磁光效应液体浓度检测

1、南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目基于磁光效应的液体浓度检测技术专 业信息工程学生姓名陆俊峰班级学号10000223指导教师沈骁指导单位南京邮电大学光电工程学院 日期： 2013 年 11月 25日至 2014年 6月 10日毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名：陆俊峰 日期： 2014 年6月 1日摘 要随着基础研究、化学

2、分析、生物医药等众多工业技术的飞速发展，法拉第效应在近代科学技术中有着日益广泛的应用，如单通光闸、光调制器、磁场传感器和电流传感器等。法拉第磁光效应广泛存在于固体、液体和气体物质中，该效应可用来分析多种碳氢化合物的磁致旋光特性。其中反映法拉第效应强弱的直接指标是物质的维尔德常数。一般固体材料维尔德常数的测量技术比较成熟；但是对于溶液中溶质维尔德常数的测量却比较困难，因为检测系统中存在容器及溶剂等背景旋光的影响。对于含有顺磁性或抗磁性溶质的溶液，可以利用法拉第效应检测溶液的浓度；一般可以根据该溶液的维尔德常数与浓度之间的单调关系去测量未知浓度的该溶液。本文提出利用法拉第磁光效应检测液体浓度，采取

3、两种检测方案，对溶质维尔德常数进行分离检测，得到该溶质维尔德常数与溶质浓度之间的单调关系，利用该关系可以设计检测系统对溶质浓度进行检测。如果结合维尔德常数的色散特性，利用不同波长的入射光进行检测，实现了混合溶液浓度的检测。关键字：磁光学；溶液浓度检测；交流磁光调制；法拉第效应；维尔德常数ABSTRACTWith the rapid development of basic research,chemical analysis,biomedicine,and many other industrial technologies,the Faraday effect has increasingl

4、y wide range of applications in modern science and technology,such as single-pass optical shutter,optical modulators,magnetic field sensors and current sensors.Faraday effect is widely present in the solid,liquid and gaseous materials,the magnetoresistive effect is used to analyze optical properties

5、 of a variety of hydrocarbons.The direct indicator of the strength of the Faraday effect is Verdet constant material.General solid material Verdet constant measurement technology is relatively mature;But for the solution of the solute Verdet constant measurement is more difficult,because the contain

6、er and solvent effects of the presence of background optical detection system.For the solution containing a paramagnetic or diamagnetic solute concentration of the Faraday effect can be detected using a solution;generally known to measure the concentration of the solution in accordance with the Verd

7、et constant monotonic relationship between the concentration of the solution.In this paper,the use of liquid concentration detection Faraday effect,take two detection scheme,the separation of solutes Verdet constant testing, get monotonous relationship between the solute and solute concentration Ver

8、det constant between the use of this relationship can be designed to detect system solute concentration detection.If the dispersion characteristics of the Verdet constant of the combined use of different wavelengths of incident light is detected,the mixed solution to achieve a concentration detectio

9、n.Keywords:magneto-optics;solution concentration detection;AC magneto-optical modulation;Faraday effect;Verdet constant目 录第一章 绪论11.1课题研究背景11.2课题发展现状11.3本论文的主要工作6第二章 磁光效应的理论基础与应用72.1 光的偏振72.2 磁光效应82.3 交流磁光调制11第三章 基于溶质维尔德常数分离检测的溶液浓度检测技术123.1 分离检测系统设计123.2 系统检测性能分析123.3 分离检测系统在液体浓度检测中的应用153.4 总结16第四章 溶

10、质维尔德常数分离检测及其应用研究174.1 检测系统原理174.2 检测原理分析184.3 系统检测精度分析194.4 检测系统误差分析204.5 系统在混合溶液浓度检测中的应用214.6 结论22结束语23致谢24参考25南京邮电大学通达学院2014届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1课题研究背景一束平面偏振光通过处于通电螺旋管磁场中的物质时，振动面发生旋转，这个磁致旋光现象是法拉第于1846年发现的，故称法拉第效应。法拉第效应的内在机理是：当物质处于外磁场中时，原子或分子由于受到洛伦兹力的作用产生拉莫尔旋进而引起的。它的发现对人类揭示光和电磁之间的内在联系有着极其重要的意义。法拉第效

11、应在近代科学技术中有着日益广泛的应用，如单通光闸、光调制器、磁场传感器和电流传感器等。随着基础研究、化学分析、生物医药等众多工业技术的飞速发展，关于溶液浓度检测技术的研究愈加深入。基于光学原理的液体浓度检测技术主要有光学干涉法、光纤传感法、光栅法、光强吸收法、旋光法等，而用磁光学检测液体浓度的技术目前只有一些初步的研究。以上方法一般是检测单一成分溶液的浓度，而利用光学方法来实现混合溶液浓度的检测较少见。本文提出利用法拉第磁光效应检测液体浓度，关键技术是对溶质维尔德常数进行分离检测，得到该溶质维尔德常数与溶质浓度之间的单调关系，利用该关系可以对溶液浓度进行检测。如果结合维尔德常数的色散特性，利用

12、不同波长的入射光进行检测，则可以实现混合溶液浓度的检测。1.2课题发展现状 液体浓度检测方法主要有：成像法、电学法、法拉第方法、反射法、光强吸收法、光束偏移折射率法、光纤折射率法、混合液体检测、声学法、液芯波导折射率法、折射率干涉法。1.光纤折射率法1 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。 光在光纤中稳定传输满足全反射条件，即入射角（）大于临界角（'）。当光纤弯曲时，部分光线因入射角（'）小于c而通过界面透射出去，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

13、的光纤材料出、入光强( I 、I0) 之间有如下关系2 (1-1) 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。图1.1 光纤弯曲损耗示意图 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.混合液体检测3 超声波在液体中传播，由于液体介质性质的不同，超声波在液体中传播的速度、声强衰减程度以及介质的辐射声阻抗等都将发生变化。尤其象声速、声强衰减的变化与液体成分及其浓度在一定范围内有着密切的关系。另外，液体的电导率也会因液体成分及其

14、浓度的不同而不同。因此，我们可以通过测定液体的声速、衰减系数、电导率来间接测定液体成分浓度。 (1-2) 式中:：超声衰减系数；f：超声波振荡频率；Iin：发射端激励电压幅值；Iout：接收端信号电压幅值；L：声程。 电导率测量是将来自两个电极的信号，接入运算放大器，测量放大器的输出电压后， 由式(1-3)计算得到。 (1-3) 式中：混合液体电导率；K：电极常数；RF：运算放大器的反馈电阻；VS：信号源电压；：检波因子；VO：运算放大器输出电压。3.液芯波导折射率法4 利用光电的方法测量溶液浓度，实际上是利用了溶液浓度与折射率的单值关系。很显然，只间接地测出待测溶液的折射率，其浓度值就可确定

15、。溶液折射率测量如图所示，折射率为no的光波导管置于折射率为n的待测液中，光源通过光学系统使光束射到光波导的入射端面中心， 光波导出射端面的辐射能量为： (1-4)图2.2 溶液折射率测量 式中，P(o)为入射辐射光强。若P(o)=常数，溶液浓度改变时(即n改变),探测器探测到的光能量E(no,n)将随而变，经光电转换输出电信号。后置电路处理后，显示电路直接显示溶液浓度值。4.折射率干涉法5 利用光学中的干涉法进行物理量的测量是已知的最灵敏的测量技术之一，通过光的干涉不能直接测量的物理量的变化变为可测的稳定的图样，通过检测干涉条纹的变化，实现对待测的物理量的测量及跟踪。图3 F2P腔干涉原理图

16、 He2Ne激光束经耦合器和单模光纤入射到F2P 腔上， 待测液体自上而下流过F2P腔。图3.3为F2P腔工作原理示意图，以一定倾角射入到F2P 腔上的光束，在两反射平面间进行多次反射，其透射光形成多光束等倾干涉，经过凸透镜会聚后， 在焦平面上形成的干涉图样是一组同心圆环。干涉条纹锐利、清晰， 内环的干涉级次较高，外环的干涉级次较低，离中心愈远条纹愈密。在一定温度下， 液体的折射率随液体浓度的变化而变化，折射率的变化必然使干涉圆环发生变化(扩张或收缩)，因此通过观察干涉圆环的变化便可间接地测出液体的折射率和浓度。5.法拉第方法6 实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度与光波

17、在介质中走过的路程L及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即： (1-5) 比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德(Verdet)常数。费尔德常数V与磁光材料的性质有关。 图1.4 法拉第磁致旋光效应表1.1为几种物质的费尔德常数。几乎所有物质(包括气体、液体、固体)都存在法拉第效应，不过一般都不显著。表1.1 几种材料的费尔德常数(单位:弧分/特斯拉·厘米)物质 (nm)V水589.31.31*102二硫化碳589.34.17*102轻火石玻璃589.33.17*102重火石玻璃830.08*102-10*102冕玻璃623.84.3

