一种基于菲涅耳原理的光纤盐度测量方法

引言

    盐度是海洋动力学以及海洋与大气相互作用中起关键作用的重要参量。盐度的变化与海洋环境及气候的变化有很强的内在联系。因此，对其快速精确的检测，对研究海洋学、海洋环境和气候的监测及预测、军事、沿海采油以及海洋渔业等具有十分重要的实用意义和社会、经济效益。

    国内外研究人员已经提出了很多盐度检测的方法，随着光纤传感技术的不断发展，越来越多的研究人员开始应用光纤传感的独有特性进行盐度[1]的检测，包括裸露光纤盐度检测法[2]、表面等离子共振盐度检测法[34]、基于位置敏感型传感器的盐度检测法[5]、布里渊散射法〔7〕等，但这些方法大都存在灵敏度不高、响应时间长等问题，因此并没有得到广发的应用。

作者提出了一种应用菲涅耳定理设计的海水盐度的光纤测量方法。通过测量不同盐度条件下的海水折射率的变化，进而得到海水的盐度。这种方法具有简单、快速、准确度和灵敏度高的特点。在测量中，仅需要较少的实验数据，即可完成海水盐度的测量，且不需要调整装置。作者提出的海水盐度的光纤测量方法不涉及腐蚀工艺、端面处理简单，一次标定后可用来重复性测量，测量范围宽，并且从理论上可对任何从气体到液体和固体的浓度(折射率)进行测量。

1测量原理与测量装置〔8-9 ]

    当一束光照射到两种不同介质的分界面时，一部分光会被反射，反射率(rp与rs)由菲涅耳公式确定:

式中，Ep与Es分别表示垂直于人射面振动的分量((s分量)的振幅与平行于人射面振动的分量(P分量)的振幅;Ep’与Es’分别表示反射波在这两个方向上的振幅;μ1与μ2表示两种介质的磁导i1和i2分别表示反射角和折射角。两种介质的折射率的复数表示形式为:

n1与n2分别表示两种介质的折射率k1与k2分别表示两种介质的衰减系数，且满足:

    采用3dB"X”型单模光纤祸合器将人射光导人光纤纤芯与待测液体界面，并收集反射光，光纤的端面被平整地切开以满足正常的人射条件(如图1所示)。

在此种情况下，磁导率为1。实验中，介质1为光纤纤芯，折射率n1=nriber=1. 460;介质2为盐溶液，折射率为n2 = nsai一lkgall，因此，本实验中的全部反射光的光强R可表示为:

    在自然界中，实验系统中必然会存在本征反射。本征反射光有几种来源，从闲置光纤的端面反射回来的，从两个光纤的融接点反射回来的，或者是其它诸如光纤缺陷等因素引起的。所以，实际的反射光功率是不能够直接确定出来的，必须加以校正。校正的方法是对已知折射率的两种不同介质的反射光功率进行测量。实验中光源的中心波长为1550nm，室温为20°C ,在一标准大气压下，空气和水的折射率分别为nar =1. 00027和nwaler = 1. 32191，于是实验系统中的固有反射功率尸。可以由下面的关系式给出: