（环境科学专业论文）强度调制型光纤传感器液体浓度检测系统的研究.pdf

a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fs o l u t i o n a tp r e s e n t ，t h ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yf o rc o n c e n t r a t i o nr e q u i r e sc o m p l e xo re x p e n s i v ee x p e r i m e n t a ld e v i c e a c c o r d i n gt ot o t a lr e f l e c t i o np r i n c i p l e ，f r e s n e lf o r m u l aa n dl a m b e r t - b e e r sl a w , t h e l i n e a rr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h el i q u i dc o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t i v ei n d e x ，t h el i q u i d c o n c e n t r a t i o na n da b s o r b a n c ea r ea n a l y z e d r e s p e c t i v e l y , a n dt h en e g a t i v ee x p o n e n t r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p t i c a ll e a k a g es t r e n g t ha n dc l a dl i q u i dc o n c e n t r a t i o ni s o b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ea b o v ec o n c l u s i o n s ，t h el i g h ti n t e n s i t ym o d u l a t i o ni su s e dt o d e t e c tt h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n t h ec h a n g eo fl i g h ti n t e n s i t yi sm e a s u r e dt o t e s t s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o nc a n b er e a l i z e db yt h ei n t e n s i t ym o d u l a t e do p t i c a ls e n s o rd e v e l o p e dh e r e t h ei n t e n s i t ym o d u l a t i o np r i n c i p l ei sc h o s e nt od e v e l o p et h ec o n c e n t r a t i o nt e s t i n g s y s t e m t h es e n s i t i v eu n i ti sm a d eb yw e l d i n gn a k e do p t i c a lf i b e r i n s e r t i n gi ti n t o t e s t i n gl i q u i d ，l o s so fl i g h ti n t e n s i t yi sm e a s u r e da n dt h el i q u i dc o n c e n t r a t i o ni sk n o w n d i r e c t l y t h e6 5 0 n ml i g h ts i g n a li se m i t t e db ys e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e ( l d ) t h e t o t a lr e f l e c t i o no fl i g h ti si nt h eo p t i c a lf i b e ra n dl i g h ti sl o s t i nt h eo p t i c a lf i b e r s e n s i t i v eu n i tb e f o r ei ta r r i v e sa tt h el i g h td e t e c t o r i nt h el i g h td e t e c t o r , t h es i l i c o n p h o t o d i o d et r a n s f o r m st h el i g h ts i g n a li n t ot h ee l e c t r i c a ls i g n a la n dt h eo u t p u t e l e c t r i c a ls i g n a li sm e a s u r e da f t e ra m p l i f i e db yt h el m 3 5 8 i no r d e rt oi n c r e a s et h e a