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表面芯光纤及其温盐深传感特性研究

摘要

温盐深传感器是一种用于海洋中测量温度、盐度和深度的综合测量设备，对海洋

资源开发、保护具有重要意义。传统的温盐深检测仪是基于电子器件的测量系统，在

仪器小型化、分布式测量具有一定的局限性的。近年来光纤传感技术作为新一代海洋

环境监测手段，其设计简洁、抗干扰能力强、可靠性高开始逐渐引起人们的兴趣。本

文围绕光纤传感技术在海水温盐深监测中的关键应用开展了以下研究：

1.本课题基于表面等离子体共振原理设计了一种光纤传感器。该传感器为D型双

层金属椭圆形纤芯的光纤结构，可同时测量温度、盐度、深度三个参量，提高了测量

效率，简化了光纤结构。该结构可实现三个不同的测量通道，在纤芯输出限制损耗谱

曲线中可同时得到三个明显的纤芯基模能量损耗峰。测量温度和盐度时，在同一条输

出限制损耗曲线中，可以得到两个限制损耗峰。针对深度参数测量，采用单侧镀金的

光纤结构传输压力，分析纤芯Y偏振基模限制损耗特性曲线，得到深度传感量。仿真

结果证明了该双通道同时测量三参数时，参数之间并不会互扰。

2.本课题利用有限元仿真工具构建光纤传感器的二维结构，在波动光学模块建立

了温度和盐度的传感模型，在固体力学和波动光学模块建立了压力的传感模型。通过

稳态分析和模式分析，得出了光纤的模场分布图。优化纤芯的椭圆度以及金属层的长

度和厚度，分析它们对所设计的传感器传感灵敏度的影响。通过数值仿真和数据分析

得出结果。优化了光纤的结构，金属层的长度设置为1.4m，上层金属的厚度设置为

22nm，下层金属厚度设置为25nm，椭圆纤芯长轴为10m、短轴为6m。数值仿真

得到温盐深在不同参数范围的传感输出特征曲线和特征矩阵。通过分析特征矩阵和特

征曲线，计算得到所设计传感器温度的传感灵敏度为0.397nm/℃，盐度传感灵敏度为

0.193nm/%，压力传感器灵敏度则为125.68nm/MPa。

关键词：表面等离子体共振；光纤传感器；温盐深；中空光纤；限制损耗

表面芯光纤及其温盐深传感特性研究

Abstract

Temperature-salinity-depthsensorisakindofcomprehensivemeasuringequipmentused

tomeasuretemperature,salinityanddepthintheocean,whichisofgreatsignificancetothe

developmentandprotectionofMarineresources.Thetraditionaltemperature-salinity-depth

sensorisameasuringsystembasedonelectronicdevices,whichhascertainlimitationsinthe

miniaturizationanddistributedmeasurementoftheinstrument.Inrecentyears,opticalfiber

sensingtechnology,asanewgenerationofMarineenvironmentalmonitoringmeans,has

graduallyattractedpeoplesinterestinitssimpledesign,stronganti-interferenceabilityand

highreliability.Thisthesisfocusesonthekeyapplicationofopticalfibersensingtechnology

inthemonitoringofseatemperature,salinityanddepth.

1.Thisthesisdesignsafiberopticsensorbasedon