基于光纤F-P干涉波长的溶液浓度测量系统研究

　　1　引　言

　　溶液浓度是一个重要物理量,在化工、冶金、造纸、制糖、环保行业及科研等领域都常常需要对溶液浓度进行测量。由于溶液的折射率取决于其浓度C和温度T,因此通过测量溶液折射率来测量溶液浓度是常用的方法之一,同电学方法相比,它既简单又廉价,测量精度高,而且与导电性无关,适合易燃易爆等场所测量[1～3]。在实际应用中,现有的利用折射率测量溶液浓度的方法具有以下缺点:1)多以光强度信号或与强度直接相关的量的变化实现被测量的感知,对光源的稳定性要求极高,导致系统复杂而且成本较高;2)采用CCD摄像技术[4,5],需要复杂的光学及电路系统,测量浓度范围小,通过CCD对干涉光谱的识别本质上仍取决于光强信号,而且计算复杂。

　　法布里-珀罗(F-P)干涉传感系统由于其灵活性和广泛适应性而在传感领域获得了广泛的应用[6～13],本文设计了一种利用波长干涉法测量溶液浓度的光纤传感系统——光纤F-P干涉传感系统,除了具有一般光纤传感系统的优点外,该系统测量结果不受光源强度变化的影响,对光源具有广泛的适应性,使其更适合于工程实际的应用。

　　2　基于光纤F-P干涉波长的浓度测量原理与系统

　　2.1　测量原理

　　根据F-P干涉仪的干涉特性[14],当以平行光垂直入射时,干涉透射光谱范围内只有某些特定的波长λk附近出现干涉极大,且下式成立

　　其中n,d,k,λk分别为F-P腔内介质的折射率,F-P腔长,干涉级次和干涉峰中心波长。

　　设F-P干涉仪腔内介质的折射率为n0时,与其对应的第k级干涉峰中心波长为λk0,则由(1)式得折射率n与第k级干涉峰中心波长λk之间的关系为:n= (n0/λk0)λk,为讨论方便,略去下标k得

　　可见,对特定波长下某干涉级次,光纤F-P干涉仪透射峰中心波长的变化与腔内介质折射率的变化成线性关系。

　　溶液的折射率随溶液浓度的变化而变化。如果将该溶液填充到光纤F-P腔内,其折射率的变化必然使光纤F-P干涉仪的干涉圆环发生变化(扩张或收缩),从而改变干涉仪的透射光谱中心波长,当折射率增大时,干涉峰中心波长向长波方向移动;反之,干涉峰中心波长向短波方向移动。因此通过测量光纤F-P透射峰中心波长的变化便可测量溶液的折射率。

　　溶液折射率与浓度之间满足对数混合法则[4]

　　式中V1,V2分别为混合前溶质和溶剂的体积。n1,n2分别为20℃时溶质和溶剂的折射率,nm为混合溶液的折射率。设溶质和溶剂的密度分别为ρ1,ρ2,溶液质量为m,质量浓度为c,则由(3)式可得