c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t ，t h ed i g i t a lm u l t i m e t e ri sf o l l o w e dt h el i g h td e t e c t o rt or e a d t h ev o l t a g ev a l u ed i r e c t l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eo p t i c a ls e n s o r d e v e l o p e dh e r ec a nd e t e c tt h el i q u i dc o n c e n t r a t i o nw e l l as i m p l e ，f a s ta n ds c a t h e l e s s w a y t op e e lo f f t h ef i b e rc l a d d i n gi sa l s op r e s e n t e d t h el o w c o s tf i b e ro p t i cc o n n e c t o ri sa d o p t e dt oc o u p l et h eo p t i c a lf i b e ra n d l i g h ti n o r d e rt oa v o i dt h ec o m p l e xc a l i b r a t i o np r o c e s so f o p t i c a lf o c u s i n gl e n s s y s t e md e s i g n i ss i m p l i f i e d ，a n dt h ec o s ti sr e d u c e d i ti sa l s of o u n dt h a tt h el i q u i dd e t e c t i o ns y s t e m h a sr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , h i g h s e n s i t i v i t y ，a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，s i m p l es t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，m i n i m u mi n v a s i o n ，e t c g o o d p r o s p e c t so fa p p li c a t i o na r es h o w e d k e yw o r d s ： l a m b e r t b e e r sl a w , l i q u i dc o n c e n t r a t i o n t o t a lr e f l e c t i o np r i n c i p l e ，f r e s n e lf o r m u l a o p t i c a lf i b e rs e n s o r , i n t e n s i t ym o d u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：健佳 签字日期： 昭年占月铲e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞基鲎一有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：售，佐 导师签名：1 乏仑 签字日期：0 8 年g 月 牛日 签字日期： o ，年毛月厂日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 传感技术的研究现状 第一章绪论 传感器是能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件 或装置【i 】。简单的说，能把被测非电量信息转换为电信号输出的器件或装置称为 传感器。因此，传感器的定义包含着三层含义：传感器是一个检测装置；在规定 的条件下感受外界信息；按一定规律转化成易于传输与处理的电信息。 传感技术早已渗透到工业生产、军事国防、宇宙探测、海洋开发、环境保护、 资源调查、医学诊断、生物工程、文物保护、安全防范、家用电器等极其广泛的 领域。 在安全防卫和环境保护方面，用传感器检测森林火灾，预报地震、山崩、滑 坡、海啸，对洪水、洪峰以及大堤管涌的检测预报等，还有对河流、湖泊、海水、 空气的污染程度进行检测f 2 】，以及对噪声、有害气体对环境污染的检测也要用到 传感器。 1 1 1 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、传感元件、测量电路和辅助电源四部分组成( 图 1 1 ) 。 图1 1 传感器的组成 敏感元件是指传感器中能直接感受被测非电量信号，并将非电量信号按一定 的对应关系转换为电信号的另一种非电量信号的元件。 传感元件是指传感器中能将敏感元件输出的非电信号或直接将被测非电信 号转换成电信号输出的元件。传感元件又叫转换元件或变换器。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 测量电路又称信号调节与转换电路，或直接称为转换电路。它能将传感元件 输出的电信号转换成便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。其作用 是将信号进行调节与转换，或将电阻、电容、电感等电参数转换为电流、电压或 频率输出，或将小信号调节为大信号输出。常用的测量电路有电桥、变阻器、振 荡器、放大器等。 辅助电源其作用是为传感元件和测量电路供给能源。 1 1 2 传感器的分类 按工作原理分为物理型、化学型和生物型。 按构成原理分为结构型和物性型两大类。 按能量转换情况分为能量控制型和能量转换型。 按物理原理分为电参量式传感器、压电式、磁电式、光电式、气电式、热电 式、射线式、波式、半导体式p j 。 按输出量可分为模拟式传感器和数字式传感器。 按转换过程是否可逆分为双向传感器、单向传感器。 1 1 3 传感技术的特点 传感技术具有以下特点： 知识密集程度甚高、边缘学科色彩浓。传感技术几乎涉及到现代文明的所有 科学技术。传感器不同，其工作原理各异，理论上以物理效应、化学反应、生物 机理为基础，与多门学科密切相关。在设计、制造、应用等方面，它设计电工电 子技术、机械制造技术、化学化工技术、生物技术等多方面知识。因此，传感技 术是- - 1 9 多学科交叉、相互渗透的知识密集性极高的学科。 内容范围广而离散。传感技术涉及到的内容十分广泛，它所涉及的物理学、 化学、生物学以及其他学科中的基础效应、反应、机理，不仅门类多，而且彼此 独立。 技术复杂、工艺难度大。传感器的制造涉及到集成技术、薄膜技术、超导技 术、精细或纳米加工技术、粘合技术、高密封技术、特种加工技术以及多功能化、 智能化技术等许多高新技术，因此，传感器的制造工艺难度很大，技术要求很高。 功能优越、性能良好。传感器的功能扩展性好，适应性强，它不仅具有人的 五官功能，而且还能检测人的五官不能感觉到的信息，同时能在人类无法忍受的 高温、高压及核辐射等恶劣环境下工作。传感器具有测量的连续性、测量的远距 性，灵敏度高、分辨率高、精度高，量程宽、可靠性很好等特性。 品种繁多、应用广泛。现代信息系统中待测的信息量很多，一种待测信息可 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 由几种传感器来测量，而且一种传感器可测量多种信息，因此，传感器的品种极 为繁多，应用也很广泛，从航空航天、兵器、交通、机械、电子、冶炼、轻工、 化工、煤炭、石油、环保、医疗、生物工程等领域，到农林牧副渔，以及衣食住 行等生活的方方面面，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器。 采用传感器实现非电量的电测量，具有以下一些优点： 具有测量的连续性。能连续地进行测量，便于自动记录，并能根据测量的结 果自行判断与运算，所以可用于自动控制和自动调节，或对于产品自动检测与分 类。 具有测量的远距性。可以进行远距离测量，从而实现集中控制和遥远控制。 测量的准确度高、灵敏度高和分辨率高，并且由于电磁仪表能方便地改变量 程，所以测量范围广。 由于电磁仪表的惯性小，所以测量的反应速度快，可用于动态过程。 从被测物取用功率小，甚至可完全不取功率，并可以与被测对象无机械接触， 因而可以减小对被测过程的影响。 无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同， 其技术指标也不尽相同，但其基本要求却是相同的，即 灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系； 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 滞后、漂移误差小； 动态特性良好； 在接入测量系统时，对被测量不产生影响； 功耗小，复现性好，有互换性； 防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 结构简单，容易维修和校正； 低成本、通用性强。 1 2 传感技术的发展趋势 随着大规模集成电路技术、微型计算机技术、信息处理技术以及材料科学等 现代科学技术的飞速发展，使得综合各种先进技术的传感技术进入了一个前所未 有的发展阶段。 向集成化发展。所谓集成化，就是在同一芯片上，将众多同一类型的单个传 感器件集成为一维、二维或三维阵列型传感器，是传感器的检测参数实现点线 面体多维图像化，甚至能加上时序控制等软件，变单参数检测为多参数检测。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 或者在同一芯片上，将传感器与测量电路等处理电路集成一体化，使传感器由单 一信号转换功能为兼有放大、运算、补偿等多种功能。而高度集成化的传感器， 则是将两者有机融合，以实现多信息与功能集成一体化的传感器系统。 向微型化发展。微米、纳米技术的问世，微机械加工技术，特别是深层同步 辐射x 射线光刻、电铸成型及注塑技术的出现，使三维工艺日趋完善，这为微 型传感器的研制创造了条件。大量体积小、重量轻( 体积、重量仅为传统传感器 的几十分之一甚至几百分之一) 、精度高、成本低的集成化敏感元件( 一般为微 米级) 与微机结合，广泛用于自动生产线、数控机床和机器人等自动控制与检测 系统。 向数字化和智能化发展【4 1 。所谓智能化传感器是以专用微处理器控制的、具 有双向通信功能的传感器系统。它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还 具有存储、记忆、自补偿、自诊断等多种功能。智能式传感器按构成模式分类有 分立模块式和集成一体式两种。组合一体化结构传感器把传统的传感器与其配套 的调节电路、微处理器、输出接口与显示电路等模块组装在同一壳体内，因而体 积缩小、线路简化、结构更紧密，可靠性和抗干扰能力大大提高。 向广阔领域发展。以半导体敏感材料、功能陶瓷材料和有机敏感材料为代表 的新型敏感材料应用于传感器，改变了以传统结构型传感器为主的局面，大量物 性型传感器被采用成了主流。 向生物传感器和仿生传感器方向发展。利用化学效应和生物学效应开发的， 可控应用的化学传感器和生物传感器，在国内外已初具规模p j 。 向光纤传感器发展。高速、可靠、低损耗和载信息量大的光纤传输，冲击了 传统的电信号和导线传输方式。 1 3 光纤传感器的研究现状 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的 传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高 电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、 遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感技术是许多经济、 军事强国争相研究的高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事 领域f 引。在航天( 飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等) 、航海( 声 纳等) 、石油开采( 液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量) 、电力传输( 高 压输电网的电流测量、电压测量) 、核工业( 放射剂量测量、原子能发电站泄漏 剂量监测) 、医疗( 血液流速测量、血压及心音测量) 、科学研究( 地球自转，敏 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 感蒙皮) 等众多领域都得到了广泛的应用。 目前，光纤温度传感器可探测到2 0 0 0 的高温，灵敏度达士1 。普通型光 纤温度传感器测温范围一般在1 0 3 0 0 ，精度为+ 1 - 4 - 3 ，响应时间为2 s 。利用 g a a s 、c d t e 、g a p 等半导体材料的吸收端温度变化制成的光纤温度传感器可获 得士0 5 的测量精度。用于低温范围的光纤温度传感器，可测0 1 甚至更小的 温度变化。 光纤振动传感器在2 0 2 0 0 h z 时，可感知1 l a m 甚至0 1 岬的振幅。 一般的光纤位移传感器测量范围在o 0 5 0 1 2 m m 时，其分辨率为0 0 1 m m 。 光纤微位移传感器可测到8 n m 的微小位移，动态范围为1 1 0 d b 7 1 。 高灵敏度的光纤加速度传感器已研制成功，灵敏度为5 1 0 1 0 9 ( g 为重力加 速度) ，测量精度小于1 嵋。 光纤测距仪精度达0 1 ，最远测量距离达3 0 m 。 1 3 1 光纤传感器的分类 光纤传感器按其传感器原理分为三大类：一类是功能型( 或称传感型、探测 型，如图1 2 ) ；另一类是非功能型( 或称传光型、结构型、强度型、混合型，如 图1 3 ) ；还有一类是拾光型。 图1 2 功能型光纤传感器 图1 3 非功能型光纤传感器 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的感觉功能 是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有 中断，中断部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的光敏元件 或者其他敏感元件，光纤在传感器中仅起传光作用。 传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤做传 感元件，将传和感合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光作用， 而且还利用光纤在外界因素( 弯曲【引、相变) 的作用下，其光学特性( 光强、相 位、偏振等) 的变化来实现传和感的功能。因此，传感器的光纤是连续的。 拾光型光纤传感器是用光纤作为探头，接受由被测对象辐射的光或被其反 射、散射的光。 根据光受被测对象调制形式分类，光纤传感器可分为五种不同的调制形式 【9 1 o 强度调制型光纤传感器，即利用被测量的因素变化改变光纤中光的强度，再 通过光强的变化来测量外界物理量。常见的有利用光纤的弯曲损耗，各物质的吸 收特性，振动膜或液晶的反射光强度的变化，物质因各种粒子射线或化学、机械 的激励而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等不定期构成压力、振 动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器【l0 1 。强度调制型有透射式温 度调制、开光调制、反射式调制和折射率调制等。 偏振调制型光纤传感器是一种利用光的偏振态变化不定期传递被测对象信 息的传感器。常见的有利用光在磁场中的介质内传播的法拉第效应做成的电流、 磁场传感器，利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传 感器，利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器，以及利用光纤的双折 射性构成的压力、温度振动等传感器。 频率调制型传感器是一种利用由被测对象引起的光频率变化来进行监测的 传感器。常采用传光型光纤传感器，即光纤只起传光作用。利用多普勒效应有光 纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器，利用物质受强光照射时的散射构成 的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器，以及利用光致发光的温度传感器 等。 相位调制传感器的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件 的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化。然后用干涉仪来检测这种 相位变化而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器， 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器，利用电致伸缩效应的电场、电压传感器 等。 波长调制传感器广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 体辐射分析，以及用在法布里波罗或类似的光学滤波器上。 1 3 2 光纤传感器的特点 与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点： 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输 信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，并且安全可靠，这使它可以方便 有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境 中。 灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。如测量水声、加速度、 辐射、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量 各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器等i l 。 重量轻、体积小、可绕曲。利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器， 有利于航空航天以及狭窄空间的应用。 易实现对被测信号的远距离监控。由于光纤的传输损耗很小【l2 1 ，光纤传感器 技术与遥测技术相结合，易于实现对被测场的远距离监控。 1 3 3 光纤传感器的结构 光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件三部分构成。 常见的光源有白炽光源、气体激光器、晶体激光器、固态光源。 白炽光源通常为钨丝灯泡，其辐射近似地为黑体辐射，覆盖波长范围很宽， 实际在可见光到红外波段上。白炽灯源的优点是价廉、容易获得、使用方便。可 用作某些传感器的光源，单因其辐射密度小，故只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配 合使用。其缺点是稳定性差，寿命短，通常只有几百小时。 常见的气体激光器有氦氖激光器、二氧化碳激光器和氩离子激光器等。 晶体激光器主要是红宝石激光器、掺钕铝石榴石激光器和钕玻璃激光器等。 这类激光器的优点是体积小巧，坚固耐用，高功率、高辐射密度，发射光谱均匀 且窄，容许单膜工作等。其缺点是相干性和频率稳定性都不如气体激光器。 常用的固态光纤光源有发光二极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 。l e d 具有 结构简单和温度对发射功率影响小的优点。l d 具有亮度高、尺寸小等优点。 光纤传感器所用光源种类繁多，从白炽光到激光都可采用。对光源的基本要 求是相同的，即必须使具有适当特性的、功率足够大的光到达检测器，以确保检 测系统有足够大的信噪比。因此，选择光源时，应当遵循下述原则： 根据系统要求，选择辐射强度足够大的光源，而且要求在敏感元件的工作波 长，光源必须与光纤相匹配，以便获得最好的耦合效率，光源的稳定性要好，能 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 长期在室温下工作。 1 4 光纤传感器的发展趋势 目前光纤传感器技术发展的主要方向是： 多用途，即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能对多种物理量进行 同时测量。 提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器 网络工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数对光纤的 影响。 新型传感材料、传感技术等的开发。 在恶劣条件下( 高温、高压、化学腐蚀) 低成本传感器( 支架、连接、安装) 的开发和应用。 光纤连接器及与其它微技术( 微机械、微流态学、喷镀薄膜等) 结合的微光 学技术。 1 5 强度调制型光纤传感器的发展动态 与其它类型的光纤传感器相比，强度调制型光纤传感器具有成本低、结构简 单、设计灵活、产品实用化性强等优点，因而得到了快速发展和应用。目前国内 外关于这方面的最新研究动向包括 1 3 - 1 9 j ： 以市场为导向开发新产品。在国际市场上，强度调制型光纤传感器的应用领 域主要在工业过程控制、核、医学等方面；而国内主要用于钢铁厂、化工厂内的 恶劣环境中以及一些要求测量精度较高的科研和工业应用中。 