海洋温度测不准？双光栅级联给出答案

海洋温度测量高度依赖传感器。光纤布拉格光栅FBG传感器凭借耐腐蚀、抗电磁干扰、高精度、易组网等优势在海洋温度监测领域应用前景广阔。然而FBG传感器在实际应用过程中常会受到应变的影响导致“交叉敏感”问题——当传感器同时感受到温度和应变时两者引起的波长变化叠加在一起无法区分。如何消除应变干扰实现高精度的海洋温度测量中国计量科学研究院联合同济大学的研究团队提出了一种基于双光栅级联的双波长矩阵分离法。通过将两只中心波长不同的FBG近距离级联构建温度和应变的联合响应矩阵实现双参量解耦。相关成果发表于《计量学报》2020年第41卷第3期。一、传统电学传感器的海洋温度测量局限当前海洋温度测量以电学传感器为主主要包括热电偶式、金属电阻式和半导体热敏电阻式。而海洋环境具有强腐蚀性、高压、绝缘劣化等特性传统电学传感器在海水中长期工作面临信号漂移、绝缘失效甚至完全失效的风险。光纤布拉格光栅FBG传感器天然具备应对这些挑战的优势其耐腐蚀、抗电磁干扰、湿端无电、响应时间短、成本低廉、易组网。然而FBG对温度和应变都极为敏感这也带来了新的问题当FBG用于海洋温度测量时不可避免会受到海洋环境或封装结构中的应变影响导致温度读数偏移。这正是本研究关注的核心问题如何消除应变干扰实现高精度的海洋温度测量二、双光栅级联的温度-应变解耦原理与仿真分析FBG交叉敏感的根源来源于FBG“分不清”温度还是应变。FBG的反射中心波长λB由光栅周期Λ和有效折射率neff共同决定当温度变化时光纤材料发生热膨胀当应变作用时光纤被拉伸两者的最终效果都是波长向长波方向移动。如果只监测一只FBG的波长变化无法判断这个变化是温度引起的还是应变引起的。2.1 解决方案两只光栅一个矩阵因此要区分温度和应变需要两只FBG协同工作。本研究采用双光栅近距离级联的方案见图1将两只中心波长不同的FBG1523nm和1569nm级联在同一根光纤上。由于两者位置极近可以认为它们处于相同的温度和应变环境中。关键在于两只FBG对温度和应变的响应灵敏度不同通过实验标定可以分别获得每只FBG的温度灵敏度和应变灵敏度其矩阵方程数学表达式为其中Δλ1和Δλ2是两只FBG的波长变化量Kϵ1、Kϵ2是应变灵敏度系数KT1、KT2是温度灵敏度系数。通过标定这四个系数并在实际测量中获得两只FBG的波长变化量即可通过矩阵求逆算出Δϵ和ΔT实现温度和应变的完全解耦。图1 双光纤布拉格光栅简化结构2.2 仿真验证理论上的可行性在实验之前研究团队首先进行了理论模拟。2个FBG传感器分别记为FBG1和FBG2反射中心波长分别为1523nm和1569nm在常温25℃下设定弹光系数Pe0.22热膨胀系数α0.55×10-6℃-1α0.55×10-6℃-1热光系数ξ6.4×10-6℃-1温度模拟见图2将应变设置为0με并保持不变在海洋温区-5~35℃以步长5℃进行温度传感模拟FBG1和FBG2的反射中心波长均随温度升高向长波方向移动模拟温度灵敏度系数分别为10.58pm/℃和10.90pm/℃。图2 FBG1a和FBG2b中心波长随温度变化光谱和拟合曲线图应变模拟见图3将温度设置为25℃并保持不变在0~3500με应变范围内以步长500με进行应变传感模拟两只FBG的波长同样随应变增加向长波方向移动模拟应变灵敏度系数分别为0.610pm/με和0.628pm/με。