18、6*102-7.27*102石英623.84.83*102磷素589.312.3*102 MOR和MCD的实验装置是以OR和CD装置为基础进行设计的。主要是加上磁场。图1.5是MOR装置示意图。A室中加溶液，B室中加纯溶剂。起倡器产生的线倡振光， 通过A室后，偏振面发生0+ 的偏转。其中 是由溶质引起的。0是由样品池和溶剂引起的：经过B室时。B室的样品l池和溶剂与A室的相同，磁场方向相反，因此倡振光的偏振面又产生一日的偏转。这样，就扣除了溶剂和样品池对MOR谱的影响，法拉第线圈和水室称作法拉第调制器，它和检倡器、光电倍增管、伺服马达、伺服敢大器等构成M0R装置的检测系统。图1.5 MOR装置示

19、意图图1.6是测定磁致椭圆率的MCD装置示意图。起偏器产生的线偏振光经过调制器(电子光学调制器或光弹性调制器)后，以一定的调制频率交替产生左右圆偏振光。使左、右圆偏振光交普通过磁场中的样品。由光电倍增管、锁定敢大器检测它们吸收系数的差别。由于吸收系数差与磁致椭圆率成正比，因此也就测得了样品的磁致椭回率。起偏器调制器 光电倍增管磁场中样品记录器 锁定放大器单色光图1.6 MCD装置示意图1.3本论文的主要工作本文主要内容是设计基于磁光效应的液体浓度检测技术系统，分析系统性能、特点。第1章 绪论。介绍了磁光效应检测液体浓度技术的课题研究背景和发展现状。第2章 介绍了磁光效应的理论与应用。第3章 介

20、绍了基于溶质维尔德常数分离检测的液体浓度检测技术，包括系统设计、检测性能分析、分离检测系统在液体浓度检测中的应用以及此技术的特点。第4章 介绍了溶质维尔德常数分离检测技术，包括检测系统原理和分析、精度分析，最后分析了此技术精确检测浓度的方法和特点以及在相关领域的应用。第二章 磁光理论基础2.1光的偏振 光按照电磁理论可以分为非偏振光、偏振光和部分偏振光三大类。非偏振光指的是光波电场矢量(磁场矢量)在空间无规则变化不显示任何方向特性的光。偏振光指的是光波电场矢量方向在空间以一定规律变化，矢量端点在空间具有规则的轨迹的光。此外还有一种偏振状态介于两者之间的光，如果利用检偏器去检验这种光，随着检偏器

21、转动0-90°，透射光的强度交替呈现最大和最小，但强度的最小并不是零，具有这种性质的光，叫做部分偏振光。部分偏振光可以看作非偏振光同偏振光的叠加。 按照偏振光电场矢量的方向变化和场矢量分量幅度的大小，偏振光可以分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。当对着传播方向观察电场矢量变化时，矢量端点的轨迹是线的时候，称之为线偏振光。线偏振光分为水平线偏振光、垂直线偏振光和任意方向的线偏振光。 当对着传播方向观察电场矢量的变化时，矢量端点的轨迹是圆的时候，这种偏振光称之为圆偏振光。圆偏振光又分为两种:电场矢量按逆时针方向变化的是左旋圆偏振光；电场矢量按顺时针方向变化的是右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和

22、右旋圆偏振光在x、y方向上场分量的相位相差90°，幅度相等。 当对着传播方向观察电场矢量的变化时，矢量端点的轨迹是(x，y)坐标系平面上的椭圆的时候，这种偏振光称之为椭圆偏振光，电场矢量按逆时针方向变化的是左旋椭圆偏振光；电场矢量按顺时针方向变化的是右旋椭圆偏振光；当椭圆偏振光长轴和短轴长度相等时，椭圆偏振光演化为圆偏振光。对于偏振光可以用统一的数学表达式表示7： （2-1）其中： （2-2）当、取不同值时，可表达不同偏振态如下： 水平线偏振光；初相位为 的垂直线偏振光；偏转方向与x轴成 角的线偏振光；右/左旋圆偏振光；右/左旋椭圆偏振光； 在弱导近似下，单模光纤中传输模式可分解为两

