强度型光纤浓度传感器研究.pdfVIP

强度型光纤浓度传感器的研究宰 张伟刚许兆文开桂云杨翔鹏袁树忠赵启大董孝义 (南开大学光子技术中心) 摘要：本文定义了回波强度概念．基于此概念．设计并实现了一种便携、实用的强度型光纤浓度传 感嚣·推导了浓度计算的理论计算公式，对盐溶液和糖溶液的浓度进行了实验测定。其并量分辨率达到 2·87×1 o_‘，实验结果与理论分析相符·该传痞器具有结构简单、操作是活和价格低蠢等特点．在溶液产 品质评、环境监涮、水位预警等方面具有实用价值． 1引言 近年米，光纤因其抗腐蚀、柔韧性等优良特性，已日益受到学术界和业内人士的重 视…。与传统的传感器相比．光纤型侍感器具有许多优点，如分布式传感、动态范围宽、 高敏感性、高可靠性等．因此，这种传感器很适台应变、温度、速度等参量的测量…． 尤其是对企业生产的液体产品(如油、洗涤剂及汁浆等)进行质量评估，浓度的检测是 一项必须的过程。为此，人们提出了二级彩虹“‘和多模光纤“1等方法．前者制造工艺比 较复杂．成本相对较高；后者因光纤保护层利包层均被剥酴并弯成弧形．其纤苍容易折 断。因此，本文基于光纤回波强度概念．从便携、实用与价廉的角度考虑，设计并实现 了一种强度型光纤浓度传感器，并对盐溶液币I精溶液进行了实际检测．其测量分辨率达 x 到2．6710-4．实验结果与理论分析相符。 2传感机构与原理 翻1为强度型光纤浓度传感机构示意图．该机构包括传感部分(光纤传感头、步进 装置、清沽装置、护套等)、掺铒光纤激光器(EDFL，波长丑=1531．12M)、商用光谱分 析仪(OSA，分辨率为0．01dB)．50：50定向耦台器。激光从功几经耦合器进入传感 头(传感头与溶液接触)．经反射被OSA接收检测．本文对溶液浓度的研究．是基于传 感头对不同浓度的溶液具有不同的光强反射而进行的．实验用溶液是由两种不同浓度的 溶液配制而成，不同的浓度对应于不同的折射率。 设溶液的浓度为口，光纤纤芯的折射率为*，两种溶液的浓度、密度和折射率分别 为。H、PH、～和气、凡、也。且“Ⅳ吼·定义传感器回波强度为 }国家自然科学基金69977006)、博七点基金资助项目 图1强度型光纤浓度传感机构示意图 ，R=10197。‘“-’ 式中，。和，。分别为EDFL的发射光强和OSA的接收光强，k的单位为dB。根据 Frcsnel定律井考虑耦合器最佳效率，(1)式可写为 篝 (2) 式中四个比例常数分别为茧=口ⅣP阿(”(一一一￡)， 掌2=口ⅣpⅣ(即+飞)， 晶=见帆一飞，)一砌魄一电)，点=甩魄+啊)一^“十nD· 显然，当％=卣倡时．即待测溶液的折射率接近光纤纤芯的折射率时．由溶液反 射回光纤中的光强儿乎为零，即基本被溶液吸收掉了，故，。趋于极小值。对于我们所 用的OSA而言，其值为一100dB，已超出OSA检测的最低限．由于“对于口=岳偈轴 具有对称性，故当口接近口n时，传感的灵敏度迅速变大，反之．则逐渐变小． 3实验结果及讨论 我们对盐溶液和糖溶液进行了实验测定a有关参数选取如下：光纤刀。=1．458，蒸 pH2=1．39。为减少环境温度对光源的影响，实验中将EDFL置于温控箱内保持20℃· 井且，以水为基准．采用相对光强进行测量，即I：=，m“一，。。。图2为盐溶液和糖 溶液的相对光强，；随其浓度口的变化关系曲线，其中的实心点为实验值，实线为理论计 算值。 从图中可见，当盐溶液浓度在l％一22％、糖溶液浓度在1％一26％内改变时，实验 测量与理论分析结果相符．实验中发现，在高浓度区域，测量误差较低浓度区域为大． 这是由于溶液的浓度越大，溶质越窖易沉积于光纤传感头的表面．因此，尽可能地提高 光纤传感头表面的平整度及测量后的清洁度，是降低测量误差的有效途径。基于OSA x10-4． 的分辨率0．01dB，获得的浓度测量分辨率为2．67 {i；