基于双SPR（表面等离子共振）和MZl（马赫-曾德尔干涉仪）组合的多参数光纤传感器，可用于检测磁场、温度和盐度

提出一种基于表面等离子体共振（SPR）与马赫-曾德尔干涉仪（MZI）协同作用的多参数光纤传感器，用于海洋温度、盐度和磁场监测。采用MMF-NCF-MMF-HSCF-MMF结构，通过银镀层和磁流体封装实现三参数检测，灵敏度达0.606 nm/Gs（磁场）、-0.825 nm/℃（温度）、0.321 nm/‰（盐度），R²均大于0.992，具有制造简便、检测范围宽的优势，为海洋环境实时监测提供新方法。

王宇|赵勇|吕瑞卿|王陆峰|龚鹏琪|郭振业|郑洪坤

东北大学信息科学与工程学院，中国沈阳110819

摘要

本文设计了一种基于表面等离子体共振（SPR）与马赫-曾德尔干涉（MZI）协同作用的光纤传感器，用于监测海洋温度、盐度和磁场等参数。该传感器结构由多模光纤（MMF）- 无芯光纤（NCF）- MMF- 中空悬浮芯光纤（HSCF）- MMF组成。NCF和HSCF的外表面镀有银层。此外，镀银的HSCF还封装了磁流体（MF），以实现磁场检测。测试结果表明，该传感器在0–312.4 Gs（温度范围：5–45 ℃）和0–40 ‰（盐度范围）的条件下，分别具有0.606 nm/Gs（R² = 0.999）、-0.825 nm/℃（R² = 0.992）和0.321 nm/‰（R² = 0.992）的高灵敏度。该传感器具有制造工艺简单、性能优越以及多参数检测能力的特点，对于推动海洋环境中多参数传感器阵列的集成、实现高灵敏度和宽检测范围具有重要意义。

引言

海洋覆盖了地球表面的71%，是调节全球气候和维持生态系统的主要因素[1]。作为海洋物理学的基本参数，温度和盐度直接影响海洋 currents的流动、热量分布和碳循环过程[2]。海洋磁场信息与地球物理勘探、水下目标定位和地磁导航密切相关[3]。海水温度和盐度的检测主要依赖于电导率-温度-深度（CTD）测量仪器[4]，而海洋磁场的测量则主要依靠电质子磁力计和光学泵浦磁力计[5]。尽管这些电学仪器具有较大的测量范围和高分辨率，但它们都面临着诸如成本高昂、体积庞大、部署困难、长期供电需求、易损坏、泄漏以及在海洋环境中易受电磁干扰等问题，难以满足长期水下部署和高精度测量的需求[6]。 光纤传感器具有许多独特优势，包括体积小、价格低廉、寿命长、抗电磁干扰能力强、耐高压、耐腐蚀以及良好的生物相容性。这些特点使得光纤传感器在生物医学和海洋检测等领域具有广泛的应用前景，因此研究人员持续对其进行探索[7],[8],[9],[10]。2022年，徐等人开发了一种利用 vernier 效应的光纤磁场检测传感器；该传感器由两个具有相似自由光谱范围的平行法布里-珀罗干涉仪组成，从而实现了 vernier 效应。测试结果显示，该传感器的磁场灵敏度为10.1 pm/Gs，约为单个 FP 腔体的7倍[11]。2023年，王等人提出了一种基于磁流体（MF）和马赫-曾德尔干涉（MZI）的光纤磁场传感器，该传感器由两端焊接有花生形状结构的锥形无芯光纤（TNCF）构成，测试表明其磁场灵敏度可达49 pm/Gs[12]。 随着光纤传感技术的不断进步，上述单参数或双参数光纤传感器的检测能力在面对复杂多样的特殊应用场景时逐渐显示出局限性。传统的双参数传感器需要构建多个传感系统，或者需要添加如 PDMS 等敏感材料以实现温度、磁场或温度与盐度的同步检测，这导致难以覆盖其他参数，进而影响对海洋环境的全面分析。从检测重要性的角度来看，温度和盐度参数是表征海洋层结构和物质传输的核心指标，而磁场参数则是海底资源勘探和地磁异常预警的关键基础。同时检测这三个参数可以为海洋科学研究、资源开发和生态保护提供全面的数据支持。在此背景下，多参数光纤传感器凭借其同时检测多个参数的卓越能力应运而生。例如，2024年，赵等人提出了一种三参数检测器，用于测量弯曲、扭转和温度；该设备利用电弧放电技术在三芯光纤上刻写长周期光栅，能够同时确定弯曲程度和方向。TCF-LPG 双共振腔的弯曲灵敏度在0°方向上分别达到-7.58和-8.83 nm/m⁻¹，而温度灵敏度分别为0.023和0.107 nm/℃[13]。2024年，吴等人开发了一种能够检测湿度、磁场和温度的光纤设备，该设备由三根镀金的光纤串联而成，三个传感探头分别覆盖有聚乙烯醇、磁流体（MF）和聚二甲基硅氧烷；测试表明，其相对湿度灵敏度为0.163 nm/‰，磁场强度灵敏度为0.177 nm/Gs，温度灵敏度为-2.680 nm/℃[14]。 为了准确了解海洋环境中温度、盐度和磁场参数的变化，需要一种新的方法，使传感器能够实现温度、磁场和盐度的集成检测，并具备更高的灵敏度和更简单的结构。本文创新性地提出了一种用于海洋温度、盐度和磁场参数检测的高灵敏度光纤传感装置，该装置结合了马赫-曾德尔干涉技术和表面等离子体共振技术的协同作用。传感器采用 MMF-NCF（镀银）- MMF 和 MMF-HSCF（镀银）- MMF 的级联结构，可实现对温度、盐度和磁场敏感的双 SPR 信号和 MZI 信号的同时激发。通过快速傅里叶变换（FFT）信号解调技术，将传感器的混合光谱信号分离为 SPR 信号和 MZI 信号。该装置采用基于三参数矩阵的信号解耦方法，有效解决了磁场、温度和盐度之间的交叉敏感性问题，具有高灵敏度和宽检测范围，能够同时检测这三个参数。在模拟的海洋环境中，该传感器表现出良好的重复性和长期机械稳定性，为复杂海洋环境中温度、盐度和磁场的实时监测提供了创新方法。这些设备为在复杂海洋环境中测量多个参数的传感工具的集成和微型化提供了有效的技术支持，也可应用于其他需要同时测量多个参数的领域。

部分内容摘要

传感原理与仿真

所提出的传感器的工作原理依赖于 SPR 引起的共振波长移动与 MZ 干涉相位调制之间的协同作用。对于 SPR 信号，由于海水（折射率约为 1.34 RIU）和磁流体（折射率约为 1.38–1.40 RIU）之间的折射率差异，SPR 信号被分为两个部分：高折射率区域和低折射率区域，从而实现盐度和磁场的双通道检测。

传感器制造与实验装置

传感探头的结构为 MMF-NCF-MMF-HSCF-MMF，由多模光纤、无芯光纤、中空悬浮芯光纤和多模光纤依次熔接而成。图 1（a-e）展示了传感探头的示意图、HSCF 的截面图、多模光纤与无芯光纤的熔接细节、多模光纤与中空悬浮芯光纤的熔接细节以及传感器的光波导传播路径。

信号解调技术

传感器输出的混合光谱包括低折射率区域的盐度 SPR 信号（SPR_S）、高折射率区域的磁场 SPR 信号（SPR_MF）和 MZI 信号，如图 4（a）所示。经过 FFT 将时间和空间域中叠加的 SPR 和 MZI 信号转换为频率域后，两种信号的频率分量在频谱中清晰分离：低频段对应于 SPR 信号（频率截止参数为 0.0112 Hz）。

结论

本文提出了一种基于双 SPR 效应和 MZI 效应协同作用的光纤传感器，用于实时监测温度、盐度和磁场强度。该传感器采用 FFT 信号解调技术，有效分离了混合光谱信号中的 SPR_S 信号、SPR_MF 信号和 MZI 信号，实现了温度、盐度和磁场的三参数检测。

作者贡献声明

王宇：撰写初稿、进行研究、获取资金、构思研究方向。 赵勇：撰写、审稿与编辑、监督项目、获取资金。 吕瑞卿：撰写、审稿与编辑、监督项目、获取资金。 王陆峰：进行研究、数据整理。 龚鹏琪：进行研究、进行数据分析。 郭振业：进行数据可视化处理、进行研究、进行数据分析。 郑洪坤：负责软件开发、资源协调、资金筹集。

资助信息

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62533007、U22A2021、62473084、62305306）、河北省自然科学基金（项目编号：F2024501044）、广西光电信息处理重点实验室开放基金（项目编号：GD23201）、河北省研究生创新能力培养基金（项目编号：CXZZBS2025204）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：N25ZLV009）的支持。

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。