图3 FBG1a和FBG2b中心波长随应变变化光谱和拟合曲线图仿真结果表明双光栅级联方案在理论上完全可行两只FBG的温度灵敏度和应变灵敏度均呈现出优异的线性度且两者对温度和应变的响应差异足以支撑矩阵解耦。三、实验验证温度与应变传感特性3.1 实验系统与方案实验系统见图4由光纤光栅解调仪波长精度和稳定性均为1pm、环形器、FBG、应变载物台和计算机组成。解调仪发出的光信号经环形器进入FBG符合FBG反射波长的光信号返回环形器后由另一通道传回解调仪计算机处理解调仪所得光信号从而实现对温度和应变的测量和分析。图4 实验系统示意图温度标定实验将FBG以自由状态置于海水恒温槽均匀性和稳定性均优于0.5mK中从-5℃至-35℃每5℃一个步长待温度完全稳定后记录光谱数据。此时FBG不受外力波长变化完全由温度引起。应变标定实验室温25℃下将FBG固定于应变载物台上并给予预应变使光纤处于弱绷直状态。从0με至3500με每次施加500με待波长稳定后记录光谱数据。3.2 结果显示高线性度、高灵敏度应变响应见图5FBG1和FBG2的反射中心波长均随应变增加向长波方向线性移动实验应变灵敏度分别为0.547pm/με和0.564pm/με相关系数分别为0.99945和0.99956。实验值与模拟值0.610pm/με和0.628pm/με结果一致偏差主要来源于光源不稳定性、光路传输损耗、解调仪波长精度等系统误差但在可接受范围内。图5 FBG1a和FBG2b中心波长随应变变化拟合曲线温度响应见图6两个FBG的中心波长均随温度升高线性红移实验温度灵敏度分别为9.38pm/℃和9.44pm/℃相关系数分别为0.99980和0.99981。与仿真值10.58pm/℃和10.90pm/℃一致偏差主要源于模拟参数与实际光纤参数的差异但线性度极佳验证了FBG在温度测量中的高可靠性。图6 FBG1a和FBG2b中心波长随温度变化拟合曲线将实验标定的灵敏度系数代入矩阵表达式可得利用该矩阵即可从两个FBG的波长变化中分离出真实的温度变化和应变变化。进一步计算可知应变每变化1με会导致FBG1和FBG2的温度测量误差分别为58.3mK和59.7mK。四、核心结论双光栅级联让海洋温度测量更“纯粹”本研究针对海洋温度测量中FBG传感器面临的温度-应变交叉敏感问题提出了基于双光栅级联的双波长矩阵分离法得出三大核心结论方案可行通过两只中心波长不同的FBG近距离级联结合双波长矩阵分离法可在同一测量点同时获取温度和应变信息实现双参量解耦。实验温度灵敏度分别达到9.38pm/℃和9.44pm/℃线性相关系数均优于0.9998。量化清晰首次系统量化了应变对温度测量的影响——每1με的应变变化会导致约 58~60mK的温度测量误差。这一结论为温度数据的应变修正提供了直接依据。工程实用双光栅级联方案无需增加额外传感器或复杂封装制备工艺简单、成本低与现有FBG解调系统兼容易于集成至海洋温度监测网络中。相较于传统电学温度传感器本方案具备耐腐蚀、抗电磁干扰、湿端无电、响应快、可组网等光纤传感的天然优势。相较于单FBG测温方案本方案通过双光栅级联和矩阵解耦有效消除了应变干扰使温度测量更“纯粹”。可广泛应用于海洋浮标、水下潜器、深海观测网等长期海洋温度监测场景尤其适用于存在流致振动、封装应力等应变干扰的复杂海洋环境。原文出处黄浩,王光耀,孙建平,等.基于双光栅级联的海洋温度传感研究[J].计量学报,2026,47(3):317-323.关注我们获取更多光纤传感技术前沿解读如需论文原文或技术合作欢迎私信交流。