基于双并行Fabry-Perot腔体的高灵敏度海水盐度和温度测量传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：High sensitivity sensor for seawater salinity and temperature measurement based upon dual parallel Fabry-Perot cavities

一种基于双法布里-珀罗干涉仪的 vernier 传感器，通过FPI1（PMMA薄板对齐两单模光纤形成空腔）测量海水盐度，FPI2（PDMS填充毛细管结构）测量温度，利用vernier效应提升灵敏度，实验测得盐度灵敏度-30.80 nm/‰、温度灵敏度-21.32 nm/℃，稳定性优异，结构简单易制造。

　　

成鹏|赵超|李瑞|张群|梁培基|李宏|蒋国洲|郭晓山|孙思梅

湖北微纳光电子器件与集成工程研究中心，湖北光电转换材料与器件重点实验室，湖北师范大学物理与电子科学学院，黄石，湖北435002，中国

摘要

为了满足海洋学研究中精确测量海水盐度和温度的需求，本文提出了一种基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）的游标传感器，用于测量海水盐度和温度。该游标传感器被命名为S₁，其中两个FPI分别为FPI₁和FPI₂。FPI₁由两根单模光纤（SMF）组成，这些光纤在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄片上的微槽中对齐。在FPI₁中，两根SMF之间形成了一个空的F-P腔体，可以填充海水作为测量海水盐度的传感介质。FPI₂则是通过将SMF与毛细管熔合，并在毛细管内部填充聚二甲基硅氧烷（PDMS），然后用大石英玻璃管密封而成。由于PDMS具有较高的热灵敏度，因此使用FPI₂来测量海水温度。由FPI₁和FPI₂并联组成的S₁具有游标效应（VE），能够提高FPI₁对海水盐度的灵敏度和FPI₂对海水温度的灵敏度。我们获得了S₁在1250 nm至1650 nm红外波段的光谱，其光谱包络线近似为正弦波。通过研究S₁光谱包络线随海水变化的情况，完成了海水盐度和温度的测量。实验研究表明，S₁实现了超高的海水盐度和温度测量灵敏度，分别为?30.80 nm/‰和?21.32 nm/℃，这是目前已知的海水盐度测量灵敏度最高值。在S₁的盐度和温度稳定性实验中，其光谱包络线的最大波长偏移仅为0.70 nm和0.95 nm，证明了其良好的测量稳定性。该传感器结构简单、易于制造、成本低廉、坚固耐用、重复性好，并具有目前最高的盐度测量灵敏度，能够同时测量海水盐度和温度。作为一种新型传感器结构，它在海洋环境研究、海洋环流和海水动力学研究中具有重要应用价值。

引言

海洋学以海洋为研究对象，涵盖海洋的物理、化学、生物和地质过程的基础研究，以及海洋资源的开发与利用，还包括海洋军事活动的应用研究。海洋探测技术是进行海洋研究的主要技术手段之一。海水的盐度和温度是两个最重要的参数，准确检测这些参数可以反映观测点处海水的状态，为研究海洋环境、海洋环流和海水动力学过程提供重要数据支持。早期人们使用电子传感器来测量海水盐度和温度，虽然这些传感器精度较高，但体积较大，容易受到环境电磁干扰的影响，无法在微小区域内实现精确测量。相比之下，光纤传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可实现分布式测量和远程控制等优点，使其成为测量海水参数的最有吸引力的新型工具[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。

近年来，已经开发出多种类型的光纤传感器用于同时测量海水盐度和温度。首先，利用双表面等离子体共振（SPR）[6]、[7]、[8]或SPR与马赫-曾德尔干涉仪（MZI）[9]，或C型微结构光纤与SPR[10]的组合，可以实现海水盐度和温度的测量。然而，SPR通常在可见光波段工作，而光纤在该波段的损耗较大，实施起来较为困难。其次，还有一些特殊的光纤结构，如C型游标传感器[11]、U形锥形无芯光纤[12]、微光纤定向耦合器[13]，也可以用于测量海水盐度和温度，但这些特殊光纤结构在加工和制造方面存在挑战。目前最常用的组合仍然是两种传感模式的组合，例如抗共振（AR）模式与MZI[14]的组合，以及AR模式与法布里-珀罗干涉仪（FPI）[15] [16]的组合。另一种方法是使用两个干涉仪的组合，如并联集成的两个MZI[17]、两个级联MZI[18]、FPI与MZI的级联[19]、集成MZI与FPI[20]、[21]、[22]、FPI与MZI的混合结构[23]，以及两个F-P腔体的混合结构[24]。最近，有人提出了结合SPR、FPI和光纤布拉格光栅（FBG）的混合结构，以实现海水盐度、温度和压力的同时测量[25]。相对而言，使用两个干涉仪的混合结构进行海水盐度和温度的同时测量较为容易实现，且结构更为稳健。

本文开发了一种基于双FPI的高灵敏度游标传感器S₁，用于测量海水盐度和温度。这两个FPI分别为FPI₁和FPI₂。FPI₁由两根单模光纤（SMF）组成，这些光纤在PMMA薄片上的微槽中对齐；FPI₁中的两个SMF之间形成了一个空的F-P腔体，可以填充海水作为测量海水盐度的传感介质。FPI₂则是通过将SMF与毛细管熔合，并在毛细管内部填充PDMS后用大石英玻璃管密封而成。由于PDMS的高热灵敏度，FPI₂用于测量海水温度。由FPI₁和FPI₂并联组成的S₁具有游标效应（VE），能够增强FPI₁对海水盐度的灵敏度和FPI₂对海水温度的灵敏度。S₁在1250 nm至1650 nm红外波段的光谱包络线近似为正弦波。通过研究S₁光谱包络线随海水变化的情况，我们实现了海水盐度和温度的超高灵敏度测量，灵敏度分别为?30.80 nm/‰和?21.32 nm/℃，这是目前已知的海水盐度测量灵敏度最高值。

操作原理

为了构建S₁传感器，我们设计了两个FPI，分别命名为FPI₁和FPI₂。图1(a)展示了FPI₁和FPI₂的结构示意图和光路图。FPI₁由两根单模光纤（SMF）组成，这些光纤在PMMA薄片的微通道中对齐；FPI₂则由填充在毛细管中的PDMS构成。图1(b)显示了S₁的结构示意图，其结构包括宽带光源（BBS）、3-dB耦合器、光谱分析仪（OSA）和两个FPI。

FPI₁和S₁的海水盐度实验

在我们的海水盐度实验中，我们使用NaCl和去离子水制备了不同盐度的海水溶液（24‰ - 36‰），并使用盐度计进行了校准。图6(a)展示了制备模拟海水盐度的步骤：第一步，使用电子秤称量每种配置所需添加的NaCl重量；第二步，将NaCl加入装有适量去离子水的烧杯中并充分搅拌；第三步，...

结论

总结来说，本文提出了一种用于测量海水盐度和温度的游标传感器S₁。S₁由FPI₁和FPI₂组成：FPI₁由两根在PMMA薄片微槽中对齐的单模光纤（SMF）构成，两根光纤之间形成了一个空的F-P腔体，可以填充海水以测量海水盐度；FPI₂由SMF和毛细管组成，毛细管内部填充了PDMS。由于PDMS具有较高的热灵敏度，FPI₂能够高灵敏度地测量海水温度。

作者贡献声明

孙思梅：项目管理和方法论设计。蒋国洲：验证、资源协调和概念构思。郭晓山：软件开发与数据管理。成鹏：初稿撰写、软件开发与实验研究。赵超：撰写、审稿与编辑、监督、方法论设计及资金申请。梁培基：数据可视化与分析。李宏：项目管理和资金申请。李瑞：资源协调、方法论设计及数据管理。张群：数据验证与实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢2025年中国湖北师范大学研究生创新项目（2025Y080）、湖北省自然科学基金创新与发展联合基金（2024AFD001）、国家自然科学基金（12304281）以及湖北省重点研发项目（2020BAA004）的支持。

成鹏2023年毕业于中国伊犁师范学院，目前在中国湖北师范大学物理与电子科学学院攻读硕士学位。她的研究兴趣包括光纤传感器和飞秒激光微加工技术。