强度调制型光纤传感器用于实际测量的主要问题是长时间的漂移效应。它主 要是由光纤传输过程中的衰减，耦合器、分束器、连接器等性能不佳，光源输出 功率不稳定和探测器本身质量问题造成的。目前，国外对光纤传感器的固有调制 形式进行了研究，对于不同的调制方法采用不同的参考光路，引入参考信号解决 光学结构的漂移对测量结果的影响，就是在光纤传感器的传感头上采用比较技 术，以解决漂移效应，使光纤传感器实用化。 开发专用特殊光纤，提高光电器件例如光耦合器、偏振器、光分束器等的稳 定性和可靠性。强度调制型光纤传感器的实用性在很大程度上取决于光电元件的 稳定性和可靠性。对半导体激光器和发光二极管应提高其功率、稳定性和寿命， 对用作检测元件的雪崩及p i n 光电二极管必须进一步降低噪声。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 强度调制型光纤传感器的研究必须从单点、单一传感器转向多点面式、多参 数、多变量测量系统以及与微机相结合的光纤遥测系统。从发展的角度讲，分布 式光纤传感系统以及光纤传感网络代表了光纤传感技术在方法和结构上的发展 方向，这一方向将是光纤传感技术与光纤通信技术的充分结合，形成一种智能结 构。 深入进行光纤强度调制原理探索。对传感系统特性进行反复的实验，以期扩 展强度调制型光纤传感技术尚未涉及到的、传统传感技术相对落后的领域。 1 6 液体浓度的测量 在生产、生活的各个领域，液体的浓度是一个非常重要的参量。到目前为止， 己经有许多技术来实现这一目的。国外己报道的有： h a l e 使用基于激光的棱镜糖度计测量含糖液体的浓度1 2 0 。 m i n a t o 提出用光纤来传送光信号的透射式盐度传感器1 2 。 b e r g m a n 制作光纤探头来检测各种液体的盐度 2 2 , 2 3 。 l o n g t i n 在- - 个矩形单元中测量静止液体的折射率和浓度 2 4 - 2 6 。 其它提出来的技术包括平面荧光技术【2 7 2 8 1 ，热标记技术【2 9 】，干涉测量法技术 3 0 - 3 2 1 ，相位锁定超声波技术【3 3 1 。 国内己报道的包括：浮力法，重力法，静压法，折光法，振动法，同位素法， 势力学法及电导法等。浙江大学提出通过改变光纤光栅反射波长的方法来间接测 量溶液浓度【3 4 1 。然而，这些技术都需要复杂或昂贵的实验装置，不能用于流动液 体浓度的测量。 1 7 本文主要工作 强度调制型光纤传感器结构简单、成本低廉，对测试环境的要求不苛刻，是 一类有着广泛应用前景的光纤传感器。强度调制型光纤传感器的研究与应用在国 内外是一个普遍关注的课题，不过这种传感器的实际应用还有一些问题需要解 决，主要体现在：理论模型亟待准确化、系统化；光纤探头的设计亟待系列化； 精度有待进一步提高；信号处理技术有待改善等几个方面。 本文针对光纤传感器的研究现状以及发展趋势，以强度调制型光纤传感器为 突破口，在信号处理技术以及传感器样机研制和试验等方面进行深入研究，以低 成本、实用性为宗旨，寻找一种测量液体浓度的简单有效的方法。全文共分为五 章，各章节的内容安排如下： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章：绪论。概述了传感技术特别是光纤传感技术的研究现状和发展趋势， 以及强度调制型光纤传感器的发展动态，分析了液体浓度测量的相关技术。在此 基础上指出了课题的主要工作。 第二章：理论基础。简要地叙述了光波在光纤中的传播规律。根据光纤结构， 对强度调制型光纤传感器原理进行了分析。基于全反射原理、菲涅尔公式及朗伯 比尔定律，阐述了液体浓度与折射率、吸光度之间的关系，深入分析了光强损 耗与介质溶液浓度之间的关系。 第三章：系统设计。扼要地介绍了光源及光电探测器的一般特性和使用方法： 分析了各种光源的优缺点，对半导体二极管( l e d ) 和激光器二极管( l d ) 的 特性进行了比较；对光电探测器件的特性进行了介绍，采用了适合的光电转换电 路。根据被传感物理量、调制形式及使用场合选取符合系统要求的光纤，熔接制 作了光纤传感器件。对光纤与光源、光电探测器的各种耦合连接方式进行了比较。 对所研制的强度调制型光纤传感器浓度检测系统进行了系统地分析。 第四章：系统测试。精确配置不同浓度的溶液进行测量，并进行了相关因素 误差分析，提出了改进措施。 第五章：总结与展望。对全文的研究工作进行了总结，给出主要的研究成果， 并指出今后需进一步研究的方向。 天津大学硕士学位论文 第二章强度调制的理论基础 第二章强度调制的理论基础 光纤传输原理是研究光纤传感技术的基础，其中的强度调制型光纤传感技术 因为具有结构简单，设计制造方便，性能稳定可靠等优点，所以具有较好的应用 推广价值，在现代工业中具有较强的实用化程度。其基本原理就是根据光纤传输 特性，利用外界信号的扰动改变光纤中光的强度，再通过测量输出光强的变化实 现对外界信号的测量。 2 1 光纤的特性 光纤是常用的光波导材料，它利用光的全反射原理将光能量约束在其界面 内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。光纤的基本特性包括结构特性、光学特 性及传输特性。结构特性主要是指光纤的几何尺寸，光学特性包括折射率分布、 数值孔径等，传输特性主要是指损耗及色散特性。光纤作为强度调制光纤传感器 的主要单元，其参数对于传感器的性能特性起主要作用。 2 1 1 光纤的结构 光纤是一种由高度透明的石英( 或其他材料) 经复杂的工艺拉制而成的光波 导材料。