色度型光纤pH计的研制

　　一、概述

　　以住PH值的测量一般采用试纸比‘色法和电位分析型pH计法。试纸比色法，主要依靠人眼观测pH试纸在不同酸碱下变色的情况，然后对比标准色块进行读取pH值，这种方法精度差随意性大，不能重复使用，同时色盲患者使用受限制。电位分析型pH计法，主要运用电化学原理，用玻璃电极、甘汞电极和被测溶液三者构成原电池，根据其产生的电位差与溶液酸、碱度成一定的函数关系来确定pH值。这种方法目前应用较多，但设备复杂，成本高，温度漂移大，同时电极易碎裂.寿命短，使用很不方便。

　　光纤传感器在测量pH值上的应用，克服了以上两种方法的不足，同时又充分发挥了光纤抗电磁千扰强、耐腐蚀等优点。色度型光纤pH计，是根据某色素指示剂的光吸收强度随氢离子活度而变化的规律研制成的。用这种色素指示剂作探头，在不同的PH值状态下显示不同的颜色.用色测量电路测量该颜色引起的光强变化来确定pH值。

　　色度型光纤pH计主要由光纤传感器、A/D转换器、微处理器、1/0接口和显示电路等五个部分组成，如图1所示。光纤pH传感器将非电量信号转换成电信号后，进入A/D转换器将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，最后由微处理器进行数据处理，处理结果经工/O接口供显示电路显示。

　　二、传感器

　　(一)色度型pH计传感器的物理机理

　　色度型pH计传感器是利用pH值与指示剂的光强比有关(与光强的绝对值无关)这一特点研制而成的。其基本依据是朗白一比尔定律，即一束平行单色光通过均匀的有色溶液时，溶液的吸冼度与溶液的卫H值成正比。用公式表示为:

　　式中I。为没有染料时的光强，I为有染料时的光强，E是染料吸收光强系数，〔人一〕是染料指示剂碱性基浓度，L是通过染料的有效光强。

　　由有关化学知识可得溶液的pH值为:

　　式中P了为与指示剂特性有关的常数，〔T〕为染料总浓度，由式(l)代入式(幻得:

　　对于某一确定的单色光来说，L、E、〔T〕三者的积可视为常数，用无表示。但对于不同的单色光，殆相差很大，故由式(3)确定的pH值不是唯一的。为了使式(3)确定的pH值具有唯一性，我们采用白光作为光源。白光作用于染料后的反射光经色分离器分解为Ia、I。、I:，(I二、I。、I。分别为红、绿、蓝三种光强)。若用三者合成来表示pH传感器输出的颜色，这些颜色与pH值一一对应，它们的关系是唯一的。这是因为，白光可分解为丑、泞、B三基色，即入射光强几二I。，+Ioa+I。。八IoR、Ioa、I。。为三基色入射光强)，当入射光强I。为恒定时，I。可以作为一个单位来处理，这样IOR+10。+10。~1。根据国际照明委员会(C工E)规定，标准光育C、D65、人三种白光。