傳統(tǒng)測溫的電學(xué)傳感器主要有熱電偶式、金屬電阻式和半導(dǎo)體熱敏電阻式等。熱電偶式復(fù)制性和穩(wěn)定性較好，通過采用薄膜式結(jié)構(gòu)可使其熱慣性較小，但靈敏度較低。金屬電阻式具有較好的靈敏度、穩(wěn)定性和復(fù)制性，曾是當(dāng)時海洋探測領(lǐng)域使用比較廣泛的傳感器。但因金屬電阻值較低，檢測系統(tǒng)的導(dǎo)線阻值變化就不能忽略，如鉑測溫電阻，1Ω的導(dǎo)線電阻將會產(chǎn)生－2.5℃的測量誤差，必須采取相關(guān)措施進(jìn)行補(bǔ)償以抵消此誤差。由于海洋中特殊的水團(tuán)環(huán)境，如不同水層存在溫度梯度等因素，若使用投棄式探測器進(jìn)行海水剖面溫度測量時，這就要求傳感器的時間常數(shù)足夠小。但研究證明，鉑電阻測溫傳感器的響應(yīng)時間是十幾秒，時間常數(shù)不理想，同樣不是進(jìn)行海洋測溫的理想選擇。半導(dǎo)體熱敏電阻式的靈敏度很高，熱慣性也較小，但其穩(wěn)定性和復(fù)制性較差。熱敏電阻的響應(yīng)時間雖然可以達(dá)到毫秒級別，但是研究證明其在測試過程中通過的電流很難控制并且經(jīng)常會很大，同樣也會帶來測量誤差。

綜上所述，傳統(tǒng)海洋溫度傳感器大都采用鉑電阻或熱敏電阻，優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性、可靠性較好，精度也較高，雖然技術(shù)成熟度很高，但仍有一些問題需要解決: 如惡劣的海洋環(huán)境對電學(xué)傳感器的耐壓、耐腐蝕性及防水要求很高，水下傳輸信號易受干擾等，同時其也存在研發(fā)投入成本高、壽命短、復(fù)用組網(wǎng)難等問題，光纖布拉格光柵(FBG)傳感器則可以使這些問題迎刃而解，其在海洋監(jiān)測中也表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，如本征絕緣、成本低廉、易組網(wǎng)、原位實(shí)時測量、濕端無電且無功耗，國內(nèi)外也已開展關(guān)于此領(lǐng)域的大量研究工作。

光纖Bragg光柵是一種將周期性微擾作用于光纖纖芯，使其折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的光纖無源器件，其本質(zhì)上一種具有波長選擇能力的窄帶反射器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用光纖光柵對于溫度和應(yīng)變敏感的這兩種效應(yīng)，可以檢測多種物理量。由于裸光纖光柵直徑只有125μm，在惡劣的海洋環(huán)境中容易受到損傷，只有對其進(jìn)行保護(hù)性的封裝設(shè)計，才能保證光纖光柵具有更穩(wěn)定的性能，進(jìn)而延長其使用壽命。同時，通過合適的封裝結(jié)構(gòu)，選用不同的基底材料，也可以實(shí)現(xiàn)溫度增敏和交叉補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/span>

圖1 光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)示意圖

近些年來，光纖傳感技術(shù)發(fā)展異常迅速，同時呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ艿轿鞣絿业母叨戎匾?，我國也特別重視這一新型傳感器的研發(fā)與應(yīng)用。關(guān)于光纖傳感器的研制，我國的起步時間與發(fā)達(dá)國家相差并不是太遠(yuǎn)，而且目前相當(dāng)一部分的成果具有較高使用價值，有的已達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前，光纖光柵通常采用波長調(diào)制，利用波分、時分等復(fù)用技術(shù)可以方便地獲取海洋溫度剖面信息，其在海洋環(huán)境探測中具有極大的應(yīng)用潛力。光纖光柵諸多本征優(yōu)勢已引起國內(nèi)外許多科研工作者和科研單位開展其在海洋應(yīng)用方面的相關(guān)研究。

