【doc】一种用于盐度测量的光纤传感器

【doc】一种用于盐度测量的光纤传感器 一种用于盐度测量的光纤传感器 第14卷第4期 2005年8月 激光生物 ACTAERBIOLOGYSINICA V01.14No.4 Aug.2OO5 ? 激光生物与光子中医学? 一 种用于盐度测量的光纤传感器 韩悦文,李小刚,陈荣 (1.福建师范大学物理与光电信息科技学院激光研究所,中国福建福州350007; 2.北京航空材料研究院,中国北京100095) 摘要:制作了智能水凝胶PDA—C12.根据凝胶的溶胀性质设计制作了一种盐度光纤传感器探头,并实测了在不 同盐度溶液中的输出光强,可测范围达到了1.0mol/L以上,为在一般要求下的盐度测量提供了一种新的方法. 关键词:盐度;光纤传感器;凝胶 中图分类号:0657.38;TP212.14 文献标识码:A 文章编号:1007—7146(2005)04-0308—03 AnOpticalFiberSensorforSalinityMeasurement HANYue-wen,IJXiao-gang,CHENRong (1.InstituteofLaserandOptoelectronicsTechnology,FujianNormalUnivers ity,Fuzhou350007,Fujian,China; 2.BeijingInstituteofAeronauticalMaterial,Beijing100095,China) Abstract:ThegdPDA—C12ismadepractically;aprobeforsalinitymeasurementisdesignedbasedonitsswellingproperty; andthec0ncen0nresponseinsolutionofvariedsalinityistested,thenleaBul~s copeextendstomolethan1.0mol/L.Anew wayforsalinitymeasurementundercommondemandispresented. Keywords:salinity;opticalfibersensor;hydrogel 0引言 盐度是溶液的一个重要参数.在渔业和养殖业 方面,盐度的稳定和精确与否直接影响水生生物的 成活率和发育状况,盐度也决定了水体的营养状况 和动态分布,间接影响水生生物.在军事上的航道 测量方面,盐度往往与水体密度分布直接相关,从而 影响了水流状况,故在航道的测量时它是一个重要 数据;盐度和密度对水中声传播的影响,也是水声学 和水声仪器设计时要考虑的参数.水体的盐度本身 又是水质评价,水体资源的监测,环境保护,海洋资 源开发等方面的重要参数.科学实验中盐度也是经 常用到的数据. 国内外学者是对盐度的光纤传感测量提出过一 收稿日期:2131)4-12—14 些方法.西安交通大学利用U型的多模塑料光纤 探头,来测量太阳池的盐水密度,进行了一些试验研 究.此方法结构简单,体积小,容易实现在线的自动 化测量和远距离的信号传输,但是由于裸露的光纤 纤芯直接接触被测液体,在光纤与待测液体的界面 容易形成沉淀物而影响测量的可靠性.Minato等人 提出用光纤来传送光信号的透射式盐度传感器…, 这种传感器探头具有光电器件PSD,尺寸比较大,在 水下又容易导致腐蚀和损坏,影响了仪器寿命.浙 江大学也提出用光纤光栅的方法测量凝胶在盐溶液 中溶胀改变光纤光栅反射波长来间接测量溶液浓 度.但因为引入了光纤光栅,故需要光谱仪等较 昂贵仪器,对系统的简化和微型化也不利. 本文利用凝胶在电解质溶液中的溶胀特性,结 第4期韩悦文等:一种用于盐度测量的光纤传感器 合光强传感原理,设计了一种新型光纤盐度传感器, 对光纤传感器在盐度的测量方面进行了初步探索. 1测量原理 1.1凝胶的制作 水凝胶是是一种能显着地溶胀于水但不能溶解 的亲水聚合物凝胶.水凝胶的物理性质不仅与聚合 单体和交联剂的性质以及聚合工艺条件有关,还取 决于溶液环境.某些环境敏感的水凝胶能在相当的 程度上对温度,DH值或离子浓度等变化所引起的刺 激有不同程度的应答.可引发这种水凝胶响应的外 界环境刺激,如温度,pH,离子,电场,溶剂,反应物, 光,应力,识别和磁场等,可使智能型水凝胶的某些 性质如相变,形状,光学,力学,电场,表面能,反应速 率,渗透率等随之变化. 本实验利用的就是凝胶在离子环境中(溶液中) 产生溶胀的特性. 为了特定的应用可以用特定的凝胶单体来聚合, 以使凝胶具有特殊的物理性质.根据所用的单体和 溶剂,可以考虑使用粒子辐射,紫外照射或化学引发 聚合.多数凝胶溶胀后在电解质溶液中会有不同程 度的收缩,但过高的电解质浓度往往导致凝胶的溶 解,因此为了得到较大的测量范围,应选择能承受较 大盐浓度而不溶解的凝胶.基于这一要求,我们选择 PDA.C12凝胶作敏感材料.制作过程简介如下. 在100mL烧瓶中将二烯丙基胺溶于8.3g的蒸 馏水中,在室温,搅拌下滴加2.09g的硫酸.在搅拌 1h后,加入1.64g的二烷基二烯丙基溴化铵,0.123 g的N,N.