基于螺线形光纤的液体质量分数传感器.pdf

设计了基于螺线形光纤的液体质量分数测量装置在传输光纤的中间部位制作去包层裸光纤，当裸光纤与不同质量分数的溶液接触时，光纤中传输光的强度将随液体质量分数的升高而损耗增大，以此建立传输光强与质量分数的对应关系设计了螺线形裸光纤传感器，研究了螺线形光纤设计参量 曲率半径和圈数对液体质量分数检测灵敏度和分辨率的影响优化后的传感器对 溶液的检测灵敏度为质量分数变化引起 的检测电压变化，质量分数分辨率达到 ，且检测重复性好关键词：液体质量分数；折射率；光纤传感中图分类号：文献标识码：目前，已存在许多测定质量分数的方法，如滴定分析法 、分光度法 、比重计法、旋光度法、折光法 等因传感器具有环境适用性高、耗液量少、检测灵敏度高、分辨率高、小型且易于集成化的特点，可将其引入到质量分数测量中，可实现更加快速、准确、方便的测量，还能增加大学物理实验的趣味性和探索性，提高大学生的设计性实验思维和动手能力本文从光纤传感原理出发，设计并搭建了基于螺线形光纤的液体质量分数测量装置螺线形光纤传感器具有物理结构参量多变量探索的特点，学生通过研究变量对传感器性能的影响，加深对光纤传感原理的理解光纤测质量分数的原理与传感器设计 实验原理光纤由纤芯、包层和涂覆层以同心圆柱形的方式构成，如图（）所示入射到光纤端面且满足光纤传输条件的光，呈现光锥角分布，如图（）所示，光纤中光波模式的传输量决定光锥角的大小对传输光纤的中间部位进行图（）所示的去涂覆层和包层处理，得到传感光纤（裸光纤）当被测液体覆盖传感光纤时，随着液体折射率（折射率与质量分数呈正相关）的升高，光纤中出现不能满足纤芯与液体界面全反射条件的光波模式，则产生泄露光波模式泄露光波模式的量与液体质量分数的对应关系是本文的研究内容（）光纤的横截面（）光纤传输光的原理（）传感光纤测液体质量分数图光纤测液体质量分数的传感原理 螺线形光纤传感测量液体质量分数的设计由光纤测液体质量分数的原理可知，被测液体质量分数可调控泄露光波模式的量，进而调控光锥角由文献 可得到直光纤的光锥角为犻 狀狀槡，（）弯曲光纤的光锥角为 狀犚犱犚犱烄烆烌烎狀槡，（）其中，狀为光纤纤芯的折射率，狀为光纤包覆材料的折射率，犱为光纤纤芯的直径，犚为弯曲光纤的曲率半径由式（）可知犻与狀存在对应关系，而由式（）可知犚可以调控与狀的对应关系，因此设计弯曲光纤更有利于测量液体质量分数此外，传感光纤的长度犔越长，测量时的光损耗量越大，越有利于制作灵敏传感器综合以上考虑，设计了如图所示的螺线形光纤传感器，传感器同时具备调控犚与犔的功能通过螺线形光纤绕线的曲率幅度控制犚，绕线的圈数犖控制犔，设计并制作了高灵敏光纤液体质量分数传感器图螺线形光纤传感器传感器的设计仿真 直光纤和弯曲光纤对折射率响应的比较由式（）和式（）分别计算直光纤以及弯曲光纤（直径为 的光纤）对表面包覆材料折射率的响应，种光纤的犔均设为，弯曲光纤的犚设为 如图所示，随着光纤包覆材料折射率的增大，种光纤的光锥角逐渐变小，而且弯曲光纤的光锥角的变化幅度更大，更为灵敏图直光纤和弯曲光纤对折射率响应的比较 弯曲光纤对灵敏度的影响灵敏度表征传感器对单位量待测物质变化所致响应量的变化程度灵敏度越高，传感器可以感知的变化量越小弯曲光纤灵敏度为光锥角对包覆材料折射率的导数由式（）求导可得弯曲光纤的检测灵敏度表达式为犛狀（犚犱）狀狀（犚犱）（犚犱）槡（犚犱）狀（犚犱）（犚犱）狀槡（）由式（）研究弯曲光纤灵敏度犛与犚的关系，如图所示在犜 ，犱 时，犛随犚的减小而升高，在犚相同时，犛随检测折射率狀的升高而升高，犚的减小带来了犛的剧烈变化犛的剧烈变化不利于传感器测量的线性标定，由图结果，犚 时，犛随着狀的变化非常小且平缓，在一小段折射率区间内，可近似认为犛为常量；另外，应该尽量考虑传感器的小型化，因此后续实验中，选择犚，进行实验研究第期许鸣媛，等：基于螺线形光纤的液体质量分数传感器图弯曲光纤犚对灵敏度犛的影响实验设计与装置实验装置由螺线形光纤传感器、激光光源（具有自动补偿激光光源输出功率的负反馈电路，以 此 保 证 光 源 的 稳 定 性）、光 电 转 换 器、数据采集接口和计算机组成，如图所示螺线形光纤传感器测量液体时所引起的光锥角变化可用于表示输出光强的变化，进而通过光电转换器转换为电压变化，该电压信号由 数据采集接口采集，并通过计算机实时输出图实验装置整体示意图分别制作犚，的弯曲光纤，对比研究不同犚下，传感器的犛和平均标准偏差（为传感器测量不同质量分数的溶液时，内检测电压波动的平均值）由犛和可进一步计算质量分数分辨率为犃犛（）通过对比分析，选择最优犚参量制作形及单、双、三螺线形光纤传感器，研究最优传感器的犖值采用犚与犖实验参量优化后的传感器进行梯度质量分数的 溶液的重复性测试，研究传感器的犛和犃，并对其测量的稳定性进行评估实验结果在犜 ，犱，犚 时，三螺线形光纤传感器连续测量质量分数增加的系列 溶液的检测信号时序图如图所示在质量分数为 的区间内，随着质量分数的升高，电压信号逐渐降低，且呈现良好的阶梯分布，检测电压信号能够区分不同质量分数 ，因此螺线形光纤传感器测量液体质量分数的方案可行图螺线形光纤传感器测量不同质量分数 溶液的检测信号时序图进一步研究犚对传感器性能的影响，表为在犜 ，犱，犖时，不同犚下弯曲光纤传感器的性能犚小的传感器具有更高的灵敏度，与理论结果相符合而主要由采集系统的固有噪声决定，实验测得不同犚下的基本一致犚 的弯曲光纤传感器具有最好的质量分数分辨率，因此实验确定最优传感器对应的参量犚为 表犚对弯曲光纤传感器性能的影响犚犛犃 注：犛为 溶液的质量分数每变化所引起的检测电压变化物理实验第 卷传感器的参量犔由螺线形绕圈的圈数犖控制，表为犜 ，犱，犚 时，不同圈数螺线形光纤传感器的性能表现圈数多的传感器具有更高的灵敏度，同时也具有更好的分辨率，但是增加圈数的同时也增大了传感器的体积考虑到小型化传感器检测的便携性，不能无限增大体积，因此选择三螺线形光纤传感器进行后续实验表圈数犖对螺线形光纤传感器性能的影响犖犛犃形 注：犛为 溶液的质量分数每变化所引起的检测电压变化经过实验参量优化后，采用犚 的三螺线形光纤传感器（犱）在犜 时进行 溶液质量分数的重复测量，研究传感器的稳定性重复 次测量溶液质量分数梯度增加的实验，结果如图所示，传感器具有较好的检测一致性，对同一液体质量分数重复检测的平均偏差为 ；多次测量均能保持较好的线性响应，传感器的平均灵敏度为质量分数每变化引起 的检测电压变化图犚 的三螺线形光纤传感器的测量结果结论利用塑料光纤可塑形的优势，设计了螺线形光纤传感器，用于测量液体质量分数实验中探讨了光纤传感器的多个参量对装置检测性能的影响，通过理论与实验相结合的方式，最终确定了传感器的优化参量为犚，犖实验制作的三螺线形光纤传感器在质量分数为 的 溶液的检测灵敏度为质量分数每变化引起 的检测电压变化，质量分数分辨率为 ，并且检测具有良好的重复性本实验设计将光纤传感原理引入大学物理实验中，具有可操作性和探索性，有助于学生对新型光学检测原理产生浓厚的兴趣和自主学习动力参考文献：，（），（）：，：，：，（）：杨柳利用线性回归法在比重计上测试药品浓度的分析方法信息记录材料，（）：庄旭琴旋光度法测定盐酸氨基葡萄糖片的含量安徽医药，（）：贺国旭，李宝怡，田刚，等折光法测定咪唑类离子液体与十二烷基硫酸钠复配体系的昆明理工大学学报（自然科学版），（）：张欢，段亚军，朱珍，等折光法检测食品添加剂乳酸的含量 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报，（）：曲直，孙秀平，何杰，等单模双折射光纤弯曲传输损耗的研究物理实验，（）：包令杰塑料光纤传光原理科技风，（）：孙秀平，冯克成，张喜和，等塑料光纤拉曼散射的研究光谱学与光谱分析，（）：第期许鸣媛，等：基于螺线形光纤的液体质量分数传感器 王彦，梁大开，欧启标，等测量液体折射率与浓度的光纤光栅传感器传感器与微系统，（）：，犔 犻 狇 狌 犻 犱犿 犪 狊 狊 犳 狉 犪 犮 狋 犻 狅 狀狊 犲 狀 狊 狅 狉犫 犪 狊 犲 犱狅 狀狊 狆 犻 狉 犪 犾 犳 犻 犫 犲 狉 ，（；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；编辑：任德香（上接 页）犃 犱 犪 狆 狋 犻 狏 犲狀 狅 犻 狊 犲 狉 犲 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀犿 犲 狋 犺 狅 犱犳 狅 狉 狊 狅 狌 狀 犱狊 狅 狌 狉 犮 犲 狊犫 犪 狊 犲 犱狅 狀犪 犮 狅 狌 狊 狋 犻 犮 犻 犿 犪 犵 犻 狀 犵 ，（；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；编辑：任德香物理实验第 卷