利用弯曲光纤探头检测液体浓度

1、第18卷第5期1997年10月半导体光电SemiconductorOptoelectronicsVol.18No.5Oct.1997利用弯曲光纤探头检测液体浓度郑咏梅(摘要:,实现了系统的智能化。其结果表明,对于小区域,实时性强等优点,测量精度可达到2.5%,非线性误差小于0.2%。关键词:光纤光纤探头传感器浓度测量数据拟合中图法分类号:TN253LiquidconcentrationmeasurementbybentopticalfiberprobeZHENGYongmeiYINJingzhiZHANGTieqiang(JilinUniversityofTechnology,Changchu

2、n130025,CHN)Abstract:Aliquidconcentrationmeasuringsystemusingbentfiberopticprobeasasensorispresented.Thesystemutilizesmonolithiccomputertoimplementcontrolanddataprocessingsoastorealizeintellectualizationofthesystem.Theresultshowsthatthistechniqueischaracterizedbyhighspeedandexcellentreal-timepropert

3、y.Themeasuringaccuracyof2.5%canbeobtainedwithnon-linearityerroroflessthan0.2%.Keywords:OpticFiber,FiberOpticProbe,Sensor,ConcentrationMeasurement,DataFitting1引言在一些工业领域,如石油、化工、冶金等行业,对于易燃、易腐蚀液体浓度的测量不宜采用电导探头法和光学干涉法等。本文设计了一种新的利用光纤传感技术检测浓度的方法。该法是以光纤弯曲损耗为原理,采用拟合技术得到系统输出的电压信1996-10-19收稿;1996-11-25定稿号同浓度的解析

4、函数,对于工程实际应用具有实用性参考价值。2工作原理2.1光纤传感原理光在光纤中稳定传输满足全反射条件,)大于临界角(即入射角(c)。当光纤弯曲)小于时,部分光线因入射角(c而通过界第18卷第5期郑咏梅等:利用弯曲光纤探头检测液体浓度337面透射出去,如图1所示。若将光纤绕成一定直径的螺线管状,传输光线将连续发生透射,导致传感光强的衰减。对给定的光纤材料,出、入光强(I、I0)之间有如下关系1n2)l(1)I=I0exp-(r式中,是衰减系数,它同光纤弯曲半径(r)、入射光波长()、包层折射率(n2)有关;l是弯曲光纤的长度。得V=bC+a(3)上述式中,a是回归直线的截距,b是回归系数,r是

5、相关系数。如果r1,则表明回归。,光学耦合系,如图2所示。图2系统结构框图Fig.2Blockdiagramofsystemconfiguration图1光纤弯曲损耗示意Fig.1Schematicdiagramofthebentlossforopticfiber如果将光纤包层去掉,并浸入检测液体中,则n2代表液体折射率。在保持,r,l不变的条件下,光强的变化与液体的折射率变化,即与液体浓度(C)变化相关。2.2数据拟合原理光纤探头是将被测液体浓度变化转换成光强变化的传感器件。将直径小于1mm的单根光纤绕成螺线环状,圈数为3,以消除浓度梯度对测量值的影响。去掉环状部分包层并入浸恒温环境下的液体

6、中,如图3所示。当激光从光纤中通过时,随着液体浓度的变化,环状区的包层折射率随之改变,导致光纤中光强的变化。若将光纤输出光强转换成电压信号(V),利用一组标准样品,测出样品的标准浓度值(Ci)与系统相应输出电压信号,即Vi(i=1、2N),可用下述各式进行线性回归C=Ni=1NCiViNV=Ni=1Ni=1图3光纤探头测量示意Fig.3SchematicdiagramoffiberopticprobemeasurementScc=(Ci-C)SVV=(Vi-V)i=1NN功率为2mW的He-Ne激光,经耦合透镜输入到光纤中,由光纤探头的作用,将光纤中输出的随浓度变化的光信号,经光电二极管转换成

7、电流信号,通过电流放大系统将电流变换成2.5V左右的电压信号,再经A/D转换送入到单片机系统中处理数据得相应浓度测量值。Scv=(Ci-C)(Vi-V)i=1r=Scv/b=Svv/SccSccSvva=V-bC(2)半导体光电1997年10月3384测量结果与分析利用该系统对蔗糖溶液的浓度进行测试。首先,进行系统标定。精确配制一组蔗糖溶液,将光纤探头依次浸入标准溶液中,可测出一组随蔗糖溶液浓度变化的电压信号,两者关系呈线性变化,如图4所示。又根据(3),得出检测输出信号量值(V)式(2)、液浓度变化(C)(4)V/V20.C0.,合误差为±1,(4)输入到单片机系统中,完成测试系统

8、的标定。然后,利用已标定的测试系统,对一些精确配制的蔗糖溶液浓度进行测量,结果见表1,从中可见测量误差不大于2.5%,显示了表1溶液浓度测量值与误差Table.1Liquiddensitymeasurementanderror配制浓度221.716.42.51.824.328.5参考文献1戴莲瑾,曹明,张琦跃.智能化光纤压力传感器.计量学报,1994;15(1):811郑咏梅女,1964年10月26日出生。讲师,1987年毕业于吉林大学物理系,现攻读硕士学位。从事光电技术和应用物理研究。高的精确度。图4标定曲线Fig.4Calibratedcurve(上接第326页)4郑绳楦,戴文瑞.止推轴承承压面磨耗在线高精参考文献1ZhangSX,McBrideR,BartonJSetal.Intrinsicopticalfibersensorformonitoringacousticemis2sion.SensorsandActuators,1992;31(3):1101142CulshawB,DakinJ.Opticalfibersensors:Systemsandapplications(Volumetwo).USA:ArtechHouse,1988:5555753田中哲郎编,陈俊彦译.压电陶瓷材料.