感应式低电导率传感器设计[J]. 兰卉,林玉池,贾文娟,李红志. 传感器与微系统. 2012(10)
[4]电导率传感器发展概况[J]. 周明军,尤佳,秦浩,傅巍,刘其中,徐振忠. 传感器与微系统. 2010(04)
[5]一种用于盐度测量的光纤传感器[J]. 韩悦文,李小刚,陈荣. 激光生物学报. 2005(04)
[6]1978年国际实用盐标、1980年国际海水状态方程的使用,给海洋水文计算中可能带来的修正[J]. 侍茂崇,杜波. 黄渤海海洋. 1987(01)
[7]海水盐度简易计算法[J]. 张乃禹. 海洋科学. 1982(03)
[8]盐度的最新定义和标准[J]. 辛学毅. 海洋科技资料. 1980(05)
硕士论文
[1]七电极电导率传感器及CTD测量系统技术研究[D]. 兰卉.天津大学 2012
[2]多模干涉型光耦合器研究[D]. 刘杰.西安电子科技大学 2008
[3]溶液电导率测量方法的研究[D]. 兰敬辉.大连理工大学 2002
本文编号：3141157
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三电极电导池结构[33]
天津大学硕士学位论文6导率传感，人们开发出了四电极电导率传感器，其中两个为电压电极，两个为电流电极。电流电极呈半球形，电压电极呈环形，两者同轴制作，如图1-2所示。在测量过程中，在电流电极两端接入交流激励信号，从而在两极板间的海水中形成交变电常利用同轴的电压电极接收两极板间的压降并通过解调电路保持电压恒定，通过测量电极间的电流就能算出电导池内海水的等效电阻，从而得出海水的电导率。四电极电导率传感器将电压电极和电流电极分开，有效避免了电极极化对电导率测量的影响[32]。但如果电流电极和电压电极存在偏心，就会对四电极电导率传感器的稳定性产生影响，这就要求在电极加工的过程中，电流电极和电压电极精确同心，加剧了四电极电导池加工的难度和成本。图1-2四电极结构[33]结合三电极电导池和四电极电导池的技术优势，人们开发了基于七电极电导池的海洋盐度传感器，其电导池结构如图1-3所示，在圆形管上嵌入了七个环形电极[33]。中间的电极为电流电极，激励电流通过它输入到电导池中，经待测海水后从两端的电流电极流出。同样将两端的电流电极通过解调电路接地，起到对电导池外电磁干扰的屏蔽作用。在中间电流电极和两端电流电极之间有两对电压电极。当电流从中间电极流向两边的过程中，在电导池内建立感应电场，从而在两对电压电极之间产生电压差。通过测量两个电压差计算电导池内海水的等效电阻，获得海水的电导率。同样将电压电极和电流电极分开，避免电极极化对电导率测量产生的影响。七电极电导率传感器集中了三电极和四电极电导池的优点，进一步提高了电导率的测量精度[34]。而且，七电极电导池口径大，尺寸小，无需外加潜水泵就能实现电导池内外海水的充分交换。
第1章绪论7图1-3七电极电导池结构[33]目前，电极式电导率传感器未来发展的趋势是多电极化，旨在补偿基于电化学法测量海水盐度技术方案的原始缺陷，如测量易受电磁干扰、极化效应的影响等，从而实现更高精度的海水电导率的测量。1.4基于光纤传感技术的海洋盐度检测法光纤传感技术始于二十世纪七十年代，目前已广泛用于湿度[35-36]、温度[37-39]、应变[40-42]、磁场[43-45]、曲率[46-48]等多种物理量的测量以及结构健康度的监测领域[49-50]。光纤传感器利用光纤传输信号，具有诸多传统传感器所不具备的优点，如抗电磁干扰，绝缘性高，防爆性能好，耐腐蚀，体积小，便于组网等[51]。随着光纤传感技术应用领域的不断拓宽，人们又提出了基于光纤传感的海水盐度检测技术。由于基于光纤传感的海水盐度检测技术通过环境对光纤中传输光信号的调制来实现传感，可以规避基于电化学法进行海水盐度测量的原始缺陷，近年来得到越来越多的关注。它的实现方式主要是通过敏感材料或海水折射率实现海水盐度的间接测量。1.4.1基于敏感材料的盐度检测法当海水的盐度发生改变时，光纤传感器表面涂覆的敏感材料的体积会随之改变。敏感材料这种随海水盐度相对应的形变会调制光纤传感器中传输的光信号，从而使光信号携带有海水盐度的信息。目前，敏感材料一般为盐度敏感型水凝胶
【参考文献】：
期刊论文
[1]七电极电导率传感器测量电路设计与实现[J]. 范寒柏,胡杨,党武松. 电子科技. 2013(12)
[2]海洋观测技术现状综述[J]. 尹路,李延斌,马金钢. 舰船电子工程. 2013(11)
[3]感应式低电导率传感器设计[J]. 兰卉,林玉池,贾文娟,李红志. 传感器与微系统. 2012(10)
[4]电导率传感器发展概况[J]. 周明军,尤佳,秦浩,傅巍,刘其中,徐振忠. 传感器与微系统. 2010(04)
[5]一种用于盐度测量的光纤传感器[J]. 韩悦文,李小刚,陈荣. 激光生物学报. 2005(04)
[6]1978年国际实用盐标、1980年国际海水状态方程的使用,给海洋水文计算中可能带来的修正[J]. 侍茂崇,杜波. 黄渤海海洋. 1987(01)
[7]海水盐度简易计算法[J]. 张乃禹. 海洋科学. 1982(03)
[8]盐度的最新定义和标准[J]. 辛学毅. 海洋科技资料. 1980(05)
硕士论文
[1]七电极电导率传感器及CTD测量系统技术研究[D]. 兰卉.天津大学 2012
[2]多模干涉型光耦合器研究[D]. 刘杰.西安电子科技大学 2008
[3]溶液电导率测量方法的研究[D]. 兰敬辉.大连理工大学 2002
本文编号：3141157
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