强度调制型光纤传感器液体浓度检测系统的研究

论文摘要

浓度是溶液的一个重要参数。目前,溶液浓度的检测大都需要复杂或昂贵的检测装置。本文根据全反射原理、菲涅尔公式及朗伯-比尔定律,分析了液体浓度与折射率、吸光度之间的线性关系,得出光纤出射光强随液体包层浓度成负指数关系。根据上述结论,本文利用光的强度调制进行溶液浓度检测,即通过测量光强的变化,检测出待测溶液浓度。实验表明,本文研制的强度调制光纤传感器可以实现浓度检测。在分析、总结国内外研究的基础上,选择强度调制原理研制浓度检测系统。利用光纤熔接机制作光纤敏感元件,将其插入待测液体,通过测量出射光强,实现对液体浓度的直接测量。选取半导体激光器（LD）光源,发出波长650nm的光信号,经传输光纤和光纤敏感元件内部反射后到达光探测器。在光探测器中,硅光电二极管将光信号转换成电信号,经LM358芯片放大后输出。为测量准确,光探测器后接数字万用表直接读取电压值,实现待测液体浓度的检测。同时,本文还提出一套操作简单、快速且不损伤纤芯的去除光纤包层的加工方法。本系统采用廉价的光纤连接器对光纤、光源进行耦合,避免了使用光学聚焦透镜复杂的校准过程,简化了系统的设计,降低了成本。实验证明,本检测系统工作可靠、性能稳定,具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单、体积小、重量轻和低侵入被测对象等优点,对实际检测具有良好的应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 传感技术的研究现状
• 1.1.1 传感器的组成
• 1.1.2 传感器的分类
• 1.1.3 传感技术的特点
• 1.2 传感技术的发展趋势
• 1.3 光纤传感器的研究现状
• 1.3.1 光纤传感器的分类
• 1.3.2 光纤传感器的特点
• 1.3.3 光纤传感器的结构
• 1.4 光纤传感器的发展趋势
• 1.5 强度调制型光纤传感器的发展动态
• 1.6 液体浓度的测量
• 1.7 本文主要工作
• 第二章 强度调制的理论基础
• 2.1 光纤的特性
• 2.1.1 光纤的结构
• 2.1.2 光纤的传光原理
• 2.1.3 光纤的数值孔径
• 2.1.4 光纤的本征损耗
• 2.1.5 光纤弯曲对传播的影响
• 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
• 2.2.2 反射率
• 2.2.3 光纤传感原理
• 2.3 液体的折射率与其浓度的关系
• 2.4 物质对光选择性的吸收
• 2.4.1 物质对光产生选择性吸收的原因
• 2.4.2 朗伯-比尔定律
• 2.4.3 溶液吸光度的测量
• 2.5 光强损耗与溶液浓度的关系
• 2.6 本章小结
• 第三章 液体浓度检测系统
• 3.1 光纤敏感器件
• 3.1.1 光纤的选取
• 3.1.2 光纤敏感器件的制作步骤
• 3.2 光源
• 3.2.1 半导体发光二极管
• 3.2.2 激光器
• 3.2.3 光源的选择
• 3.3 光电探测器
• 3.3.1 半导体光电二极管
• 3.3.2 光电转换电路
• 3.4 光纤与光源、探测器的耦合
• 3.4.1 光纤的光耦合
• 3.4.2 光纤断面处理
• 3.4.3 光电探测器与光纤的耦合
• 3.5 液体浓度检测系统
• 3.6 本章小结
• 第四章 测量结果及分析
• 4.1 溶液浓度的测量
• 4.2 浓度测量的注意事项
• 4.3 误差分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