光纖布拉格光柵基于波長調(diào)制，其是通過光刻在光纖上的光柵間距變化感知外界溫度變化，從而對反射波長行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)光纖“傳”與“感”的合一，采用合適的封裝結(jié)構(gòu)和工藝，可達(dá)到溫度增敏、壓力減敏的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對溫度的測量。2005年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所詹亞歌等提出一種采用鋁槽的封裝結(jié)構(gòu)，使溫度傳感器結(jié)構(gòu)更加牢固，并且更便于安裝固定。2007年，山東省科學(xué)院激光研究所魏玉斌等提出一種光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)，其中傳感器采用聚酰亞胺絕緣材料封裝，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、快速、準(zhǔn)分布式測溫，實(shí)驗(yàn)表明這一系統(tǒng)的測溫精度達(dá)±1℃，分辨率達(dá)0.1℃。

2013年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王永杰等在青島海邊將所研制的FBG溫度傳感器同SBE56(Sea Bird Electronic，SBE)進(jìn)行海試比對，測試表明FBG溫度傳感器的精度達(dá)0.1℃，測溫范圍0～35℃，靈敏度達(dá)30pm/℃，響應(yīng)時間可達(dá)50ms左右。2014年，王永杰、王瑨等設(shè)計一種采用紫銅管雙端封裝的FBG，其響應(yīng)時間最快可達(dá)48.6ms，基本達(dá)到了商用電學(xué)傳感器的響應(yīng)時間水平，可滿足海洋環(huán)境溫度監(jiān)測的特殊需求。2015年，王永杰、王瑨等設(shè)計了一種新型的光纖布拉格光柵溫度傳感器，其方案如圖2所示。

圖2 傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)證明其無壓力情況下，在0～35℃的溫度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較好的重復(fù)性、遲滯性及線性度，傳感器溫度靈敏度為29.9pm/℃，與理論值接近。并進(jìn)行0～5MPa范圍的壓力敏感性測試，結(jié)果表明FBG中心波長不受壓力的影響。

2016年，武漢東湖學(xué)院高曉丹等采用電鍍法和磁控濺射法設(shè)計一種電鍍增敏的銅薄膜且耐海水腐蝕的碳薄膜光纖光柵溫度傳感器，模擬海水溫度0～50℃時，表現(xiàn)出較高的線性度，溫度靈敏度隨銅薄膜的厚度呈指數(shù)增長，研究也發(fā)現(xiàn)這一類金剛石結(jié)構(gòu)可抑制增敏銅薄膜層在海水中的腐蝕。

2017年，山東科學(xué)院研究所呂京生和張發(fā)祥等設(shè)計了一種適用于海洋拋棄式測量的FBG溫度傳感器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。金屬管封裝的FBG 制作相對簡單，不會對柵區(qū)造成影響，響應(yīng)時間為38ms；金屬外層直接封裝的FBG在受力不均勻時容易發(fā)生啁啾，對工藝要求較高，響應(yīng)時間為17ms。

圖3  FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

同年，武漢大學(xué)Qu Y等設(shè)計了一種適用于海洋監(jiān)測的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器，其采用電鍍銅的方法實(shí)現(xiàn)溫度增敏，傳感器外由類金剛石碳膜包裹以保護(hù)銅鍍層不被海水腐蝕，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。溫度靈敏度可達(dá)21.86pm/℃，同時模擬海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)測試表明其在38天內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性。

圖4   FBG涂層結(jié)構(gòu)示意圖

FBG能夠直接應(yīng)用于海洋溫度傳感，采用特殊封裝結(jié)構(gòu)可大大提高溫度靈敏度，同時響應(yīng)時間短，海水剖面溫度測量速度快，是面向海洋溫度測量的重要選擇。紫銅管雙端封裝的FBG，通過填充特殊的高導(dǎo)熱物質(zhì)，表現(xiàn)出較快的響應(yīng)速度。通過電鍍銅方式可使FBG達(dá)到增敏目的，同時其外的類金剛石碳膜可抑制海水腐蝕?？傮w看來，海洋光纖光柵溫度傳感器適應(yīng)未來海洋環(huán)境測量方法的發(fā)展方向，對交叉敏感問題的解決以及封裝材料、結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)，將使光纖光柵溫度傳感器的發(fā)展更具技術(shù)優(yōu)勢。

電導(dǎo)率法是檢測海水鹽度的傳統(tǒng)方法，使用溫鹽深儀可以實(shí)現(xiàn)鹽度快速連續(xù)的測量。但由于電極長期處于海水環(huán)境易腐蝕、易受電磁干擾，通過折射率變化測量鹽度是另一種新的方法。隨著海水鹽度的不同，光折射率會發(fā)生變化，并且在一定溫度條件下兩者存在線性關(guān)系，因此通過檢測海水折射率的變化來間接檢測海水鹽度是一種可行的技術(shù)方案，但必須注意溫度變化對折射率的影響，因此在測量鹽度的同時需要進(jìn)行溫度敏感性補(bǔ)償。

