本發(fā)明提出了一種基于光纖端面鍍膜構(gòu)成F-P腔的濃度傳感器，屬于檢測(cè)液體濃度的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖F-P傳感器由于其具有一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛利用。根據(jù)F-P傳感器的解調(diào)原理可知，傳感器輸出干涉信號(hào)質(zhì)量的好壞直接影響了解調(diào)系統(tǒng)的精度以及測(cè)量距離，而且對(duì)構(gòu)成解調(diào)系統(tǒng)的光源及光探測(cè)器的性能要求有較大的影響。然而實(shí)際中由于光在F-P腔內(nèi)不可避免地存在損耗，使得傳感器信號(hào)強(qiáng)度降低，對(duì)比度差，降低了系統(tǒng)的測(cè)量精度。
傳感器反射光纖端面反射率的提高可以改善其信號(hào)質(zhì)量，對(duì)F-P傳感器的端面反射率進(jìn)行優(yōu)化，提高其輸出信號(hào)質(zhì)量，由于光纖法布里-珀羅干涉儀透射光譜的中心波長(zhǎng)與其干涉腔內(nèi)介質(zhì)的折射率存在線(xiàn)性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)折射率連續(xù)高精度檢測(cè)，且具有抗電磁干擾，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。
光譜分析儀是對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器，它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)范圍寬，靈敏度高，等效噪聲帶寬小，精度高等優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)在光纖端面鍍膜構(gòu)成F-P腔結(jié)構(gòu)的傳感器，以透射光譜的中心波長(zhǎng)和折射率，反射波長(zhǎng)和腔長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系以及液體折射率與濃度的函數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ)，對(duì)液體的濃度進(jìn)行精確測(cè)量；并通過(guò)酒精棉球?qū)饫w端面進(jìn)行擦洗，保證了光纖端面的清潔，也為下次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量提高了測(cè)量精度。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于光纖端面鍍膜構(gòu)成F-P腔的濃度傳感器，由寬譜光源(1)，第一光纖(2)，第二光纖(3)，檢測(cè)腔(4)，可調(diào)載物臺(tái)(5)，載玻片(6)，可拆卸滴管(7)，光譜分析儀(8)組成；第一光纖(2)和第二光纖(3)分別位于檢測(cè)腔(4)的左側(cè)面和右側(cè)面，載物臺(tái)(5)位于檢測(cè)腔(4)的底部，載玻片(6)放置在載物臺(tái)(5)上，可拆卸滴管(7)位于檢測(cè)腔(4)的頂部且正對(duì)載玻片(6)，檢測(cè)腔(4)的前蓋可打開(kāi)，用于移除載玻片(6)以及對(duì)第一光纖(2)和第二光纖(3)端面的清洗，用滴管(7)吸入待測(cè)液體，并滴在載玻片(6)上，由寬譜光源(1)發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)由第一光纖(2)鍍膜端面和第二光纖(3)鍍膜端面形成的F-P腔，變成特定波長(zhǎng)干涉峰，在光譜分析儀(8)上顯示光譜，由于透射光譜的中心波長(zhǎng)與液體的折射率存在線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)液體的折射率從而獲得液體的濃度；檢測(cè)完畢后，可打開(kāi)檢測(cè)腔(4)的前蓋，通過(guò)調(diào)節(jié)載物臺(tái)(5)的高度，將載玻片(6)移除，并用沾有酒精的棉球進(jìn)行第一光纖(2)和第二光纖(3)端面的清洗。
所述寬譜光源(1)的工作波長(zhǎng)為1530nm-1580nm。
所述的第一光纖(2)和第二光纖(3)端面均為鍍銀膜。
所述第一光纖(2)和第二光纖(3)的中心波長(zhǎng)均為1550nm。
本發(fā)明的工作原理是：基于F-P結(jié)構(gòu)干涉的干涉特性，當(dāng)非單色平行光以入射角i入射時(shí)，由于多光束干涉的作用，使在一定的光譜范圍內(nèi)僅有某些特定的波長(zhǎng)λk附近出現(xiàn)極大，且當(dāng)i＝0時(shí)滿(mǎn)足下列公式：