光纤的典型结构为多层同轴圆柱体，一般是由折射率较高的纤芯、折射 率较低的包层以及涂覆层和护套构成( 图2 - 1 ) 。 纤芯 图2 1 光纤结构 天津大学硕士学位论文第二章强度调制的理论基础 纤芯和包层作为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用。涂覆层与 护套的作用则是隔离杂散光、提高光纤强度、保护光纤等。在某些特殊场合不加 涂覆层和护套的光纤称为裸光纤。 纤芯的折射率较高，其主要成分为二氧化硅，其中掺杂极少量的其他材料， 如二氧化锗、五氧化二磷等，以提高纤芯的折射率。纤芯的直径一般为5 - 7 p r o ， 特殊应用时可达6 0 0 1 m a 。 包层为紧贴纤芯的材料层，折射率略小与纤芯材料的折射率。其构成材料一 般为纯二氧化硅，有时也掺杂微量的三氧化二硼或四氧化二硅，以降低包层的折 射率。包层的外径一般为l0 0 2 0 0 p m 。 涂覆层的材料一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径约为2 5 0 9 r n ，用 于增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。 护套的材料一般为尼龙或者其他有机材料，用于增加光纤的机械强度，保护 光纤。 2 1 2 光纤的传光原理 由光学原理可知，当光波由一种介质入射到另一种介质时，在两种介质的分 界面处将产生反射和折射。通过界面进入第二种介质的光线，称为折射光线；反 射回第一种介质的光线，称为反射光线。设这两种均匀介质的折射率分别为n 1 和 n 2 ，当光束由n 1 介质以较小的入射角q 入射到介质界面上时，部分光产生折射， 折射角为砬，进入n 2 介质，部分光反射回n 1 介质。由斯涅尔折射定犁3 5 1 得， s i n l 9 l 1 1 2 = 一 s i n 岛m ( 2 - 1 ) 当光线从高折射率介质进入低折射率介质时( n l n 2 ) ，光线的折射角岛要大于 入射角鼠。当光线的入射角增加时，折射角也在增加，在入射角增加到一定程度 时，折射角将为9 0 。，此时，n 2 介质中的折射光线己经没有了，折射光线将沿着 两种介质的接触面进行传播。折射角岛= 9 0 。时对应的入射角为晓定义为临界 角。 包：a r c s i n 垒 碍 ( 2 2 ) 当入射角大于临界角包时，所有入射光在分界面处被全部反射回第一种介质 中，折射光线不存在，这种现象称作全反射。 天津大学硕士学位论文 第二章强度调制的理论基础 由以上分析可以看出，光线在两介质界面处发生全反射的条件有两个。一是 光线必须由光密介质( 即折射率高的介质) 入射到光疏介质( 即折射率低的介质) ， 二是入射角必须大于其临界角。 光纤就是根据这一原理制作的，它的结构示于图2 2 。光纤分为两个部分， 内部部分通常为圆柱形结构，称作光纤芯；外部部分称作外包层，内部介质折射 率要大于外部介质的折射率。当光线以夹角o o 通过光纤端面进入光纤芯时，在光 纤芯与外包层的交界面上，光线要发生折射与反射。如果该束光在光纤芯中传输， 并且在光纤芯与外包层交界面上的入射角鼠 晓临界角时，它将被筒形壁反射回 来，经过多次反射出现在光纤的另一端。 图2 - 2 光在光纤中的传播 2 1 3 光纤的数值孑l 径 角度e o 有一个最大值，在这个角度下光将以临界角晓入射到界面。大于这 个角度的光线进入光纤后将不能产生全反射。由几何光学的计算可知， n a = n os i n o o = 再i ( 2 3 ) s i n 酿定义为数值孔径用n a ( n u m e r i c a la p e r t u r e ) 表示。 数值孔径是指光线在光纤内发生全反射时，在光纤端面上入射光线的投射角 变化范围的大小。数值孔径是衡量一根光纤当光线在其端面射入时，所能接收到 的光能大小的一个重要参数。它标志着光纤的集光能力，数值孔径越大，则光纤 集光能力越强，也就是更大角度空间范围来的光线都能进入光纤且为光纤所传 播。根据光纤的可逆性，数值孔径越大的光纤，在出射端光线的扩散角度也越大。 式( 2 3 ) 说明jg ，n 2 差值越大，光纤所收集的光能也就越大。所以说，n a 只 与光纤折射率有关，与光纤几何尺寸无关。 天津大学硕士学位论文第二章强度调制的理论基础 2 1 4 光纤的本征损耗 光纤本征损耗即光纤固有损耗，主要是由于光纤基质材料石英玻璃本身缺陷 和含有金属过渡杂质，使光在传输过程中产生散射、吸收和色散，一般可分为散 射损耗、吸收损耗和色散损耗。 散射损耗是由于材料中原子密度的涨落，在冷凝过程中造成密度不均匀以及 密度涨落造成浓度不均匀而产生的。 吸收损耗是由于纤芯含有金属过渡杂质吸收光，特别是在红外和紫外光谱区 玻璃存在固有吸收。 光纤色散按照产生的原因可分为三类，即材料色散、波导色散和模间色散。 单模光纤是以基模传输，故没有模间色散。在单模光纤本征因素中，对连接损耗 影响最大的是模场直径。单模光纤本征因素引起的连接损耗大约为0 0 1 4 d b ，当 模场直径失配2 0 时，将产生0 2 d b 的连接损耗【36 。多模光纤的归一化频率 v 2 4 0 4 ，有多个波导模式传输，v 值越大，模式越多，除了材料色散和波导色 散，还有模间色散，一般模间色散占主要地位。模间色散是指光纤不同模式在同 一频率下的相位常数d 不同，因群速度不同而引起的色散。 此外，光纤几何参数如光纤芯径、包层外径、芯包层同心度、不圆度，光 学参数如相对折射率、最大理论数值孔径等，只要一项或多项失配，都将产生不 同程度的本征损耗。 2 1 5 光纤弯曲对传播的影响 在实际中，光纤常处于弯曲状态。