2005年，法國科學(xué)家Marrec L等利用FBG和LPG( Long Period Grating，LPG)集成方式制作了一種溫鹽傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度傳感器FBG的靈敏度為51pm/℃，鹽度傳感器LPG的靈敏度達(dá)4.6pm/(g·L^-1)。2008年，加拿大Liqiu Men等實(shí)現(xiàn)了光纖光柵溫度與鹽度的同步測量，但溫度靈敏度僅有10.2pm/℃，鹽度靈敏度僅為16.5pm/(mol·L^-1)，遠(yuǎn)小于實(shí)際需求。2011年，LinhViet Nguyen等開展了FP溫鹽計的研制，傳感器結(jié)構(gòu)小巧，可同時測量溫度和鹽度，但靈敏度遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前CTD的要求。2013年，Pereira D A等設(shè)計一種可同時測量海水溫度和鹽度的測量裝置，探頭采用兩個串聯(lián)的FBG1和FBG2，其中FBG1只對溫度敏感，FBG2經(jīng)過化學(xué)蝕刻處理對周圍水環(huán)境折射率的變化敏感，其溫度分辨率達(dá)±0.38℃，鹽度靈敏度可達(dá)±1.3‰。

2017年，Dong Luo等提出一種可同時測量海洋鹽度和溫度的光纖光柵傳感器，如圖5所示，其在蝕刻光纖光柵( Etched Fiber Bragg Grating，EFBG)的基礎(chǔ)上涂覆50nm厚的聚酰亞胺層以消除作用在EFBG上的應(yīng)力。該傳感器的折射率靈敏度為125.92nm/RIU，溫度靈敏度為43.5pm/℃，其同時具有低成本、易制作和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 涂覆聚酰亞胺薄膜的蝕刻FBG結(jié)構(gòu)

2017年，Dinesh Babu Duraibabu等提出一種適用于海洋精確測量的具有溫度補(bǔ)償?shù)奈⑿蛪毫鞲衅?。其結(jié)構(gòu)同樣基于EFPI和FBG。EFPI用于壓力測量，FBG 用于溫度測量。將這一傳感系統(tǒng)安裝在一種微型遙控潛水器中可用于監(jiān)測水下不同深度的壓力變化，如圖7所示。

圖7 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和測量安裝圖

同年，海南熱帶海洋學(xué)院吳路光等設(shè)計了一種可用于同時測量海水溫度和深度的FBG 傳感器，如圖8所示。其采用彈性膜片結(jié)構(gòu)，測量壓力的光纖直接與膜片相連，從而使膜片在壓力作用下產(chǎn)生軸向位移，進(jìn)而拉動壓力測量光纖以實(shí)現(xiàn)壓力測量；將測量溫度的光纖單獨(dú)固定，采用進(jìn)水腔結(jié)構(gòu)，以保證光纖直接與海水接觸時免受海水沖擊，這一設(shè)計可實(shí)現(xiàn)快速測溫，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖8 溫深傳感器示意圖

光纖壓力傳感器一般采用相位或波長調(diào)制，在實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用與分布式測量中具有獨(dú)特優(yōu)勢，存在的問題主要是軸向抗拉力的極限限制以及需同時兼顧測量范圍和測量分辨率。隨著技術(shù)的發(fā)展和封裝材料工藝的進(jìn)步，基于EFPI的大量程壓力傳感器將更加容易制作。

海水的溫度、鹽度和深度是研究海洋環(huán)境變化的最為基本的物理量，深刻影響著氣候變化和人類探測活動，是海洋探測中最重要的物理量。充分研究各光纖器件的不同性能，將其合理組合利用，實(shí)現(xiàn)彼此性能互補(bǔ)，將是多參量光纖光柵溫度傳感器的又一發(fā)展方向。

光纖光柵中心波長由其有效折射率與周期共同決定，因此可以在同一條光纖上刻蝕多個具有不同反射波長的光纖光柵，進(jìn)行分布式溫度測量以方便獲取海洋溫度剖面信息，這是傳統(tǒng)海洋電學(xué)傳感器不能實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際海洋環(huán)境溫度監(jiān)測時，常常采用準(zhǔn)分布式溫度傳感器，也稱點(diǎn)溫度傳感器，即通常所說的分布式溫度測量系統(tǒng)，國外也早已經(jīng)報道了多種光纖分布式溫度測量系統(tǒng)：如英國York傳感器公司推出了分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，并積極開拓這其在海洋環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，已取得較大進(jìn)展。日本研制的光纖分布式溫度傳感器測量系統(tǒng)已在海上進(jìn)行了大量試驗(yàn)，可測量從海平面到300m水深的溫度分布; 日本還研制了一種可長時間工作于深海的光纖分布式測溫系統(tǒng)，測溫范圍為0～10℃，精度可達(dá)0.3℃。

2011年，華北電力大學(xué)李星蓉等利用40個FBG 組成2條傳感鏈，可測量海水深度為200m。為消除溫度和應(yīng)力的交叉影響，其在設(shè)計中對傳感器進(jìn)行特殊鎧裝密封封裝，并對FBG 溫度傳感器進(jìn)行耐壓測試。然而FBG溫度靈敏度較低，該系統(tǒng)精度為0.2℃。2016年，王永杰等提出了船載拖曳與全光纖溫度鏈相結(jié)合的新型測量系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)示意圖

其通過對光纖光柵的特殊封裝和標(biāo)定測試，FBG的靈敏度和響應(yīng)時間分別達(dá)到28.5pm/℃和214.8ms，滿足淺表層海域的測試要求。設(shè)計并制備40只FBG溫度傳感器，并研制一條總長200m的光纖光柵傳感器拖曳鏈，將40只FBG以等間隔的形式串接于其中，如圖10所示。

圖10 編制完好的傳感器鏈

溫度拖曳陣配合解調(diào)設(shè)備和絞車系統(tǒng)，于黃海部分海域完成水深70 m 的拖曳試驗(yàn)，同時與SBE進(jìn)行比測實(shí)驗(yàn)，如圖11和圖12所示。

圖11  溫度傳感器與SBE56捆綁圖

圖12 拖曳中的傳感器鏈

海試證明，該系統(tǒng)測量精度優(yōu)于0.01℃，具有較高實(shí)用價值。2017年，王永杰等首次將溫度傳感器和壓力傳感器集成在拖曳纜中，這一觀測系統(tǒng)可隨船舶運(yùn)動實(shí)現(xiàn)海平面至水下200m溫度垂直剖面的高采樣頻率、高水平分辨率、實(shí)時、連續(xù)性觀測，如圖13所示，其測溫精度可達(dá)0.01℃，壓力精度可達(dá)0.1%。這一系統(tǒng)的成功研制將為獲取高時空分辨率的溫度資料提供非常寶貴的技術(shù)手段，也大大提高了船時的利用效率。

圖13 系統(tǒng)整體示意圖及拖曳應(yīng)用中的實(shí)物圖

同年，王永杰、王建豐等研制了基于無線傳輸?shù)墓饫w溫度鏈遙測系統(tǒng)，如圖14所示。這一系統(tǒng)可獲取海洋不同深度的水溫情況，以保障海洋牧場的生態(tài)和生產(chǎn)環(huán)境的安全。這是光纖光柵溫度傳感器首次實(shí)際應(yīng)用于海洋養(yǎng)殖方面，并且遙測系統(tǒng)的手機(jī)軟件也已投入使用。

圖14  海洋牧場溫度鏈遙測系統(tǒng)示意圖

對溫度階躍層的調(diào)查一直是海洋研究的重點(diǎn)。單純溫度拖曳鏈測量時沒有準(zhǔn)確的深度信息，只有相對位置，無法將測得的溫度信息與深度聯(lián)系起來，缺少深度定位，因此與實(shí)際深度的溫度信息有差距，缺少壓力傳感器也不能達(dá)到精確定位溫度傳感器和判斷拖曳鏈水下姿態(tài)的目的。船載溫深剖面測量系統(tǒng)首次將溫度傳感器和壓力傳感器集成在拖曳纜中，這一成功研制將為獲取高時空分辨率的溫度資料提供非常寶貴的技術(shù)手段。傳感器封裝技術(shù)及工藝、可靠性篩選、系統(tǒng)集成等基礎(chǔ)工作的加強(qiáng)，甲板設(shè)備單元小型化、自動化等設(shè)計的完善，將會使這一準(zhǔn)分布式光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)的實(shí)用化水平得到長足的提高。物理海洋的六要素為溫度、鹽度、深度、波浪、海流、潮汐，其中鹽度的測量與溫度、深度密切相關(guān)，因此沒有鹽度的溫深儀是不完備的。將現(xiàn)有溫深傳感拖曳鏈結(jié)合鹽度測量方法，集中開展溫鹽深儀的研究，這是面向海洋應(yīng)用的光纖光柵傳感系統(tǒng)的又一發(fā)展思路。

