基于长周期光纤光栅的溶液浓度传感技术的研究

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溶液浓度是表征溶液特性的主要参量之一。对溶液浓度的测量与控制在造纸、化工、制糖、食品、制药等行业中有着广泛的应用。长周期光纤光栅传感器以其良好的电气绝缘性、抗电磁干扰性、抗腐蚀性、体积小、重量轻、灵敏度高、复用性强等特点,弥补了传统溶液浓度测量手段测量缺点,是具有良好应用前景的溶液测量传感器。本文以长周期光纤光栅(Long Period Grating)为研究对象,对LPG的理论和传感技术进行深入的研究。提出了LPG测量溶液浓度的方案,对LPG溶液浓度技术进行了深入的理论和仿真研究,并进行了实验验证。文中概括地介绍了光纤光栅制作及其应用技术的研究状况。推导出LPG导模与包层模的耦合关系;对LPG导模和包层模有效折射率、耦合系数进行了计算;分析研究了LPG参数对光栅谱形的影响,得出合理设计光栅参数的理论依据。针对LPG对外界折射率敏感的特性,给出了LPG中心波长变化量与外界折射率的关系表达式,并用Matlab进行模拟计算,给出了LPG在不同参数下的传感特性。针对NaCl溶液浓度传感,设计了一套LPG传感实验装置,并分别用不同LPG进行了传感实验研究。对于不同的光栅,光栅中心波长与NaCl溶液浓度均成非线性关系,结合实验数据和LPG折射率传感公式得出光栅中心波长与浓度关系式,关系式与测量数据拟合度较高,其计算值与测量值之间误差小于0.007 nm;不同的光栅有不同的传感区域;光栅在溶液的低浓度端和高浓度端分别具有不同的灵敏度。因此,采用LPG进行溶液浓度传感时,应针对不同的溶液和不同的浓度范围选择不同的光栅。
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