23、个正交的线偏振模、，它们电场分别沿着x、y方向偏振，在完善的光纤中其相位常数 ，两种模式简并。由于实际光纤的不完善性，简并被破坏，出 出现模式双折射。单模光纤中，x、y方向上的线偏振模、相位常数，称之为线双折射8。 如果光纤对左旋和右旋圆偏振光有不同的相位常数，引起两圆偏振光有不同的相位变化，称之为圆双折射。线双折射和圆双折射同时存在时，形成椭圆双折射。2.2磁光效应 1811年，法国科学家阿喇果（Arago）发现：当一束平行线性偏振光沿光轴方向在石英晶体中传播时，其光振动平面会随着传播距离的变化而旋转，且是以传播方向为转轴。由于石英晶体是单轴晶体，因此不可能是双折射，后来把这种现象取名为旋光

24、效应。把具有旋光效应的物质称作旋光物质。后来发现不只石英晶体具有这种性质，某些溶液如：蔗糖、酒石酸溶液也有这种性质。 后来，又有人对这一现象原因作了解释：由于旋光物质和光都具有角动量，当光在旋光物质中传播时就会得到其部分角动量而使自身的转动动能增加。 根据旋光效应中，光振动平面的旋转方向的不同，又可把物质划分为左旋物质和右旋物质，其划分方法为：对着光的传播方向观察，当光振动平面沿顺时针方向旋转时，该物质就为右旋物质。相反，当光振动平面沿逆时针方向旋转时，该物质就称为左旋物质。 而法拉第磁光效应就是在强磁场的作用下，物质的光学振动平面才发生旋转。在1846年，法拉第发现：当光在一些晶体中沿光轴方

25、向传播，在方向与之相同的强磁场的作用下，光振动平面在本来不具有旋光性的物质发生了偏转，即线偏振光通过加有外磁场的物质时，其光振动平面发生了旋转，这种现象就被称为磁光效应，或法拉第效应。这种现象原因是：物质的电子运动受到外磁场的影响。图2.1 磁光效应原理图 虽然磁光效应与旋光效应的现象相似，但它们却有明显的区别： 首先，旋光效应是由物质本身引起的，与外磁场无关。而磁光效应必须在外磁场作用下才能发生。 其次，在旋光效应中，对某一旋光物质而言，光振动平面旋转方向与光传播方向的关系是一定的，如果光在该旋光物质中传输一段距离后又原路返回来，由于传播方向不同、传播物质相同，往返过程中光振动平面旋转方向就

26、会相反，总的旋转矢量就为零。但在磁光效应中，光振动平面旋转方向与光传播方向是没有关系的，也就是说，如果光在某物质中传输一段距离后又原路返回来，往返过程中光振动平面旋转方向是相同的，因此总的旋转矢量就为单向的两倍。总的来说，旋光效应具有互易性，而磁光效应不具有这种性质9。 下面，从理论公式上来进一步说明法拉第磁光效应中各量之间的关系，线性偏振光在磁光材料中沿光轴传播时，在与传播方向同向的磁场作用下，光振动平面沿传播方向的旋转角度与磁场强度H的大小及光在物质中传播的距离L的关系如式 （2-3） 上式中,H为磁场强度，L为光在磁光材料中传播的距离。V为磁光材料的维尔德常数（Verdet），其物理意义

27、为光振动平面在单位磁感应强度作用下通过单位长度的旋转角度，且它容易受到外界因素的影响，如：温度、在其中传播的光波波长等。所以，在使用磁光材料时要注意外界环境的温度，且使用不同波长的光源时应选取维尔德常数不同的材料10。 如果磁场强度是均匀的且线偏振光传播方向与它的方向相互平行。则式(2-3)可以写为如下形式： （2-4） 如果知道物质的维尔德常数，测出偏振面旋转角和物质长度L，则可由公式(2-4)计算出外界磁场强度H。若磁场强度H是由电流I产生的，则通过毕-萨定律可求出I的大小。这就是法拉第效应电流传感器的原理11。2.3交流磁光调制根据马吕斯定律，如果不计光损耗，则通过起偏器，经检偏器输出的

28、光强为： （2-5） 式中，I0为起偏器的输入光强。若在两个偏振器之间加一个由调制线圈、磁光调制晶体和低频信号源组成的交流调制器，则调制线圈所产生的正弦交变磁场 ，能够使磁光 调制晶体产生的振动面转角 ，称为调制角幅度12。此时输出光强为： （2-6） 由式（2-6）可知，当 一定时，输出光强 紧随 变化，因为是受交变磁场H或信号电流 控制的，从而使信号电流产生的光振动面旋转，转化为强度调制，这就是磁光调制的基本原理。如图2.2所示。根据倍角三角函数公式由式（2-6）得 （2-7） 当=90°时，即起偏器和检偏器偏振方向正交时，由式（2-6）知输出的调制光强13： （2-8）图2.2