2nH＝kλk (1)
式中n為F-P腔內(nèi)液體折射率，H為F-P腔長(zhǎng)，k為干涉級(jí)次，λk為干涉峰中心波長(zhǎng)。
向檢測(cè)腔中放入標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)(已知折射率為n0，對(duì)應(yīng)第k級(jí)干涉峰中心波長(zhǎng)為λk0)，由(1)式得折射率n與干涉峰中心波長(zhǎng)λk的關(guān)系為：
n＝(n0/λk0)λk (2)
由(2)式可知，對(duì)特定波長(zhǎng)下某干涉級(jí)次，F(xiàn)-P結(jié)構(gòu)干涉透射峰波長(zhǎng)的變化與腔內(nèi)介質(zhì)折射率的變化成線(xiàn)性關(guān)系。
當(dāng)光纖F-P腔的腔長(zhǎng)滿(mǎn)足條件：
H＝(2m-1)λb/4neff (3)
式中neff為光纖的有效折射率，m為干涉級(jí)數(shù)，F(xiàn)-P腔在λb處透射峰極大。通過(guò)式(3)求得腔長(zhǎng)H可求被測(cè)物質(zhì)的長(zhǎng)度。
液體的折射率n與液體濃度大小C和溫度T有關(guān)，即：
n＝n(C，T) (4)
對(duì)式(4)進(jìn)行微分，可以得到液體折射率的變化量為：
式中分別為液體折射率隨液體濃度和溫度變化的靈敏度，對(duì)于大部分液體來(lái)說(shuō)，兩者的數(shù)量級(jí)別相差1000倍。因此，如果測(cè)量過(guò)程中溫度變化不大(ΔT小于1～2℃)，則溫度對(duì)折射率的影響可以忽略不計(jì)，從而，折射率的變化主要由液體濃度決定。液體濃度的變化與折射率變化量的關(guān)系為：
對(duì)于折射率與濃度在一定范圍內(nèi)呈線(xiàn)性關(guān)系的液體來(lái)說(shuō)，為常數(shù)，因此可獲得待測(cè)液體的濃度為：
所以當(dāng)向檢測(cè)腔(4)內(nèi)滴入不同液體時(shí)，由光譜分析儀(8)輸出波形，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可求出液體的折射率和長(zhǎng)度，通過(guò)液體折射率與濃度的關(guān)系可以得到液體的濃度。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明設(shè)計(jì)在光纖端面鍍膜構(gòu)成F-P腔結(jié)構(gòu)的傳感器，以透射光譜的中心波長(zhǎng)和折射率，反射波長(zhǎng)和腔長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系以及液體折射率與濃度的函數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ)，對(duì)液體的濃度進(jìn)行精確測(cè)量，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值，有良好的應(yīng)用前景。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的一種基于光纖端面鍍膜構(gòu)成F-P腔的濃度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，一種基于光纖端面鍍膜構(gòu)成F-P腔的濃度傳感器，由寬譜光源(1)，第一光纖(2)，第二光纖(3)，檢測(cè)腔(4)，可調(diào)載物臺(tái)(5)，載玻片(6)，可拆卸滴管(7)，光譜分析儀(8)組成；第一光纖(2)和第二光纖(3)分別位于檢測(cè)腔(4)的左側(cè)面和右側(cè)面，載物臺(tái)(5)位于檢測(cè)腔(4)的底部，載玻片(6)放置在載物臺(tái)(5)上，可拆卸滴管(7)位于檢測(cè)腔(4)的頂部且正對(duì)載玻片(6)，檢測(cè)腔(4)的前蓋可打開(kāi)，用于移除載玻片(6)以及對(duì)第一光纖(2)和第二光纖(3)端面的清洗；本發(fā)明的工作原理是：用滴管(7)吸入待測(cè)液體，并滴在載玻片(6)上，由寬譜光源(1)發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)由第一光纖(2)鍍膜端面和第二光纖(3)鍍膜端面形成的F-P腔，變成特定波長(zhǎng)干涉峰，在光譜分析儀(8)上顯示光譜，由于透射光譜的中心波長(zhǎng)與液體的折射率存在線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)液體的折射率從而獲得液體的濃度；檢測(cè)完畢后，可打開(kāi)檢測(cè)腔(4)的前蓋，通過(guò)調(diào)節(jié)載物臺(tái)(5)的高度，將載玻片(6)移除，并用沾有酒精的棉球進(jìn)行第一光纖(2)和第二光纖(3)端面的清洗。