光纖光柵傳感器被認(rèn)為是新一代的海洋傳感器，目前國內(nèi)外的研究十分活躍，有些光纖傳感器正從實(shí)驗(yàn)室研究階段走向工程應(yīng)用階段，已有實(shí)際應(yīng)用的報道。通過廣泛調(diào)研可知，國內(nèi)外海洋測溫傳感器目前大多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段，僅部分進(jìn)行海試實(shí)驗(yàn)，另外測溫系統(tǒng)精度較低，不能實(shí)現(xiàn)高精度測溫。幾年來，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在海洋測溫領(lǐng)域做了一系列相關(guān)系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)和研發(fā)工作，并完成大量實(shí)際海洋環(huán)境測試，進(jìn)而驗(yàn)證傳感系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能，在整個實(shí)驗(yàn)研發(fā)環(huán)節(jié)，也得到海洋技術(shù)中心和華北水電的大力支持和幫助。

光纖布拉格光柵以其獨(dú)特的傳感優(yōu)勢在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。但相比于土木工程、航空航天、石油化工等領(lǐng)域，光纖傳感技術(shù)在海洋監(jiān)測領(lǐng)域的滲透較少，應(yīng)用和發(fā)展還尚處于初級階段，相對于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器在海洋儀器設(shè)備中的大量使用仍存在較大差距。同時現(xiàn)有光纖光柵傳感器受限于材料和工藝水平，儀器環(huán)境適應(yīng)性仍較差、工作可靠性不夠高，距離國外先進(jìn)產(chǎn)品尚有一定差距。光纖光柵雖具有應(yīng)用于海洋環(huán)境測量的天然優(yōu)勢，如其自身對溫度與壓力等多種因素敏感。但是，實(shí)現(xiàn)面向海洋應(yīng)用的光纖光柵傳感器實(shí)用化還有很長的路要走，光纖光柵傳感的發(fā)展仍然面臨許多技術(shù)方面的困難。例如如何實(shí)現(xiàn)溫度高靈敏度測量、快速響應(yīng)與傳感器鎧裝保護(hù)的平衡；如何解決FBG 本身溫度與壓力交叉敏感的問題；如何實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度和快速原位實(shí)時測量；如何有效利用光源的有限帶寬進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更多光柵的復(fù)用；如何開發(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測系統(tǒng)等，這些都是保證FBG傳感測量系統(tǒng)能夠走向?qū)嵱没年P(guān)鍵，同時也是科研工作者的重要研究方向。

目前，海洋探測技術(shù)正在向著小型化、多參數(shù)化、模塊化、智能化等方向發(fā)展，這就對海洋探測傳感器提出了更高的要求。FBG能夠直接應(yīng)用于溫度傳感，并且通過復(fù)用集成式分布測量可以較方便的獲取海洋溫度剖面信息，同時其又具有響應(yīng)時間短、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)，其適應(yīng)未來海洋探測方法的發(fā)展方向，是面向海洋溫度測量的重要選擇。

光纖傳感器憑借其獨(dú)特的傳感優(yōu)勢，十分適用于惡劣的海洋環(huán)境的監(jiān)測。近年來，光纖傳感器面向海洋的溫度、壓力、鹽度等方面的研究都有了很大的發(fā)展?；诤Ｑ罂茖W(xué)發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)際需求，本文闡述了幾年來國內(nèi)外光纖光柵溫度傳感技術(shù)在海洋環(huán)境探測領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，分析其傳感原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)，最后探討指出了光纖光柵傳感器未來的發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見，光纖光柵傳感器必然會在海洋探測領(lǐng)域中得到進(jìn)一步重視并取得更廣泛的應(yīng)用，光纖光柵傳感技術(shù)的飛速發(fā)展也將為現(xiàn)代物理海洋的科學(xué)研究提供創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)支撐，極大推動物理海洋的科學(xué)研究和海洋儀器設(shè)備的研發(fā)進(jìn)程。