(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210762148.3 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 山东大学 地址 250100 山东省济南市山大南路27号 申请人 德州尧鼎光电科技有限公司 　 青岛市海 洋传感器产业 技术研究院 (72)发明人 吴锜　李国强　杨淑清　李刚　 姬兰婷　 (74)专利代理 机构 青岛高晓专利事务所(普通 合伙) 37104 专利代理师 于正河 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/41(2006.01) (54)发明名称 一种法布里-波罗谐振腔式盐度传感器 (57)摘要 本发明属于传感器技术领域， 涉及一种法布 里‑波罗谐振腔式盐度传感器， 其主体结构包括 激光器、 光束准直器、 电子控制器、 FP腔、 光电探 测器、 聚焦透镜和控制面板； 激光器的输出端与 光束准直器对应连接， 光束准直器的输出端对应 接有聚焦透镜， 并通过聚焦透镜与FP腔光道通式 连接， FP腔上接有光电探测器， 光电探测器通过 带有控制面板的电子控制器与激光器电信息连 接， 形成光电一体化结构 的盐度传感器， 用于对 FP腔中的液体进行盐度测量； 其主体结构设计科 学合理， 物理原理简单可行， 实施制作工艺简单， 产品成本低， 使用操作灵便， 应用寿命长， 测试性 能稳定， 盐度灵敏性高， 应用环境友好。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115266582 A 2022.11.01 CN 115266582 A 1.一种法布里 ‑波罗谐振腔式盐度传感器其特征在于其主体结构包括波长为633mn的 激光器或简称激光器、 光束准直器、 电子控制器、 FP腔、 光电探测 器、 聚焦透镜和控制面板； 激光器的输出端与光束准直器对应连接， 光束准直器的输出端对应接有聚焦透镜， 并通过 聚焦透镜与FP腔光导通式连接， FP腔上接有光电探测 器， 光电探测 器通过带有控制面板的 电子控制器与激光器电信息连接， 形成光电一体化结构的盐度传感器， 用于对FP腔 中的液 体进行盐度测 量； 电子控制 器为带有控制面板的光电信息自动控制 部件， 电子控制器的主 体结构由控制芯片、 低通滤波器、 本振器和乘法器电信息连接构成， 能实现光与电信号的转 换式探测并控制， 电子传感器控制过程能够通过控制面板实现操作， 达到有效控制的效果； 电子控制器用于控制激光器的输出与对接收到的信号进 行处理， 聚焦透镜通过FP腔投射的 激光聚焦到光电探测器上， 光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束； FP腔 中装有液 体， 液体折射率或盐度的改变， 会引起谐振频率发生改变， 从而使反馈电压也发生改变； 激 光器发出的激光通过光束准直器之后进入到光纤， 然后再通过隔离器进入FP腔， FP腔反射 的激光通过环形器照射到光电探测器上， 再通过本振器与光电探测器探测的信号相乘得到 误差信号， 误差信号经过低通滤波器后再通过PID结构的控制芯片计算得到控制 信号， 该控 制信号反馈到激光器中， 控制激光频率随着FP腔中的液体的折射率或盐度的改变而发生变 化， 实现盐度传感器的功能。 2.根据权利要求书1所述的一种法布里 ‑波罗谐振腔式盐度传感器， 其特征在于： 所述 的FP腔的主体结构包括腔 镜和腔体； 柱体状內空式结构的FP腔的右端部与筒状结构的腔 体 对接式固定制有腔 镜， 腔镜上涂有反射介质， FP腔的腔 体的内部中装有被测定用的液体， FP 腔的腔镜的反射率为90 ‑97％， FP腔的腔体的材料为微晶玻璃或不易受温度影响而伸缩的 材料； FP腔的折射率与 激光器的频率关系为： 其中， f为激光器光的频率， Δf为激光 器光的变化量， Δn为被测液体的折射率， Δn为被测液体折射率的变化量； 激光器的频率锁 定到FP腔上， 激光器的频率随着FP腔中的被测液体折射率的改变而改变； 经过准直处理后 的激光入射到FP腔上， 经过FP腔的投射后的透射光再经过聚焦透镜聚焦于光电探测 器上； FP腔为矩形腔或圆柱型腔结构， 腔 镜上涂反射率为90％ ‑97％的介质； 当FP腔是矩形腔结构 时， FP腔的尺寸为长为40mm， 宽为20mm， 高为20mm； 当FP腔为中空的圆柱型腔结构时， 中空部 分的直径 为8mm， 形成的腔体上开有通孔使 得外界与中空部 分能够连通， FP腔的腔镜的直径 为12mm， 通过反馈电压的变化能够得到液体折射率的变化量， 从而检测液体的盐度变化； FP 腔的尺寸为长为40mm， 圆柱 直径为12mm， 圆柱中心具有中空部分， 中空部分的直径为8mm， 腔 体为空腔式的圆柱体。 