亚甲基双丙烯酰胺以及0.08g的过硫酸 铵.用氮气置换溶液后,随即注入聚合装置.将该 装置放在70?,80?的烘箱中,聚合时间为2d. 所得凝胶浸入1000mL去离子水(也可用二次蒸馏 水)中约一周,每天更换水以充分去除未反应的单 体. 虽然有很多凝胶的溶胀有一定的温度敏感性, 但我们的测量环境中,温度变化较小,且不高于 4o?(多数凝胶在此温度上凝聚状态发生突变),未 影响到实验效果. 1.2传感头的制作 传感器的局部设计如图1所示. 2Thewholeexperimentalsystemforsensing 光源可用890nln或1300nln的通信用LD(实 验时我们选用前者),光经过透镜和自聚焦透镜耦合 进光纤,经过Y型耦合器分为两路,一路作参考光 进入光功率计,另一路作测量用,经传感头后最终至 光功率计.两者的光强(功率)之差值(或比值)即为 所需数据. 测试时,将传感头浸入待测溶液中,经过一段时 间后,光功率计显示的数值稳定下来,即可 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 数 据. 凝胶刚做好后,还需要先在去离子水中浸泡一 段时间,即初始溶胀,才能用于测量.目的是使其自 由溶胀,并每天换水以去除未交联的多余单体.也 可用二次蒸馏水中完成其初始溶胀过程. 2实验结果 用普通单模Y~(ComingSMFG.652)如上制作 探头,初始溶胀期间,将探头浸没于去离子水中,每 隔一天换一次水,直至凝胶溶胀完全. 实际测量时,溶液盐度从0,1.0mol/L均匀取 25个数值.结果如图3. 310激光生物第14卷 Theoutputpowertotheconcertration 图3光强一浓度变化曲线 Fig.3TheintensityVS.concentrationcurve 由图3可见,随溶液盐度的升高,光强的损耗逐 渐变大,灵敏度较高,测量上限接近1.0mol/L,范围 大于一般的光纤盐度传感器.因此,这种传感头适 合用作盐度的实验测量. Matlab作图时会自动处理数据,使曲线显得较 为平滑. 3讨论 通过传感器样品在盐溶液中的测量试验,可知 光强能随着凝胶溶胀度的变化而变化,溶胀产生的 应力成功的转化成光强的变化,从而实现光强对溶 胀程度的间接体现. 在用单模光纤作敏感元件时,传感效果较好;探 头在较高浓度时敏感性较好,光的强度损耗随浓度 的变化更为明显. 输出光强曲线还不太平滑,估计与光源或探头 结构的不稳定有一定关系,可考虑在系统中再增加 一 条参考光纤.也可用软件方法对测量数据进行修 正和处理. 测量误差的来源,一方面因为光源输出光强的不稳 定造成,由于采用LED光源,电流的微小变化也会 带来光强的相应变化,从而成为了一部分误差的来 源;另一方面由于传感头是基于应力传感器制作的, 因此,来自系统之外的微弯和振动都会直接影响到 光纤部分内的光强的损耗,导致输出光强的额外波 动. 由于盐溶液的不同浓度使凝胶产生不同程度的 溶胀,因此可以断定,此传感器的输出光强也能在不 同浓度的其它无机盐溶液中相应变化,从而实现对 其它无机盐度溶液浓度的测量. 4结论 通过测量PDA—C12凝胶在不同盐度溶液中溶 胀时探头的光强响应,验证了此探头对盐度的敏感 性.由于材料的选择适当,使测量范围较以往有所 扩展,达到了1.0mol/L以上.利用凝胶溶胀的原理 设计的新型探头用于盐度检测,使整个传感系统不 再需要光谱设备,体积小,结构紧凑,且不受电磁场 干扰;此外,还大大降低了测量系统制造成本.并且 测量过程进一步简化,使用更加方便;光纤没有暴露 于溶液中的部分,敏感部分不会受到污染,不易氧 化,耐腐蚀,增强了使用寿命和可靠性. 本文设计的传感器也存在着一些不足.比如凝 胶的制作较耗时,限制了它向实时测量和动态测量 的发展,不过在对时效性要求不高的情况下,仍有一 定的应用. References [1]MINATOH,KAKUIY,NISHIMATOA.Remoterefractive indexdiffractivemeterforsalinityse~sor[J].衄Tnmsac— tionsonInstrumentationandMeasurement,1989,38(2): 608.612. [2]JUNCX,ZHANGK,eta1.Fiberopecbraggrating~rlsor basedonhydrogelsformeasuringsalinity[J].Sensorsand ActuatorsB:Chemical,2OO2.87,.3:镐7--490. 作者简介 韩悦文:男,1979年生,福建师范大学物理与光电信息科技学院激光 研究所硕士研究生. Biography HANYue—wen:male,bomin1979,heisstudyingforthemasterdegreeintheI nstituteofLaserandOptoelec. tronicsTechnology,rujianNormalUniversity. 一事uJ一器IJ专J0^0Q苫e=0 一