29、 交流磁光调制示意图第三章 基于溶质维尔德常数分离检测的液体浓度检测技术基于法拉第磁光效应原理，研究了溶质维尔德常数分离检测技术。利用该技术可以直接得到溶质的维尔德常数与其浓度的关系，从而可以用于检测含有顺磁或抗磁溶质的溶液浓度。3.1分离检测系统设计 检测系统设计如图3.1所示14。6溶液PD信号调理器直流分量二倍频分量计算机溶液H21H3478951.激光器，2.起偏器，3.容器及溶液，4.容器及溶剂，5.磁光调制器，6.检偏器，7.PD，8.信号调理器，9.计算机图3.1 溶质维尔德常数分离检测系统 激光器1 发出的激光经过起偏器2后变为平面偏振光后入射至容器3和4，容器3中产生的磁旋光

30、角度为溶质、溶剂和容器三者之和，容器4 中产生的磁旋光角度为溶剂和容器两者之和。由于3和4分别置于大小相等、方向相反的磁场中，根据磁光效应原理，3和4中的容器和溶剂所产生的磁旋光角互相抵消，因此入射的线偏振光经过3和4后总的磁旋光角度由3 中溶质产生，达到分离检测溶液中溶质磁旋光角的目的。经过4的线偏振光携带了溶质的磁旋光角度再入射至交流磁光调制器5，通过检偏器6后的光强由光电探测器7接收，光电探测器7 将得到的光强信号输入至信号调理器8，信号调理器8分离出光强信号中的直流分量和二倍频分量，分别输入到计算机9，计算机9 将直流分量与二倍频分量的有效值进行比较即可计算出溶质的磁旋光角度。3.2系

31、统检测性能分析 由图1 可知，设经过起偏器2 后的初始入射光强为I0，溶质的磁旋光角度为，不考虑各光学表面的反射和光的吸收，光电探测器7 检测到的光强为: (3-1)将式（3-1）用贝塞尔函数展开并考虑和0均较小，略去高次项得到: (3-2) 由式(3-2) 可得，是直流分量，是基频分量，是倍频分量，为了消除光源不稳定性所带来的影响以及消除光的吸收因素。将直流分量和倍频分量的有效值相比较得到相对光强值( 均不考虑电路增益) : （3-3） 其中，0是调制角幅度，视为已知值，相对光强值可由计算机算出，根据式（3-3）可以得出值。再根据法拉第磁光效应，=VHL(V为维尔德常数，H为磁场强度，L为样

32、品光程)15，H和L皆可通过测量得到，从而计算出溶质的维尔德常数V，从而分离检测出溶质的维尔德常数V。 0取0.050.2rad、取00.1rad，对式(3-3)进行仿真，如图3.2所示。由图3-2可见，相同时，0越小相对光强值I0越大。图中最大光强值约为12.7。 图3.2 相对光强变化曲面图 对式(3-3)求导，得到系统检测灵敏度公式: (3-4) 0取0.05-0.2rad，取0-0.1rad，对式（3-4）进行仿真，如图3-3所示。由图3可见，相同时，0越小，检测灵敏度S越大。当=0.1rad、0=0.05rad时，S最大约为226;当=0.1 rad、0=0.2rad时，S约为14。

33、图3.3 系统检测灵敏度曲面图 当采用正交调制法时，设样品旋光角为，初始入射光强为I0，则根据马吕斯定律接收光强为I =I0 sin2I02，则角度检测灵敏度为S2 = 2。定义本系统的检测灵敏度与正交法检测灵敏度之比为本系统检测灵敏度放大倍数m，则: (3-5) 取0为0.05到0.2rad范围内，对式(3-5)进行仿真如图4所示。由图3.4可见，最小放大倍数为70.7，最大放大倍数为1100以上。图3.4 系统检测灵敏度放大倍数3.3分离检测系统在液体浓度检测中的应用3.3.1检测一种溶质成分溶液浓度 对于只含有一种顺磁性或抗磁性溶质的透明溶液来说，可以配置几种标准浓度的待测溶液，分别通过

34、本系统分离检测不同浓度时溶质的维尔德常数，再通过数据拟合得到溶质维尔德常数与浓度之间的定标关系(一般为:V(c，T)= c·k(，T) ，其中c、T 分别为溶质的浓度、使用的光的波长和环境温度) ，k (，T)为定标系数。当该溶质溶于不同溶剂时，该定标关系仍然成立。因此不管该溶质溶于任何溶剂，只要利用本检测系统对溶质的维尔德常数进行分离检测，将得到的溶质的维尔德常数与已有的定标关系进行比较，即可得到溶液的浓度。163.2.2检测多种溶质成分溶液浓度 结合顺磁性物质和抗磁性物质维尔德常数具有的色散特性，该分离检测技术还可以用于检测混合溶液的浓度。设溶液中含有n种抗磁性或顺磁性溶质，设第

35、n种溶质的浓度为cn，则它的维尔德常数可表示为: ，其中Cn、m、T分别为第n种溶质的浓度、使用的光的波长和环境温度。kn(m，T) 为定标系数，视为已知。 当用m 种不同波长的光通过本系统测量得到的n种溶质的总的维尔德常数可表示为: （3-6） 当m=n时，式(3-6)为n元一次方程组，求解即可得到每种溶质的浓度cn；式中“”号表示某种溶质磁旋光方向与其它溶质相反。3.4总结 基于磁光效应原理，研究了溶质维尔德常数分离检测技术。该技术可以消除背景旋光的影响，直接得到溶质的维尔德常数与浓度的之间的关系，该关系将适用于不同溶剂。利用该关系和顺磁及抗磁溶质维尔德常数的色散特性，可以检测含有一种或多

36、种顺磁及抗磁溶质的溶液浓度。 第四章 溶质维尔德常数分离检测及其应用研究 基于法拉第磁光效应原理，设计了溶质维尔德常数分离检测系统。该系统可以消除溶剂和容器等背景旋光的影响，达到分离检测溶质维尔德常数的目的。根据溶质维尔德常数与浓度之间的关系，研究了该技术在混合溶液浓度检测中的应用。4.1检测系统原理 检测系统设计如图1所示，图中，1为光源，采用激光器；2为偏振相关光隔离器，一是阻止反射光对光源的影响，二是用于产生线偏振光；3、4采用型号规格相同的偏振分束棱镜(PBS)；5是施加的均匀直流磁场，磁场方向与入射光线方向一致；6为透明容器及溶液；7为透明容器及溶剂；8为标准物质，用于校准

37、初始入射光强(I01和I02)使之大小相等以及作为检测所需参照物使用，采用维尔德常数已知的逆磁性磁光玻璃，它的维尔德常数较小，符合本文的近似要求，同时它的维尔德常数不受环境温度影响15；6、7、8三部分构成本系统工作物质，放置顺序如图1 所示；9为螺旋升降旋钮，用于调节6、7、8 三部分工作物质上下移动；10 为全反射棱镜，使入射光线原路返回；11、12 为型号规格相同的光电探测器，用于接收光强信号；13 为除法放大器，设放大倍数为，光电探测器11、12 的输出端与除法放大器的输入端相连，除法放大器用于比较光电探测器11、12 输出光强的相对大小。图4.1 溶质维尔德常数分离检测装置 激光器1

38、发出的激光经过光隔离器2 后为线偏振光，设此时光强为I0，入射至3(PBS)后分为p分量(振动方向平行于纸面)的透射光I01和s分量(振动方向垂直于纸面)的反射光I02，I01直接入射至工作物质，I02入射至4(PBS)被全部反射后再入射至工作物质。I01和I02作为线偏振光入射至工作物质后在全反射镜的作用下原路返回，由于磁旋光角的存在，它们分别产生了相应的s分量的光和p分量的光，s分量的光和p分量的光分别携带了磁旋光角的信息被光电探测器11、12接收，最终由除法放大器显示出最终结果。4.2检测原理分析 如图4.1所示，调节螺旋升降旋钮9使工作物质上升，使I01和I02同时入射至标准物质8，在

39、全反射镜的作用下光线沿原路返回，在不加磁场B时，光电探测器11、12没有接收光强。施加磁场后，由于法拉第效应，光的偏振面发生旋转，从而光电探测器11、12 将有接收光强。设光线一次经过标准物质后磁旋光角度为，则光线来回一周经过标准物质后磁旋光角度为2，设标准物质的光强吸收系数为，则根据法拉第效应及马吕斯定律，光电探测器11 的接收光强为，光电探测器12的接收光强为 17。其中=VHL，V为标准物质的维尔德常数，属于物质特性常数，可以反映法拉第效应的强弱，取决于光的波长和色散关系，且非常接近该材料的吸收谐振。L 为标准物质的厚度，H为磁场强度15。此时以激光器发出的光线为中心轴旋转光隔离器2，即

40、改变光隔离器2 的透振方向与3(PBS)的透射光(p分量光)偏振方向之间的夹角(设为)，使除法放大器的读数等于它本身的放大倍数，则根据除法放大器的工作原理可知，除法放大器的读数为(·I2/I1)。此时有：I1=I2，即I01=I02，保证了两束初始入射光强相等。 调节螺旋升降旋钮9使工作物质下降，使I02通过溶剂7，I01通过标准物质8。设溶剂的光强吸收系数为溶剂，L为溶剂样品的厚度，光线一次经过溶剂时的磁旋光角度设为溶剂，则此时光电探测器12的接收光强为，光电探测器11的接收光强设为I标准，则。设此时除法放大器的读数为a，由于I01=I02且考虑检测系统中法拉第旋转角较小符合小角度

41、近似条件，因此有： (4-1)则： (4-2) 设V溶剂为溶剂的维尔德常数，V为标准物质的维尔德常数，则根据法拉第效应原理有： (4-3) 调节螺旋升降旋钮9 使工作物质继续下降，使I02通过溶液6， I01通过标准物质8，设溶液的光强吸收系数为溶液，L 为溶液样品的厚度，光线一次经过溶液时的磁旋光角度设为溶液，此时光电探测器12 的接收光强为，光电探测器 11 的接收光强仍为，设此时除法放大器读数为b，溶液的维尔德常数为V溶液，同理可得： (4-4)设溶质的维尔德常数为V溶质，则由式(4-3)和式(4-4)可得： (4-5) 在式(4-5)中，溶液、溶剂、L均为可测量量，标准物质的维尔德常数

42、V为已知量，除法放大器的放大倍数也为已知量，则由检测过程中前后两次除法放大器的读数a和b，即可求得溶质的尔德常数，实现了溶质维尔德常数的分离检测；如果溶质与溶剂的磁旋光方向相同，则(4-5)式中不需加绝对值，如果两者磁旋光方向相反，则取其绝对值，式(4-5)则将两种情况做了统一。如果溶液和溶剂的光强吸收系数与标准物质相近，则由(4-5)式可知光强吸收项可以忽略。对于少部分溶质旋转角比较大的情况，不符合公式(4-1)中的小角度近似条件，则一是可以降低磁场以减小旋光角至满足近似条件。二是可以不采用近似处理办法直接将H 与L 的值带入式(4-1)进行计算即可，本系统仍然有效。4.3系统检测精度分析

43、设除法放大器的读数精度为d，溶液或溶剂等待测物质的磁旋光角度为，维尔德常数为V，光强吸收系数为，I1、I2分别为光电探测器11 和12 所接收的光强，样品厚度均为L。标准物质的磁旋光角为，维尔德常数为V，在磁场相同的情况下，标准物质的磁旋光角不变，d的变化来自的变化，根据式(1)有： (4-6) 而忽略高次项2，则式(4-6)变为 (4-7) 则根据法拉第效应原理，维尔德常数的检测精度为 (4-8) 可见，维尔德常数的检测精度与除法放大器的读数精度成正比，与除法放大器的放大倍数成反比；同时，标准物质的维尔德常数V越小精度越高，待测物质(溶液或溶剂)的维尔德常数V 越大精度越高。4.4检测系统误

44、差分析 小角度近似处理误差分析式(4-1)中采取了小角度近似计算，为溶液或溶剂等待测物质的磁旋光角度，为标准物质的磁旋光角度，由此产生的相对误差S 定义为 (4-9) 根据式(4-9)得出仿真结果如图4.2 所示。图中和的取值范围均设定为00.05 rad，图形是对称的，中间一条线对应=的情况，此时相对误差S=0。当时，当标准物质磁旋光角度一定时，溶液或溶剂的磁旋光角度 从0逐渐增加时，相对误差先减小；当=时，相对误差为0；当继续增加时，相对误差逐渐增加。当溶液或溶剂的磁旋光角度一定时，标准物质磁旋光角度从0逐渐增加时，相对误差先减小，当=时，相对误差为0，当继续增加时，相对误差逐渐增加。但磁