3.根据权利要求书1所述的一种法布里 ‑波罗谐振腔式盐度传感器， 其特征在于： 所述 的电子控制器的主体结构包括控制芯片、 低通滤波器、 本振器和乘法器， 各部件组合式电连 接制作成为一体式结构并外接控制面板的电子控制器， 或选择具有同等功能的市售产品， 用于控制激光器的输出与对接收到的信号进 行处理； 聚焦透镜把FP腔投射的激光聚焦到光 电探测器上， 光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束； 然后光电探测器将检测到的 光强信号传递给电子控制器， 电子控制器对光强信号进行处理， 电子控制器将光强信号锁 定到FP腔的透射信号的最大值处， 从而实现对激光器的锁定 。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115266582 A 2一种法布里 ‑波罗谐振腔式 盐度传感器 技术领域： [0001]本发明属于传感器技术领域， 涉及一种法布 里‑波罗(FP)谐振腔式盐度传感器， 用 于原位测量海水或液体盐度参数， 将聚焦透镜的FP腔投射出的激光聚焦到光电探测器上， 采用光束准直器将激光器的输出光准直成准直光束， 用于海水等液体的含盐量测定， 实现 对盐度测量的高度敏感性。 背景技术： [0002]目前， 海洋技术领域的研究和生产活动对传感器有很大的需求量和需求功能， 如 温度传感器、 盐度传感器、 深度传感器、 pH传感器、 溶解氧传感器和浊度传感器等。 采用电导 率技术方法形成的传感器主要用于海水盐度测 量等场合， 而且电导率传感器的结构简单， 但该方法只能测量海水中导电离子的盐度， 无法检测海水中不导电但对盐度有影响的物 质。 在物理学领域中， 折射率是一个重要的物理参数， 可以用来表征和理解海水的性质， 通 过测量液体的折射率可以克服这个问题， 因此准确测 量海水的折射率非常重要， 而且近年 来， 人们发展了许多折射率测量方法。 折射率是表征透明介质光学特性的重要光学参数量， 折射率可用于了解透明液体的光学性质、 浓度、 组成和分散性。 因此， 准确测量材料的折射 率在工程和理论研究中都具有重要理论意义和实用价值。 在现有技术中， 除了使用经验公 式估算折射率以外， 还提出了许多折射率测量的技术方案， 其中包括光学折射率、 光学全反 射与光纤光栅、 表面等离子体共振、 干涉测量、 阿贝折射率法和二 维光子晶体等， 其中， 光学 方法在抗电磁干扰， 较高的灵敏度和较小的感测单 元方面表现出优异的性能。 [0003]在现有技术中， 除了使用经验公式估算折射率， 还提出了许多测量折射率的新技 术方案， 虽然这些新测量折射率的技术方法能够克服现有的某些技术缺点， 但很难同时达 到大动态范围(0 ‑35g·kg‑1)和高分辨率(0.001g ·kg‑1)的测量要求。 因此， 对高分辨率、 大范围盐度传感器的需求越来越迫切。 在传统的V型槽折射率仪涉及的技术方案中， 都是基 于PSD来测量小偏转角的， 然而， 由于PSD通过检测斑点的质心的位置来检测位置变化， 所以 诸如斑点的形状、 大小和功 率分布的重要信息将丢失。 由于CCD图像传感器可以同时检测光 点形状和功率分布， 所以CCD不仅可以测量折射率， 还可以测量透明液体的温度和浊度， 基 于CCD的系统的平均分辨率几乎是基于PSD的系统的1.5倍， 但是检测范围有限。 因此， 海洋 技术领域和应用中 需要一种可以同时实现大量 程和高精度的盐度传感器。 [0004]虽然现有的光学方法具有检测方便、 灵敏度高、 液体折射率快速测量等优点， 但有 待于进一步提高检测范围和 检测效果， 所以， 设计一种基于FP谐振腔的盐度传感器具有良 好的科学价值和广泛的应用前景。 采用该传感器， 再结合锁频原理， 可以实现原 位实时折射 率测量， 提高了光学测量盐度的测量灵敏度， 解决了现有技术中存在的缺点。 特别是有必 要 进一步发明设计一种采用FP谐振腔的高分辨率大动态范围折射计， 采用激光频率抖动锁定 方法来增加测量范围， 采用FP谐振腔来提高测量分辨率， FP谐振腔 中溶液折射率的变化会 引起FP谐振腔谐振频率的相应变化， 这种 新型盐度传感器的折射率分辨率约为0.64 ×10‑ 4g·kg‑1， 动态范围约为35g ·kg‑1， 该技术方案 能同时实现大动态范围和高分辨率， 适用说　明　书 1/5 页 3 CN 115266582 A 3