如图2 3 所示，光线由光纤直部和弯部的 界面上x 点进入弯部，点o 在分界面光纤轴线上，o c = r 为弯部的曲率半径，d 为纤芯的直径。t 1 ) 。、。、1 i ) ：分别为光线在直部、弯部外表面和弯部内表面的 入射角。 图2 3 光纤弯曲 天津大学硕士学位论文 第二章强度调制的理论基础 设x 点坐标为x ，一詈x 詈。根据三角形的一个外角大于任何一个和它不 相邻的内角，在a a x c 中有 应用正弦定理有 同理在, , a b c 中有 从而 l o ( 2 4 ) s i n ，：竖s i n z a x c ：坐s i n 吼1 c a r + 一d ” 2 ( 2 - 5 ) 咖一蚓n 卟旁a cn 卟鲁爱咖卟爱咖朋呦 因为。，：为锐角，则 s i n 西2 s i n o 2 o ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 由式( 2 4 ) ，( 2 - 8 ) 可知，随曲率半径r 的减小，减小，西：增大。耦合入光 纤的光束中，具有较小入射角的部分光在弯部外表面发生折射而进入光纤包层 中。当：增大到s i n o ：= l 时，弯部光线不经内表面反射，如图2 4 所示。 定义此时的弯曲半径为光纤弯曲最小半径r m i n o 由式( 2 - 6 ) 可得， 。矧n 。+ 萼 k n2 孟 ( 2 - 9 ) 天津大学硕士学位论文 第二章强度调制的理论基础 图2 4 曲率半径过小时的光路 2 2 强度调制型光纤传感器原理 2 2 1 光在介质表面的反射 两种电介质的折射率分别是1 3 - 和n 2 ，它们由平面界面分开。平行光从介质1 一侧入射，在界面上发生发射和折射。 d 。x a 图2 5 入射光、反射光和折射光内p ，s ，k 正交系的选取 如图2 5 ，取界面的法线为z 轴，方向与入射光协调，从介质1 到2 。此外 取x 轴在入射面内，从而y 轴与入射面垂直，x ，y ，z 构成右手正交系。设入射角、 反射角和折射角分别为，和之，并承认反射定律和折射定律成立，即 和 22 l ( 2 1 0 ) 天津大学硕士学位论文第二章强度调制的理论基础 r 6s i n l l2n 2s i n1 2 ( 2 - 1 1 ) 为了描述光束中电矢量的分量，为每个光束取一局部直角坐标系。第一组基矢选 k l ，k 2 ，即入射光、反射光和折射光波矢方向的单位矢量。第二组基矢s 。，s ：，s 2 取 在与入射面垂直的方向。第三组基矢p 。，p ：，p 2 取在与入射面平行的方向。s 的正 方向向沿着+ y 方向( 垂直纸面向外) ，p 的正方向由下式规定 p l s l2 毛，a j ：= 毛，仍s 2 = k 2 ( 2 1 2 ) 即对于每束光来说，要求按p ，s ，k 的顺序组合成右手正交系，有了这三个局部直 角坐标系，可以把三光束的电矢量e ，矗，易分解成p 分量和s 分量，它们的正负 都是相对于各自的基矢方向而言的。 按以上方向约定，由电磁场的边值关系可以导出，在界面两侧临近点的入射 场和反射场各分量满足如下关系： 乓，= 型攀掣巨p。 c o s l + ，2 lc o s l ， 矗，：坐掣_ 型萼e l 。 r 6c o s l l + 1 2c o s l i ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 式( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) 便是菲涅尔反射公式( a j f r e s n e l ，1 8 2 3 ) 。菲涅尔公式表明，反射光 里的p 分量只与入射光里的p 分量有关，s 分量只与s 分量有关。这就是说，在 反射过程中p ，s 两个分量的振动是相互独立的。 2 2 2 反射率 当一束光遇到两种折射率不同介质的界面时，一般来说一部分反射，一部分 折射。为了说明反射和折射各占多少比例，通常引入反射率和折射率的概念。这 里p 分量和s 分量要分别计算。 5 。 0 2 f l l p ( 2 一1 5 ) 天津大学硕士学位论文第二章强度调制的理论基础 e 。 t = 3 骂， 式中为入射波的电场平行于入射面( 平行极化) 时的振幅反射系数， 波的电场垂直于入射面( 垂直极化) 时的振幅反射系数。 把菲涅尔反射公式( 2 - l3 ) ，( 2 - 14 ) 代入振幅反射率公式( 2 一l5 ) ，( 2 l6 ) ， ，的具体表达式， 。一i 2c o s 一惕c o s l 2 乙2 o o 2c o s l + n lc o s l 2 。一强c o s 一n 2 c o s l 2 r = - 二二- - - - - - - - 一 强c o s2 l + n 2c o s 利用振幅反射率可求得光强反射率3 7 1 ， r = r p 2c o s 2 秒+ 2s i n 2 秒 ( 2 1 6 ) 为入射 即可得到 ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 目为入射光的极化面与入射面成角。 当自然光入射时，因自然光可视为沿任意方向极化的几率相等，即对所有可 能的秒角取平均值，有 1 1 2 ”c o s 2ado=i。，f”sin2口d秒=三(2-20)27r 2 ， 由( 2 19 ) ，( 2 2 0 ) 可得自然光入射到两种介质交界面时的光强反射系数为 月：垒堕 2 ( 2 2 1 ) 可见，光强反射系数与入射光的极化状态、入射角度以及介质的折射率有关。 图2 - 6 是光束由光学玻璃n ，= 1 5 2 向空气”：= 1 的交界面入射时