45、旋光角在0.05rad范围内的最大相对误差约为3.4×10-3(即0.34%)，磁旋光角越小相对误差越小，实际检测中可以根据精度的要求，通过控制磁场的大小来控制工作物质磁旋光角的大小，使相对误差达到检测要求。图4.2 小角度近似处理误差分析4.5系统在混合溶液浓度检测中的应用 对于含有抗磁性或顺磁性溶质的溶液来说，在本系统分离检测溶质的维尔德常数后，可以根据溶质维尔德常数和浓度之间的单调线性关系(一般为V = ck ，V 为溶质的维尔德常数，c为浓度，k为定标系数)得出溶液的浓度；但本系统还可以结合抗磁性或顺磁性溶质维尔德常数的色散特性，理论上可以实现对含有多种溶质成分的透明混合溶液

46、的浓度进行检测。具体做法如下：设溶液中含有n 种溶质，设第n种溶质的浓度设为cn，则它的维尔德常数可表示为Vn（cn，T）=cnkn（,T），其中cn，T分别为第n种溶质的浓度、使用的光的波长和环境温度。kn（,T）为定标系数，对于特定溶质而言，可事先配置几种标准浓度的溶液进行实验测量定标后得到。当用m 种不同波长的光通过本系统测量得到的n 种溶质的总的维尔德常数可表示为 (4-13) 当m=n时，上式为n元一次方程组，求解即可得到每种溶质的浓度cn；如果有某种溶质磁旋光方向与其它溶质相反，则在式（4-13）中只需将该溶质维尔德常数项之前的“+”变为“-”即可；如果实际检测环境中需要考虑温度影

47、响，则可以给样品施加恒温控制装置。本方法最简单的应用场合是含有两种溶质的透明混合溶液。4.6结 论 设计的溶质维尔德常数分离检测系统，可以消除溶剂和容器等背景旋光的影响，达到了分离检测溶质维尔德常数的目的，为溶质的相关物理、化学性质的研究提供了帮助；同时对于顺磁性或抗磁性的溶质来说，还可以通过本系统测量得到溶质的维尔德常数和浓度之间的对应关系进而用于检测溶液的浓度；并且可以检测多种溶质成分的透明混合溶液的浓度。结束语 基于磁光效应的液体浓度检测技术正经历着一个向实用化发展的新阶段.结果使得该技术从实验室到实际工程应用的距离不断地缩小。该系统可以消除溶剂和容器等背景旋光的影响，达到分离检测溶质维

48、尔德常数的目的。这项技术从原理上克服了检测精度，成本，污染的问题，是近年来人们研究的热点技术，是传统浓度检测技术的未来替代品。采用磁光效应传感器测量液体浓度是近年来发展的新型技术，其具有结构简单、造价低、精度高和无污染等优点，是今后液体浓度检测的主要发展方向。本人在前人研究的基础上，做出了以下工作：1）指出了基于磁光效应的液体浓度检测技术在现实生活中的重要作用。分析了检测系统多方面的优点。点名了此论文的可行性和意义。2）用matlab软件进行仿真，建立了浓度检测系统的数学模型通过数值计算来模拟该系统。本课题的研究工作还可以从以下几个方面做进一步的深入研究：光电探测器间的准确通讯是确保数据信息的

49、实时完整精确关键；由于电力线中包含了稳态、暂态及其他复杂形式的电流信息，因此要求系统的设计向数据处理高速化、功能集成化的方向发展。致 谢四年的大学生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。在这四年的求学生涯中师长、亲友给与了我大力支持，在这个翠绿的季节我将迈开脚步走向远方，怀念，思索，长长的问号一个个在求学的路途中被知识的举手击碎，而人生的思考才刚刚开始。感谢我教书育人的老师，我不是你们最出色的学生，而你们却是我最尊敬的老师。大学时代的老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，

50、潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了对待知识，走向社会的思考方式。感谢父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报；感谢同学在我遇到困境时向我伸出援助之手，同窗之谊我们社会再续；感谢这段时间对我帮助给与关怀的叔叔，阿姨，是你们让我看到了人间真情暖人心，激励我时时刻刻努力，奋发向上，排除万难勇往直前。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 本论文在沈骁老师的细心指导和严格要求下已完成，从课题选择到具体构思和内容，无不凝聚着老师的心血和汗水，特备是老师严格的教学要求

51、和一丝不苟的工作精神，让我非常敬佩。在四年的大学学习和生活期间，也始终感受着导师的精心培养和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。参考文献：1 郑咏梅,殷景志,张铁强.利用弯曲光纤探头检测液体浓度J半导体光电,1997,10(5):336-338.2 Zhang S X,McBride R,Barton J S et al.Intrinsic optical fiber sensor for monitoring acoustic emissionJ.Sensors and Actuators,1992,31(3):110-114.3 孙选,徐可欣,艾长胜.一种声电复合多元液体浓度传感器的研制