專利名稱:光纖溶液濃度傳感器的制作方法
本實(shí)用新型是光纖溶液濃度傳感器，屬于用光學(xué)方法測量溶液濃度的裝置。
溶液及溶液濃度不同，其折射率不同。光在不同溶液及不同濃度的溶液中傳輸，其光傳輸參量會發(fā)生變化，從而可對不同溶液及溶液濃度進(jìn)行測量。帶棱鏡的光纖傳感器(Co
ferenoe Proceedings，2nd International Conference On Optical Fiber Sensors，September 5－7，1984，p207－210， Liederhalle Stnttgart Federal Republic of Ge-rmany,EditorsR.Th.Kersten and R.Kist)包括光源、接收器及光纖、棱鏡，當(dāng)光在棱鏡與溶液界面發(fā)生折射時，使光傳輸參量發(fā)生變化，測量光傳輸參量，即可測出溶液的折射率、濃度等。但這種傳感器中，光在界面上只經(jīng)過一次(或二次)反射(折射)，因而，光傳輸參量變化不大，測量靈敏度難以提高。Takeo等人(Japanese J.A.P，V21，No 10，PP1509，1982)使用彎曲的光纖直接插入溶液中，由于光在光纖和液體介質(zhì)界面上經(jīng)過多次反射和折射，可提高測量靈敏度，但文中使用He－Ne激光器作為光源，耦合、使用都不方便。
由半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)、光接收器、光纖及光纖接頭四部分組成的所謂光纖接頭型小系統(tǒng)(見圖1)已較廣泛地用于光信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域。Ankama等人提出了把類似這種小系統(tǒng)(設(shè)有光纖接頭)的裝置用于硫酸濃度(比重)的測定(J.Electronic Engine-rring，V22，No3，1985，P79－81)，他們只著重研究了發(fā)光與接收器件的可靠性及改進(jìn)電子線路以提高測量精度，沒有對光纖傳感器的探測頭進(jìn)行詳細(xì)分析，因而其應(yīng)用受到限制，濃度測定范圍不夠?qū)?，精度不夠高?br>另外，由于半導(dǎo)體發(fā)光器件在一定偏壓下的光功率輸出隨溫度上升而降低。而光纖傳感器是通過測量光通過光纖時的損耗來測定溶液濃度變化的，接收器件接收的光功率應(yīng)是溶液濃度的單一函數(shù)，因此，必須補(bǔ)償光源光功率輸出隨溫度的變化。溫度補(bǔ)償通常使用恒光強(qiáng)電路，這種電路中，光源的輸出光要分成二路，其中一路作為光反饋－光功率控制電路用，這種溫度補(bǔ)償方法在光通訊中已廣泛使用(Hi－tachi Optoelectronic Semicondnctor Products Data Book PP21)，但電路復(fù)雜，價格昂貴，不適合傳感器在線使用。也有用熱敏電阻作溫度補(bǔ)償，但難以在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性補(bǔ)償。
本實(shí)用新型通過計(jì)算浸沒在溶液中的彎曲光纖中光的傳輸參數(shù)，分析了光纖的半徑及其彎曲半徑等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳輸特性的影響，設(shè)計(jì)了光纖傳感器探測頭形狀，提高了傳感器的檢測靈敏度。同時，采用簡單的光源與光接收器的組合并將它們直接置入被測溶液中，解決了溫度補(bǔ)償問題。
根據(jù)Takeo等人(Japanese J.A.P，V21 No 10 PP1509－1512，1982)提出的原理，我們計(jì)算了浸沒在溶液中的彎曲光纖中光的傳輸損耗，得到臨界角θc與溶液折射率ns，光纖折射率nf的關(guān)系。
θc＝arccos－11－(ns／nf)2而光在光纖彎曲處的入射角θ與光纖的幾何參數(shù)光纖半徑a及光纖彎曲處的彎曲半徑R有關(guān)，當(dāng)入射角θ≤θc，光在光纖中全反射，反之，在溶液中就有損耗。相對損耗越大，探測靈敏度就越高。
圖2是計(jì)算結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)是光纖彎曲半徑R與光纖半徑a之比，縱坐標(biāo)為相對損耗率η。由圖可見，R／a越小，相對損耗越大，探測靈敏度越高。但光在溶液中損耗增大，光接收器檢測到的信號減小，當(dāng)然，光的損耗不能使到達(dá)光接收器的光功率低于光接收器的極限靈敏度。另外，對于溶液折射率ns與光纖折射率nf很接近時，θc很小，光在光纖中的傳輸損耗增大，此時，為保證光接收器檢測到足夠的信號，應(yīng)適當(dāng)增大R／a。
我們的實(shí)驗(yàn)證明了上述計(jì)算與分析是正確的。
