基于环形微纤维谐振器的盐度和温度的同时测量

《Optical Fiber Technology》：Simultaneous measurement of salinity and temperature based on ring-shaped microfiber resonator

微光纤环形谐振器海水双参数同步检测技术及性能分析，摘要：本研究提出一种基于微光纤环形谐振器（MRR）的光学传感平台，可同步检测海水盐度和温度。通过共振效应和近场耦合增强光耦合，利用传输矩阵建立双参数关联模型。实验表明，MRR结构对盐度灵敏度390 pm/‰，温度810 pm/°C；共振环效应灵敏度分别为260 pm/‰和420 pm/°C。盐度分辨率达0.01‰，温度分辨率0.005°C，且结构简洁，抗电磁干扰。

　　随着海洋开发活动的不断加强和全球气候变化的影响，对海水盐度和温度的精确测量变得尤为重要。这些参数不仅是理解海洋动力学的关键，还对监测海洋生态系统的健康状况起着决定性作用。因此，研究者们正在积极开发能够同时测量这两种参数的传感器，以满足海洋科学研究和资源利用的需求。

近年来，光纤传感器因其独特的性能优势，如抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小巧和高灵敏度，逐渐成为海洋监测的重要工具。光纤传感器的发展推动了多种新型传感器的出现，包括基于微光纤的盐度和温度检测装置。然而，传统的电子测量方法，如使用电导率传感器测量盐度，或利用热敏电阻测量温度，存在诸多问题，如易受电磁干扰、耐腐蚀性差以及测量精度受环境因素影响较大。相比之下，光纤传感器在这些方面表现出更强的稳定性和可靠性，为海洋环境监测提供了更优的解决方案。

在微光纤传感器的设计中，研究人员探索了多种结构，如微光纤马赫-曾德尔干涉结构（MZI）、长周期光纤光栅（LPFG）和基于光子晶体光纤的萨格纳克干涉结构。这些传感器利用了光纤中模式分裂与重组、共振效应和倏逝波的特性，从而实现了对盐度和温度的高精度检测。其中，一些研究已经取得了显著成果，例如，基于微光纤马赫-曾德尔干涉结构的传感器可以检测到盐度变化引起的干涉信号，其灵敏度可达168.35 pm/%。而另一些研究则利用了多模式干涉结构，通过优化光纤的偏移和直径，实现了更高的检测精度，例如，某些传感器的盐度灵敏度可以达到2938.16 pm/‰，温度灵敏度可达735.6 pm/°C。

尽管已有多种光纤传感器被提出，但在实际应用中仍面临一些挑战，如制造工艺复杂、成本较高。因此，本研究提出了一种基于微光纤环形谐振器（MRR）的新型传感器，旨在实现对海水盐度和温度的同步检测。该传感器利用了微光纤的环形结构，通过倏逝波和近场耦合的特性增强了光的耦合效率。此外，该结构还能够产生共振效应和模式间干涉效应，从而在反射光谱中形成明显的干涉峰和共振峰。这些峰对盐度和温度的变化具有不同的响应特性，使得传感器能够同时获取这两个参数的精确信息。

为了实现同步检测，研究者们通过建立传输矩阵，将光谱位移与盐度和温度的变化建立线性关系。这种矩阵方法使得传感器能够在不增加复杂度的情况下，实现对盐度和温度的高精度测量。实验结果表明，该传感器在盐度检测方面的灵敏度可达390 pm/‰，温度检测灵敏度可达810 pm/°C。同时，该传感器的盐度分辨率可达到0.01 ‰，温度分辨率可达0.005 °C，这在海洋监测中具有重要的应用价值。

除了高精度和高灵敏度，该传感器还具备结构简单、电气安全性高以及对电磁干扰具有较强抵抗能力的优势。这些特点使其在复杂的海洋环境中能够稳定运行，减少外界因素对测量结果的干扰。此外，该传感器的制造工艺相对简单，可以通过精确控制微光纤的加热区域和锥形结构，实现对光谱的稳定调控，从而提高传感器的性能和可靠性。

在实际应用中，该传感器不仅可以用于海洋科学研究，还能够应用于海洋资源开发和海洋导航等领域。例如，在海洋资源开发过程中，了解海水的盐度和温度变化有助于优化资源开采策略，提高开采效率。在海洋导航中，温度和盐度的变化会影响海水的密度和流速，从而影响船舶的航行安全和效率。因此，该传感器的开发对于提升海洋环境监测的精度和效率具有重要意义。

为了验证该传感器的性能，研究者们在实验室条件下进行了实验。实验使用了符合ASTM D1141-2021标准的人工海水，并采用了一种初始盐度为34.6‰的海水样本进行测试。通过将海水样本注入样品池，并将传感器浸入其中，研究人员能够准确记录盐度和温度的变化对光谱的影响。为了减少温度波动对实验结果的干扰，传感器被放置在恒温环境中，以确保实验的稳定性。

实验结果显示，该传感器能够有效地检测盐度和温度的变化，并且其响应速度和精度均优于现有的一些光纤传感器。此外，该传感器的结构设计使得其在实际应用中更加易于维护和操作，从而提高了整体的实用性和可靠性。研究者们还通过对比实验，验证了该传感器在不同环境条件下的性能表现，进一步证明了其在海洋监测中的广泛适用性。

该传感器的开发不仅为海洋科学研究提供了新的工具，也为海洋资源的可持续利用提供了技术支持。在应对全球气候变化和海洋环境问题的过程中，准确的盐度和温度数据对于预测和分析海洋变化趋势具有重要意义。此外，该传感器的高灵敏度和高分辨率使得其能够用于更精细的海洋环境监测，为海洋生态保护和管理提供科学依据。

在实际应用中，该传感器还可以与其他海洋监测设备相结合，形成更加完善的监测系统。例如，通过与水下传感器网络集成，该传感器能够实时传输盐度和温度数据，为海洋环境的动态监测提供支持。此外，该传感器的抗电磁干扰特性使其在复杂的海洋环境中能够稳定运行，避免外界干扰对测量结果的影响。

总之，基于微光纤环形谐振器的传感器在海水盐度和温度的同步检测方面表现出优异的性能。其结构简单、灵敏度高、分辨率好以及抗干扰能力强，使其在海洋监测和科学研究中具有广泛的应用前景。随着海洋开发活动的进一步推进，对海水盐度和温度的精确测量需求将持续增加，该传感器的开发为满足这一需求提供了有效的解决方案。未来，研究者们可以进一步优化该传感器的性能，提高其在不同环境条件下的适用性，从而推动海洋监测技术的进一步发展。