據(jù)此，本實(shí)用新型采用塑料光纖(nf＝1.459)、石英光纖nf＝1.45和玻璃光纖(nf＝1.50)，用PIN二極管作為光探測器，其極限靈敏度對可見光為0.1μw，估計(jì)到光纖與光纖接頭的損耗，使用的發(fā)光二極管的輸出光功率為大于0.5μw，光纖半徑a為0.5－1.25mm，R／a為0.8－2，R為0.5－1mm，其中，對于折射率小于1.4的溶液，最好的幾何參數(shù)是a為1mm，R／a＝1。對于折射率高于1.4的溶液(例如發(fā)煙硫酸)，最好取a＝1mm，R／a＝1.5－2。
本實(shí)用新型的另一特點(diǎn)是用波長小于7000
的可見光LED作為光源，可見光LED的光功率隨溫度上升而下降的負(fù)溫度系數(shù)較小，它與Si－PIN二極管光探測器的正溫度系數(shù)相配合，并將LED、PIN二極管與光纖接頭、探測頭一起置于溶液之中。另外設(shè)置PIN二極管光探測器的偏壓調(diào)節(jié)電位器，通過調(diào)節(jié)光探測器的偏壓改變其接收靈敏度和溫度系數(shù)或在LED偏壓電路中設(shè)置調(diào)節(jié)電位器改變LED的輸出光功率，使在與溶液同溫度的水中的測量值為1。這樣，可在0－60℃溫度范圍內(nèi)，基本補(bǔ)償溫度變化造成的光功率與探測器接收信號的變化，使測量相對誤差小于5％。
本實(shí)用新型由于采用了上述設(shè)計(jì)，可測量各種溶液的濃度。對于強(qiáng)堿溶液，可使用塑料光纖；強(qiáng)酸(如發(fā)煙硫酸)可用玻璃光纖；對一般酸度的溶液，可用價廉的塑料光纖。被測溶液的折射率小于1.5，可廣泛用于鹽、糖、酒精溶液及酸、堿濃度的在線測量，測量精度為0.5－1.5％。使用本實(shí)用新型還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量、控制溶液濃度。
圖1是光纖接頭型小系統(tǒng)，其中〔1〕是光纖，〔2〕是光纖耦合環(huán)，〔3〕是發(fā)光管，〔4〕是發(fā)光管與光纖接頭座，〔5〕是發(fā)光管電極引線，〔6〕是光接收器電極引線，〔7〕是接收器與光纖接頭座。
圖2是光纖幾何參數(shù)與相對損耗率的函數(shù)關(guān)系圖，橫坐標(biāo)是光纖探測頭彎曲半徑R與光纖半徑a的比，縱坐標(biāo)是相對損耗率η。
圖3與圖4是本實(shí)用新型的二種實(shí)施例。圖3是可拆卸式的光纖溶液濃度傳感器，一般適用石英或玻璃光纖。圖4是固定式的光纖濃度傳感器，適用于塑料光纖。二種結(jié)構(gòu)都要求密封，防止溶液，特別是酸、堿溶液滲透腐蝕元件。外套筒可用塑料，不銹鋼或聚四氟乙烯制成。圖中〔10〕是光纖探測頭，〔11〕是硅PIN二極管，〔12〕是可見光(波長小于7000
)的LED，〔13〕是封接套，〔14〕是連接套，〔15〕是外套筒，〔16〕是傳感器后蓋，〔17〕是LED和PIN二極管電極引線。〔18〕是光纖接頭座。
權(quán)利要求
1.本實(shí)用新型是由半導(dǎo)體發(fā)光器件、光纖及光纖探頭、光接收器及光纖接頭座構(gòu)成的光纖溶液濃度傳感器，其特征在于1.1.用極限靈敏度大于0.1μw的PIN二極管光接收器及溫度系數(shù)與PIN二極管相配合的發(fā)光波長小于7000
，輸出光功率大于0.5μw的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)。1.2.PIN管、LED與光纖探頭一起置于被測溶液中。1.3.光纖半徑a為0.5-1.25mm，光纖探頭彎曲半徑R與a之比為0.8-2，R為0.5-1mm。
2.按權(quán)利要求
1所述的光纖溶液濃度傳感器，其中對于折射率n3小于、等于1.4的溶液，光纖探測頭的最好幾何參數(shù)是a＝1mm，R／a＝0.8－1，對1.4＜n3＜1.5的溶液，最好是a＝1mm，R／a＝1.5－2。
3.按權(quán)利要求
1或2所述的光纖溶液濃度傳感器，其特征在于PIN管有偏壓調(diào)節(jié)電位器。
專利摘要
一種光纖溶液濃度傳感器，屬于用光學(xué)方法測量溶液濃度的裝置。它由光纖(塑料、玻璃或石英)探測頭，可見光LED，PIN二極管及光纖耦合接頭構(gòu)成，光纖探測頭有最佳的幾何參數(shù)，通過LED輸出功率與PIN管接收功率的溫度系數(shù)相配合并與探測頭一起置于溶液中，再用PIN管的偏壓調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)了0-60℃范圍的溫度補(bǔ)償，可廣泛用于酸、堿、鹽、酒、糖溶液濃度的在線測量，測量精度為0.5-1.5％。
文檔編號G01D5/26GK86202511SQ86202511
公開日1987年10月3日 申請日期1986年4月22日
發(fā)明者沈彭年, 吳冠群, 王德寧, 吳國炎, 陳蓮勇 申請人:中國科學(xué)院上海冶金研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan