磁光效應(yīng)液體濃度檢測

1、南京郵電大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）題 目基于磁光效應(yīng)的液體濃度檢測技術(shù)專 業(yè)信息工程學(xué)生姓名陸俊峰班級學(xué)號10000223指導(dǎo)教師沈驍指導(dǎo)單位南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 日期： 2013 年 11月 25日至 2014年 6月 10日畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本研究做出過重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明并表示了謝意。 論文作者簽名：陸俊峰 日期： 2014 年6月 1日摘 要隨著基礎(chǔ)研究、化學(xué)

2、分析、生物醫(yī)藥等眾多工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，法拉第效應(yīng)在近代科學(xué)技術(shù)中有著日益廣泛的應(yīng)用，如單通光閘、光調(diào)制器、磁場傳感器和電流傳感器等。法拉第磁光效應(yīng)廣泛存在于固體、液體和氣體物質(zhì)中，該效應(yīng)可用來分析多種碳?xì)浠衔锏拇胖滦馓匦?。其中反映法拉第效?yīng)強弱的直接指標(biāo)是物質(zhì)的維爾德常數(shù)。一般固體材料維爾德常數(shù)的測量技術(shù)比較成熟；但是對于溶液中溶質(zhì)維爾德常數(shù)的測量卻比較困難，因為檢測系統(tǒng)中存在容器及溶劑等背景旋光的影響。對于含有順磁性或抗磁性溶質(zhì)的溶液，可以利用法拉第效應(yīng)檢測溶液的濃度；一般可以根據(jù)該溶液的維爾德常數(shù)與濃度之間的單調(diào)關(guān)系去測量未知濃度的該溶液。本文提出利用法拉第磁光效應(yīng)檢測液體濃度，采取

3、兩種檢測方案，對溶質(zhì)維爾德常數(shù)進行分離檢測，得到該溶質(zhì)維爾德常數(shù)與溶質(zhì)濃度之間的單調(diào)關(guān)系，利用該關(guān)系可以設(shè)計檢測系統(tǒng)對溶質(zhì)濃度進行檢測。如果結(jié)合維爾德常數(shù)的色散特性，利用不同波長的入射光進行檢測，實現(xiàn)了混合溶液濃度的檢測。關(guān)鍵字：磁光學(xué)；溶液濃度檢測；交流磁光調(diào)制；法拉第效應(yīng)；維爾德常數(shù)ABSTRACTWith the rapid development of basic research,chemical analysis,biomedicine,and many other industrial technologies,the Faraday effect has increasingl

4、y wide range of applications in modern science and technology,such as single-pass optical shutter,optical modulators,magnetic field sensors and current sensors.Faraday effect is widely present in the solid,liquid and gaseous materials,the magnetoresistive effect is used to analyze optical properties

5、 of a variety of hydrocarbons.The direct indicator of the strength of the Faraday effect is Verdet constant material.General solid material Verdet constant measurement technology is relatively mature;But for the solution of the solute Verdet constant measurement is more difficult,because the contain

6、er and solvent effects of the presence of background optical detection system.For the solution containing a paramagnetic or diamagnetic solute concentration of the Faraday effect can be detected using a solution;generally known to measure the concentration of the solution in accordance with the Verd

7、et constant monotonic relationship between the concentration of the solution.In this paper,the use of liquid concentration detection Faraday effect,take two detection scheme,the separation of solutes Verdet constant testing, get monotonous relationship between the solute and solute concentration Ver

8、det constant between the use of this relationship can be designed to detect system solute concentration detection.If the dispersion characteristics of the Verdet constant of the combined use of different wavelengths of incident light is detected,the mixed solution to achieve a concentration detectio

9、n.Keywords:magneto-optics;solution concentration detection;AC magneto-optical modulation;Faraday effect;Verdet constant目 錄第一章 緒論11.1課題研究背景11.2課題發(fā)展現(xiàn)狀11.3本論文的主要工作6第二章 磁光效應(yīng)的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用72.1 光的偏振72.2 磁光效應(yīng)82.3 交流磁光調(diào)制11第三章 基于溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測的溶液濃度檢測技術(shù)123.1 分離檢測系統(tǒng)設(shè)計123.2 系統(tǒng)檢測性能分析123.3 分離檢測系統(tǒng)在液體濃度檢測中的應(yīng)用153.4 總結(jié)16第四章 溶

10、質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測及其應(yīng)用研究174.1 檢測系統(tǒng)原理174.2 檢測原理分析184.3 系統(tǒng)檢測精度分析194.4 檢測系統(tǒng)誤差分析204.5 系統(tǒng)在混合溶液濃度檢測中的應(yīng)用214.6 結(jié)論22結(jié)束語23致謝24參考25南京郵電大學(xué)通達學(xué)院2014屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論1.1課題研究背景一束平面偏振光通過處于通電螺旋管磁場中的物質(zhì)時，振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這個磁致旋光現(xiàn)象是法拉第于1846年發(fā)現(xiàn)的，故稱法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)的內(nèi)在機理是：當(dāng)物質(zhì)處于外磁場中時，原子或分子由于受到洛倫茲力的作用產(chǎn)生拉莫爾旋進而引起的。它的發(fā)現(xiàn)對人類揭示光和電磁之間的內(nèi)在聯(lián)系有著極其重要的意義。法拉第效

11、應(yīng)在近代科學(xué)技術(shù)中有著日益廣泛的應(yīng)用，如單通光閘、光調(diào)制器、磁場傳感器和電流傳感器等。隨著基礎(chǔ)研究、化學(xué)分析、生物醫(yī)藥等眾多工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，關(guān)于溶液濃度檢測技術(shù)的研究愈加深入?；诠鈱W(xué)原理的液體濃度檢測技術(shù)主要有光學(xué)干涉法、光纖傳感法、光柵法、光強吸收法、旋光法等，而用磁光學(xué)檢測液體濃度的技術(shù)目前只有一些初步的研究。以上方法一般是檢測單一成分溶液的濃度，而利用光學(xué)方法來實現(xiàn)混合溶液濃度的檢測較少見。本文提出利用法拉第磁光效應(yīng)檢測液體濃度，關(guān)鍵技術(shù)是對溶質(zhì)維爾德常數(shù)進行分離檢測，得到該溶質(zhì)維爾德常數(shù)與溶質(zhì)濃度之間的單調(diào)關(guān)系，利用該關(guān)系可以對溶液濃度進行檢測。如果結(jié)合維爾德常數(shù)的色散特性，利用

12、不同波長的入射光進行檢測，則可以實現(xiàn)混合溶液濃度的檢測。1.2課題發(fā)展現(xiàn)狀 液體濃度檢測方法主要有：成像法、電學(xué)法、法拉第方法、反射法、光強吸收法、光束偏移折射率法、光纖折射率法、混合液體檢測、聲學(xué)法、液芯波導(dǎo)折射率法、折射率干涉法。1.光纖折射率法1 在一些工業(yè)領(lǐng)域，如石油、化工、冶金等行業(yè)，對于易燃、易腐蝕液體濃度的測量不宜采用電導(dǎo)探頭法和光學(xué)干涉法等。 光在光纖中穩(wěn)定傳輸滿足全反射條件，即入射角（）大于臨界角（'）。當(dāng)光纖彎曲時，部分光線因入射角（'）小于c而通過界面透射出去，如圖1 所示。若將光纖繞成一定直徑的螺線管狀，傳輸光線將連續(xù)發(fā)生透射，導(dǎo)致傳感光強的衰減。對給定

13、的光纖材料出、入光強( I 、I0) 之間有如下關(guān)系2 (1-1) 式中，是衰減系數(shù)，它同光纖彎曲半徑( r)、入射光波長()、包層折射率(n2) 有關(guān)；l是彎曲光纖的長度。圖1.1 光纖彎曲損耗示意圖 如果將光纖包層去掉，并浸入檢測液體中，則n2 代表液體折射率。在保持，r ，l不變的條件下，光強的變化與液體的折射率變化，即與液體濃度(C)變化相關(guān)。2.混合液體檢測3 超聲波在液體中傳播，由于液體介質(zhì)性質(zhì)的不同，超聲波在液體中傳播的速度、聲強衰減程度以及介質(zhì)的輻射聲阻抗等都將發(fā)生變化。尤其象聲速、聲強衰減的變化與液體成分及其濃度在一定范圍內(nèi)有著密切的關(guān)系。另外，液體的電導(dǎo)率也會因液體成分及其

14、濃度的不同而不同。因此，我們可以通過測定液體的聲速、衰減系數(shù)、電導(dǎo)率來間接測定液體成分濃度。 (1-2) 式中:：超聲衰減系數(shù)；f：超聲波振蕩頻率；Iin：發(fā)射端激勵電壓幅值；Iout：接收端信號電壓幅值；L：聲程。 電導(dǎo)率測量是將來自兩個電極的信號，接入運算放大器，測量放大器的輸出電壓后， 由式(1-3)計算得到。 (1-3) 式中：混合液體電導(dǎo)率；K：電極常數(shù)；RF：運算放大器的反饋電阻；VS：信號源電壓；：檢波因子；VO：運算放大器輸出電壓。3.液芯波導(dǎo)折射率法4 利用光電的方法測量溶液濃度，實際上是利用了溶液濃度與折射率的單值關(guān)系。很顯然，只間接地測出待測溶液的折射率，其濃度值就可確定

15、。溶液折射率測量如圖所示，折射率為no的光波導(dǎo)管置于折射率為n的待測液中，光源通過光學(xué)系統(tǒng)使光束射到光波導(dǎo)的入射端面中心， 光波導(dǎo)出射端面的輻射能量為： (1-4)圖2.2 溶液折射率測量 式中，P(o)為入射輻射光強。若P(o)=常數(shù)，溶液濃度改變時(即n改變),探測器探測到的光能量E(no,n)將隨而變，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出電信號。后置電路處理后，顯示電路直接顯示溶液濃度值。4.折射率干涉法5 利用光學(xué)中的干涉法進行物理量的測量是已知的最靈敏的測量技術(shù)之一，通過光的干涉不能直接測量的物理量的變化變?yōu)榭蓽y的穩(wěn)定的圖樣，通過檢測干涉條紋的變化，實現(xiàn)對待測的物理量的測量及跟蹤。圖3 F2P腔干涉原理圖

16、 He2Ne激光束經(jīng)耦合器和單模光纖入射到F2P 腔上， 待測液體自上而下流過F2P腔。圖3.3為F2P腔工作原理示意圖，以一定傾角射入到F2P 腔上的光束，在兩反射平面間進行多次反射，其透射光形成多光束等傾干涉，經(jīng)過凸透鏡會聚后， 在焦平面上形成的干涉圖樣是一組同心圓環(huán)。干涉條紋銳利、清晰， 內(nèi)環(huán)的干涉級次較高，外環(huán)的干涉級次較低，離中心愈遠條紋愈密。在一定溫度下， 液體的折射率隨液體濃度的變化而變化，折射率的變化必然使干涉圓環(huán)發(fā)生變化(擴張或收縮)，因此通過觀察干涉圓環(huán)的變化便可間接地測出液體的折射率和濃度。5.法拉第方法6 實驗表明，在磁場不是非常強時，如圖1所示，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度與光波

17、在介質(zhì)中走過的路程L及介質(zhì)中的磁感應(yīng)強度在光的傳播方向上的分量B成正比，即： (1-5) 比例系數(shù)V由物質(zhì)和工作波長決定，表征著物質(zhì)的磁光特性，這個系數(shù)稱為費爾德(Verdet)常數(shù)。費爾德常數(shù)V與磁光材料的性質(zhì)有關(guān)。 圖1.4 法拉第磁致旋光效應(yīng)表1.1為幾種物質(zhì)的費爾德常數(shù)。幾乎所有物質(zhì)(包括氣體、液體、固體)都存在法拉第效應(yīng)，不過一般都不顯著。表1.1 幾種材料的費爾德常數(shù)(單位:弧分/特斯拉·厘米)物質(zhì) (nm)V水589.31.31*102二硫化碳589.34.17*102輕火石玻璃589.33.17*102重火石玻璃830.08*102-10*102冕玻璃623.84.3

18、6*102-7.27*102石英623.84.83*102磷素589.312.3*102 MOR和MCD的實驗裝置是以O(shè)R和CD裝置為基礎(chǔ)進行設(shè)計的。主要是加上磁場。圖1.5是MOR裝置示意圖。A室中加溶液，B室中加純?nèi)軇Ｆ鸪鳟a(chǎn)生的線倡振光， 通過A室后，偏振面發(fā)生0+ 的偏轉(zhuǎn)。其中 是由溶質(zhì)引起的。0是由樣品池和溶劑引起的：經(jīng)過B室時。B室的樣品l池和溶劑與A室的相同，磁場方向相反，因此倡振光的偏振面又產(chǎn)生一日的偏轉(zhuǎn)。這樣，就扣除了溶劑和樣品池對MOR譜的影響，法拉第線圈和水室稱作法拉第調(diào)制器，它和檢倡器、光電倍增管、伺服馬達、伺服敢大器等構(gòu)成M0R裝置的檢測系統(tǒng)。圖1.5 MOR裝置示

19、意圖圖1.6是測定磁致橢圓率的MCD裝置示意圖。起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)過調(diào)制器(電子光學(xué)調(diào)制器或光彈性調(diào)制器)后，以一定的調(diào)制頻率交替產(chǎn)生左右圓偏振光。使左、右圓偏振光交普通過磁場中的樣品。由光電倍增管、鎖定敢大器檢測它們吸收系數(shù)的差別。由于吸收系數(shù)差與磁致橢圓率成正比，因此也就測得了樣品的磁致橢回率。起偏器調(diào)制器 光電倍增管磁場中樣品記錄器 鎖定放大器單色光圖1.6 MCD裝置示意圖1.3本論文的主要工作本文主要內(nèi)容是設(shè)計基于磁光效應(yīng)的液體濃度檢測技術(shù)系統(tǒng)，分析系統(tǒng)性能、特點。第1章 緒論。介紹了磁光效應(yīng)檢測液體濃度技術(shù)的課題研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀。第2章 介紹了磁光效應(yīng)的理論與應(yīng)用。第3章 介

20、紹了基于溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測的液體濃度檢測技術(shù)，包括系統(tǒng)設(shè)計、檢測性能分析、分離檢測系統(tǒng)在液體濃度檢測中的應(yīng)用以及此技術(shù)的特點。第4章 介紹了溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測技術(shù)，包括檢測系統(tǒng)原理和分析、精度分析，最后分析了此技術(shù)精確檢測濃度的方法和特點以及在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。第二章 磁光理論基礎(chǔ)2.1光的偏振 光按照電磁理論可以分為非偏振光、偏振光和部分偏振光三大類。非偏振光指的是光波電場矢量(磁場矢量)在空間無規(guī)則變化不顯示任何方向特性的光。偏振光指的是光波電場矢量方向在空間以一定規(guī)律變化，矢量端點在空間具有規(guī)則的軌跡的光。此外還有一種偏振狀態(tài)介于兩者之間的光，如果利用檢偏器去檢驗這種光，隨著檢偏器

21、轉(zhuǎn)動0-90°，透射光的強度交替呈現(xiàn)最大和最小，但強度的最小并不是零，具有這種性質(zhì)的光，叫做部分偏振光。部分偏振光可以看作非偏振光同偏振光的疊加。 按照偏振光電場矢量的方向變化和場矢量分量幅度的大小，偏振光可以分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。當(dāng)對著傳播方向觀察電場矢量變化時，矢量端點的軌跡是線的時候，稱之為線偏振光。線偏振光分為水平線偏振光、垂直線偏振光和任意方向的線偏振光。 當(dāng)對著傳播方向觀察電場矢量的變化時，矢量端點的軌跡是圓的時候，這種偏振光稱之為圓偏振光。圓偏振光又分為兩種:電場矢量按逆時針方向變化的是左旋圓偏振光；電場矢量按順時針方向變化的是右旋圓偏振光；左旋圓偏振光和

22、右旋圓偏振光在x、y方向上場分量的相位相差90°，幅度相等。 當(dāng)對著傳播方向觀察電場矢量的變化時，矢量端點的軌跡是(x，y)坐標(biāo)系平面上的橢圓的時候，這種偏振光稱之為橢圓偏振光，電場矢量按逆時針方向變化的是左旋橢圓偏振光；電場矢量按順時針方向變化的是右旋橢圓偏振光；當(dāng)橢圓偏振光長軸和短軸長度相等時，橢圓偏振光演化為圓偏振光。對于偏振光可以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達式表示7： （2-1）其中： （2-2）當(dāng)、取不同值時，可表達不同偏振態(tài)如下： 水平線偏振光；初相位為 的垂直線偏振光；偏轉(zhuǎn)方向與x軸成 角的線偏振光；右/左旋圓偏振光；右/左旋橢圓偏振光； 在弱導(dǎo)近似下，單模光纖中傳輸模式可分解為兩

23、個正交的線偏振模、，它們電場分別沿著x、y方向偏振，在完善的光纖中其相位常數(shù) ，兩種模式簡并。由于實際光纖的不完善性，簡并被破壞，出 出現(xiàn)模式雙折射。單模光纖中，x、y方向上的線偏振模、相位常數(shù)，稱之為線雙折射8。 如果光纖對左旋和右旋圓偏振光有不同的相位常數(shù)，引起兩圓偏振光有不同的相位變化，稱之為圓雙折射。線雙折射和圓雙折射同時存在時，形成橢圓雙折射。2.2磁光效應(yīng) 1811年，法國科學(xué)家阿喇果（Arago）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一束平行線性偏振光沿光軸方向在石英晶體中傳播時，其光振動平面會隨著傳播距離的變化而旋轉(zhuǎn)，且是以傳播方向為轉(zhuǎn)軸。由于石英晶體是單軸晶體，因此不可能是雙折射，后來把這種現(xiàn)象取名為旋光

24、效應(yīng)。把具有旋光效應(yīng)的物質(zhì)稱作旋光物質(zhì)。后來發(fā)現(xiàn)不只石英晶體具有這種性質(zhì)，某些溶液如：蔗糖、酒石酸溶液也有這種性質(zhì)。 后來，又有人對這一現(xiàn)象原因作了解釋：由于旋光物質(zhì)和光都具有角動量，當(dāng)光在旋光物質(zhì)中傳播時就會得到其部分角動量而使自身的轉(zhuǎn)動動能增加。 根據(jù)旋光效應(yīng)中，光振動平面的旋轉(zhuǎn)方向的不同，又可把物質(zhì)劃分為左旋物質(zhì)和右旋物質(zhì)，其劃分方法為：對著光的傳播方向觀察，當(dāng)光振動平面沿順時針方向旋轉(zhuǎn)時，該物質(zhì)就為右旋物質(zhì)。相反，當(dāng)光振動平面沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，該物質(zhì)就稱為左旋物質(zhì)。 而法拉第磁光效應(yīng)就是在強磁場的作用下，物質(zhì)的光學(xué)振動平面才發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光在一些晶體中沿光軸方

25、向傳播，在方向與之相同的強磁場的作用下，光振動平面在本來不具有旋光性的物質(zhì)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，即線偏振光通過加有外磁場的物質(zhì)時，其光振動平面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象就被稱為磁光效應(yīng)，或法拉第效應(yīng)。這種現(xiàn)象原因是：物質(zhì)的電子運動受到外磁場的影響。圖2.1 磁光效應(yīng)原理圖 雖然磁光效應(yīng)與旋光效應(yīng)的現(xiàn)象相似，但它們卻有明顯的區(qū)別： 首先，旋光效應(yīng)是由物質(zhì)本身引起的，與外磁場無關(guān)。而磁光效應(yīng)必須在外磁場作用下才能發(fā)生。 其次，在旋光效應(yīng)中，對某一旋光物質(zhì)而言，光振動平面旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向的關(guān)系是一定的，如果光在該旋光物質(zhì)中傳輸一段距離后又原路返回來，由于傳播方向不同、傳播物質(zhì)相同，往返過程中光振動平面旋轉(zhuǎn)方向就

26、會相反，總的旋轉(zhuǎn)矢量就為零。但在磁光效應(yīng)中，光振動平面旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向是沒有關(guān)系的，也就是說，如果光在某物質(zhì)中傳輸一段距離后又原路返回來，往返過程中光振動平面旋轉(zhuǎn)方向是相同的，因此總的旋轉(zhuǎn)矢量就為單向的兩倍?？偟膩碚f，旋光效應(yīng)具有互易性，而磁光效應(yīng)不具有這種性質(zhì)9。 下面，從理論公式上來進一步說明法拉第磁光效應(yīng)中各量之間的關(guān)系，線性偏振光在磁光材料中沿光軸傳播時，在與傳播方向同向的磁場作用下，光振動平面沿傳播方向的旋轉(zhuǎn)角度與磁場強度H的大小及光在物質(zhì)中傳播的距離L的關(guān)系如式 （2-3） 上式中,H為磁場強度，L為光在磁光材料中傳播的距離。V為磁光材料的維爾德常數(shù)（Verdet），其物理意義

27、為光振動平面在單位磁感應(yīng)強度作用下通過單位長度的旋轉(zhuǎn)角度，且它容易受到外界因素的影響，如：溫度、在其中傳播的光波波長等。所以，在使用磁光材料時要注意外界環(huán)境的溫度，且使用不同波長的光源時應(yīng)選取維爾德常數(shù)不同的材料10。 如果磁場強度是均勻的且線偏振光傳播方向與它的方向相互平行。則式(2-3)可以寫為如下形式： （2-4） 如果知道物質(zhì)的維爾德常數(shù)，測出偏振面旋轉(zhuǎn)角和物質(zhì)長度L，則可由公式(2-4)計算出外界磁場強度H。若磁場強度H是由電流I產(chǎn)生的，則通過畢-薩定律可求出I的大小。這就是法拉第效應(yīng)電流傳感器的原理11。2.3交流磁光調(diào)制根據(jù)馬呂斯定律，如果不計光損耗，則通過起偏器，經(jīng)檢偏器輸出的

28、光強為： （2-5） 式中，I0為起偏器的輸入光強。若在兩個偏振器之間加一個由調(diào)制線圈、磁光調(diào)制晶體和低頻信號源組成的交流調(diào)制器，則調(diào)制線圈所產(chǎn)生的正弦交變磁場 ，能夠使磁光 調(diào)制晶體產(chǎn)生的振動面轉(zhuǎn)角 ，稱為調(diào)制角幅度12。此時輸出光強為： （2-6） 由式（2-6）可知，當(dāng) 一定時，輸出光強 緊隨 變化，因為是受交變磁場H或信號電流 控制的，從而使信號電流產(chǎn)生的光振動面旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為強度調(diào)制，這就是磁光調(diào)制的基本原理。如圖2.2所示。根據(jù)倍角三角函數(shù)公式由式（2-6）得 （2-7） 當(dāng)=90°時，即起偏器和檢偏器偏振方向正交時，由式（2-6）知輸出的調(diào)制光強13： （2-8）圖2.2

29、 交流磁光調(diào)制示意圖第三章 基于溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測的液體濃度檢測技術(shù)基于法拉第磁光效應(yīng)原理，研究了溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測技術(shù)。利用該技術(shù)可以直接得到溶質(zhì)的維爾德常數(shù)與其濃度的關(guān)系，從而可以用于檢測含有順磁或抗磁溶質(zhì)的溶液濃度。3.1分離檢測系統(tǒng)設(shè)計 檢測系統(tǒng)設(shè)計如圖3.1所示14。6溶液PD信號調(diào)理器直流分量二倍頻分量計算機溶液H21H3478951.激光器，2.起偏器，3.容器及溶液，4.容器及溶劑，5.磁光調(diào)制器，6.檢偏器，7.PD，8.信號調(diào)理器，9.計算機圖3.1 溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測系統(tǒng) 激光器1 發(fā)出的激光經(jīng)過起偏器2后變?yōu)槠矫嫫窆夂笕肷渲寥萜?和4，容器3中產(chǎn)生的磁旋光

30、角度為溶質(zhì)、溶劑和容器三者之和，容器4 中產(chǎn)生的磁旋光角度為溶劑和容器兩者之和。由于3和4分別置于大小相等、方向相反的磁場中，根據(jù)磁光效應(yīng)原理，3和4中的容器和溶劑所產(chǎn)生的磁旋光角互相抵消，因此入射的線偏振光經(jīng)過3和4后總的磁旋光角度由3 中溶質(zhì)產(chǎn)生，達到分離檢測溶液中溶質(zhì)磁旋光角的目的。經(jīng)過4的線偏振光攜帶了溶質(zhì)的磁旋光角度再入射至交流磁光調(diào)制器5，通過檢偏器6后的光強由光電探測器7接收，光電探測器7 將得到的光強信號輸入至信號調(diào)理器8，信號調(diào)理器8分離出光強信號中的直流分量和二倍頻分量，分別輸入到計算機9，計算機9 將直流分量與二倍頻分量的有效值進行比較即可計算出溶質(zhì)的磁旋光角度。3.2系

31、統(tǒng)檢測性能分析 由圖1 可知，設(shè)經(jīng)過起偏器2 后的初始入射光強為I0，溶質(zhì)的磁旋光角度為，不考慮各光學(xué)表面的反射和光的吸收，光電探測器7 檢測到的光強為: (3-1)將式（3-1）用貝塞爾函數(shù)展開并考慮和0均較小，略去高次項得到: (3-2) 由式(3-2) 可得，是直流分量，是基頻分量，是倍頻分量，為了消除光源不穩(wěn)定性所帶來的影響以及消除光的吸收因素。將直流分量和倍頻分量的有效值相比較得到相對光強值( 均不考慮電路增益) : （3-3） 其中，0是調(diào)制角幅度，視為已知值，相對光強值可由計算機算出，根據(jù)式（3-3）可以得出值。再根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，=VHL(V為維爾德常數(shù)，H為磁場強度，L為樣

32、品光程)15，H和L皆可通過測量得到，從而計算出溶質(zhì)的維爾德常數(shù)V，從而分離檢測出溶質(zhì)的維爾德常數(shù)V。 0取0.050.2rad、取00.1rad，對式(3-3)進行仿真，如圖3.2所示。由圖3-2可見，相同時，0越小相對光強值I0越大。圖中最大光強值約為12.7。 圖3.2 相對光強變化曲面圖 對式(3-3)求導(dǎo)，得到系統(tǒng)檢測靈敏度公式: (3-4) 0取0.05-0.2rad，取0-0.1rad，對式（3-4）進行仿真，如圖3-3所示。由圖3可見，相同時，0越小，檢測靈敏度S越大。當(dāng)=0.1rad、0=0.05rad時，S最大約為226;當(dāng)=0.1 rad、0=0.2rad時，S約為14。

33、圖3.3 系統(tǒng)檢測靈敏度曲面圖 當(dāng)采用正交調(diào)制法時，設(shè)樣品旋光角為，初始入射光強為I0，則根據(jù)馬呂斯定律接收光強為I =I0 sin2I02，則角度檢測靈敏度為S2 = 2。定義本系統(tǒng)的檢測靈敏度與正交法檢測靈敏度之比為本系統(tǒng)檢測靈敏度放大倍數(shù)m，則: (3-5) 取0為0.05到0.2rad范圍內(nèi)，對式(3-5)進行仿真如圖4所示。由圖3.4可見，最小放大倍數(shù)為70.7，最大放大倍數(shù)為1100以上。圖3.4 系統(tǒng)檢測靈敏度放大倍數(shù)3.3分離檢測系統(tǒng)在液體濃度檢測中的應(yīng)用3.3.1檢測一種溶質(zhì)成分溶液濃度 對于只含有一種順磁性或抗磁性溶質(zhì)的透明溶液來說，可以配置幾種標(biāo)準(zhǔn)濃度的待測溶液，分別通過

34、本系統(tǒng)分離檢測不同濃度時溶質(zhì)的維爾德常數(shù)，再通過數(shù)據(jù)擬合得到溶質(zhì)維爾德常數(shù)與濃度之間的定標(biāo)關(guān)系(一般為:V(c，T)= c·k(，T) ，其中c、T 分別為溶質(zhì)的濃度、使用的光的波長和環(huán)境溫度) ，k (，T)為定標(biāo)系數(shù)。當(dāng)該溶質(zhì)溶于不同溶劑時，該定標(biāo)關(guān)系仍然成立。因此不管該溶質(zhì)溶于任何溶劑，只要利用本檢測系統(tǒng)對溶質(zhì)的維爾德常數(shù)進行分離檢測，將得到的溶質(zhì)的維爾德常數(shù)與已有的定標(biāo)關(guān)系進行比較，即可得到溶液的濃度。163.2.2檢測多種溶質(zhì)成分溶液濃度 結(jié)合順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)維爾德常數(shù)具有的色散特性，該分離檢測技術(shù)還可以用于檢測混合溶液的濃度。設(shè)溶液中含有n種抗磁性或順磁性溶質(zhì)，設(shè)第

35、n種溶質(zhì)的濃度為cn，則它的維爾德常數(shù)可表示為: ，其中Cn、m、T分別為第n種溶質(zhì)的濃度、使用的光的波長和環(huán)境溫度。kn(m，T) 為定標(biāo)系數(shù)，視為已知。 當(dāng)用m 種不同波長的光通過本系統(tǒng)測量得到的n種溶質(zhì)的總的維爾德常數(shù)可表示為: （3-6） 當(dāng)m=n時，式(3-6)為n元一次方程組，求解即可得到每種溶質(zhì)的濃度cn；式中“”號表示某種溶質(zhì)磁旋光方向與其它溶質(zhì)相反。3.4總結(jié) 基于磁光效應(yīng)原理，研究了溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測技術(shù)。該技術(shù)可以消除背景旋光的影響，直接得到溶質(zhì)的維爾德常數(shù)與濃度的之間的關(guān)系，該關(guān)系將適用于不同溶劑。利用該關(guān)系和順磁及抗磁溶質(zhì)維爾德常數(shù)的色散特性，可以檢測含有一種或多

36、種順磁及抗磁溶質(zhì)的溶液濃度。 第四章 溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測及其應(yīng)用研究 基于法拉第磁光效應(yīng)原理，設(shè)計了溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以消除溶劑和容器等背景旋光的影響，達到分離檢測溶質(zhì)維爾德常數(shù)的目的。根據(jù)溶質(zhì)維爾德常數(shù)與濃度之間的關(guān)系，研究了該技術(shù)在混合溶液濃度檢測中的應(yīng)用。4.1檢測系統(tǒng)原理 檢測系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，圖中，1為光源，采用激光器；2為偏振相關(guān)光隔離器，一是阻止反射光對光源的影響，二是用于產(chǎn)生線偏振光；3、4采用型號規(guī)格相同的偏振分束棱鏡(PBS)；5是施加的均勻直流磁場，磁場方向與入射光線方向一致；6為透明容器及溶液；7為透明容器及溶劑；8為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，用于校準(zhǔn)

37、初始入射光強(I01和I02)使之大小相等以及作為檢測所需參照物使用，采用維爾德常數(shù)已知的逆磁性磁光玻璃，它的維爾德常數(shù)較小，符合本文的近似要求，同時它的維爾德常數(shù)不受環(huán)境溫度影響15；6、7、8三部分構(gòu)成本系統(tǒng)工作物質(zhì)，放置順序如圖1 所示；9為螺旋升降旋鈕，用于調(diào)節(jié)6、7、8 三部分工作物質(zhì)上下移動；10 為全反射棱鏡，使入射光線原路返回；11、12 為型號規(guī)格相同的光電探測器，用于接收光強信號；13 為除法放大器，設(shè)放大倍數(shù)為，光電探測器11、12 的輸出端與除法放大器的輸入端相連，除法放大器用于比較光電探測器11、12 輸出光強的相對大小。圖4.1 溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測裝置 激光器1

38、發(fā)出的激光經(jīng)過光隔離器2 后為線偏振光，設(shè)此時光強為I0，入射至3(PBS)后分為p分量(振動方向平行于紙面)的透射光I01和s分量(振動方向垂直于紙面)的反射光I02，I01直接入射至工作物質(zhì)，I02入射至4(PBS)被全部反射后再入射至工作物質(zhì)。I01和I02作為線偏振光入射至工作物質(zhì)后在全反射鏡的作用下原路返回，由于磁旋光角的存在，它們分別產(chǎn)生了相應(yīng)的s分量的光和p分量的光，s分量的光和p分量的光分別攜帶了磁旋光角的信息被光電探測器11、12接收，最終由除法放大器顯示出最終結(jié)果。4.2檢測原理分析 如圖4.1所示，調(diào)節(jié)螺旋升降旋鈕9使工作物質(zhì)上升，使I01和I02同時入射至標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)8，在

39、全反射鏡的作用下光線沿原路返回，在不加磁場B時，光電探測器11、12沒有接收光強。施加磁場后，由于法拉第效應(yīng)，光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而光電探測器11、12 將有接收光強。設(shè)光線一次經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)后磁旋光角度為，則光線來回一周經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)后磁旋光角度為2，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的光強吸收系數(shù)為，則根據(jù)法拉第效應(yīng)及馬呂斯定律，光電探測器11 的接收光強為，光電探測器12的接收光強為 17。其中=VHL，V為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的維爾德常數(shù)，屬于物質(zhì)特性常數(shù)，可以反映法拉第效應(yīng)的強弱，取決于光的波長和色散關(guān)系，且非常接近該材料的吸收諧振。L 為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的厚度，H為磁場強度15。此時以激光器發(fā)出的光線為中心軸旋轉(zhuǎn)光隔離器2，即

40、改變光隔離器2 的透振方向與3(PBS)的透射光(p分量光)偏振方向之間的夾角(設(shè)為)，使除法放大器的讀數(shù)等于它本身的放大倍數(shù)，則根據(jù)除法放大器的工作原理可知，除法放大器的讀數(shù)為(·I2/I1)。此時有：I1=I2，即I01=I02，保證了兩束初始入射光強相等。 調(diào)節(jié)螺旋升降旋鈕9使工作物質(zhì)下降，使I02通過溶劑7，I01通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)8。設(shè)溶劑的光強吸收系數(shù)為溶劑，L為溶劑樣品的厚度，光線一次經(jīng)過溶劑時的磁旋光角度設(shè)為溶劑，則此時光電探測器12的接收光強為，光電探測器11的接收光強設(shè)為I標(biāo)準(zhǔn)，則。設(shè)此時除法放大器的讀數(shù)為a，由于I01=I02且考慮檢測系統(tǒng)中法拉第旋轉(zhuǎn)角較小符合小角度

41、近似條件，因此有： (4-1)則： (4-2) 設(shè)V溶劑為溶劑的維爾德常數(shù)，V為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的維爾德常數(shù)，則根據(jù)法拉第效應(yīng)原理有： (4-3) 調(diào)節(jié)螺旋升降旋鈕9 使工作物質(zhì)繼續(xù)下降，使I02通過溶液6， I01通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)8，設(shè)溶液的光強吸收系數(shù)為溶液，L 為溶液樣品的厚度，光線一次經(jīng)過溶液時的磁旋光角度設(shè)為溶液，此時光電探測器12 的接收光強為，光電探測器 11 的接收光強仍為，設(shè)此時除法放大器讀數(shù)為b，溶液的維爾德常數(shù)為V溶液，同理可得： (4-4)設(shè)溶質(zhì)的維爾德常數(shù)為V溶質(zhì)，則由式(4-3)和式(4-4)可得： (4-5) 在式(4-5)中，溶液、溶劑、L均為可測量量，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的維爾德常數(shù)

42、V為已知量，除法放大器的放大倍數(shù)也為已知量，則由檢測過程中前后兩次除法放大器的讀數(shù)a和b，即可求得溶質(zhì)的爾德常數(shù)，實現(xiàn)了溶質(zhì)維爾德常數(shù)的分離檢測；如果溶質(zhì)與溶劑的磁旋光方向相同，則(4-5)式中不需加絕對值，如果兩者磁旋光方向相反，則取其絕對值，式(4-5)則將兩種情況做了統(tǒng)一。如果溶液和溶劑的光強吸收系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相近，則由(4-5)式可知光強吸收項可以忽略。對于少部分溶質(zhì)旋轉(zhuǎn)角比較大的情況，不符合公式(4-1)中的小角度近似條件，則一是可以降低磁場以減小旋光角至滿足近似條件。二是可以不采用近似處理辦法直接將H 與L 的值帶入式(4-1)進行計算即可，本系統(tǒng)仍然有效。4.3系統(tǒng)檢測精度分析

43、設(shè)除法放大器的讀數(shù)精度為d，溶液或溶劑等待測物質(zhì)的磁旋光角度為，維爾德常數(shù)為V，光強吸收系數(shù)為，I1、I2分別為光電探測器11 和12 所接收的光強，樣品厚度均為L。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的磁旋光角為，維爾德常數(shù)為V，在磁場相同的情況下，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的磁旋光角不變，d的變化來自的變化，根據(jù)式(1)有： (4-6) 而忽略高次項2，則式(4-6)變?yōu)?(4-7) 則根據(jù)法拉第效應(yīng)原理，維爾德常數(shù)的檢測精度為 (4-8) 可見，維爾德常數(shù)的檢測精度與除法放大器的讀數(shù)精度成正比，與除法放大器的放大倍數(shù)成反比；同時，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的維爾德常數(shù)V越小精度越高，待測物質(zhì)(溶液或溶劑)的維爾德常數(shù)V 越大精度越高。4.4檢測系統(tǒng)誤

44、差分析 小角度近似處理誤差分析式(4-1)中采取了小角度近似計算，為溶液或溶劑等待測物質(zhì)的磁旋光角度，為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的磁旋光角度，由此產(chǎn)生的相對誤差S 定義為 (4-9) 根據(jù)式(4-9)得出仿真結(jié)果如圖4.2 所示。圖中和的取值范圍均設(shè)定為00.05 rad，圖形是對稱的，中間一條線對應(yīng)=的情況，此時相對誤差S=0。當(dāng)時，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)磁旋光角度一定時，溶液或溶劑的磁旋光角度 從0逐漸增加時，相對誤差先減?。划?dāng)=時，相對誤差為0；當(dāng)繼續(xù)增加時，相對誤差逐漸增加。當(dāng)溶液或溶劑的磁旋光角度一定時，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)磁旋光角度從0逐漸增加時，相對誤差先減小，當(dāng)=時，相對誤差為0，當(dāng)繼續(xù)增加時，相對誤差逐漸增加。但磁

45、旋光角在0.05rad范圍內(nèi)的最大相對誤差約為3.4×10-3(即0.34%)，磁旋光角越小相對誤差越小，實際檢測中可以根據(jù)精度的要求，通過控制磁場的大小來控制工作物質(zhì)磁旋光角的大小，使相對誤差達到檢測要求。圖4.2 小角度近似處理誤差分析4.5系統(tǒng)在混合溶液濃度檢測中的應(yīng)用 對于含有抗磁性或順磁性溶質(zhì)的溶液來說，在本系統(tǒng)分離檢測溶質(zhì)的維爾德常數(shù)后，可以根據(jù)溶質(zhì)維爾德常數(shù)和濃度之間的單調(diào)線性關(guān)系(一般為V = ck ，V 為溶質(zhì)的維爾德常數(shù)，c為濃度，k為定標(biāo)系數(shù))得出溶液的濃度；但本系統(tǒng)還可以結(jié)合抗磁性或順磁性溶質(zhì)維爾德常數(shù)的色散特性，理論上可以實現(xiàn)對含有多種溶質(zhì)成分的透明混合溶液

46、的濃度進行檢測。具體做法如下：設(shè)溶液中含有n 種溶質(zhì)，設(shè)第n種溶質(zhì)的濃度設(shè)為cn，則它的維爾德常數(shù)可表示為Vn（cn，T）=cnkn（,T），其中cn，T分別為第n種溶質(zhì)的濃度、使用的光的波長和環(huán)境溫度。kn（,T）為定標(biāo)系數(shù)，對于特定溶質(zhì)而言，可事先配置幾種標(biāo)準(zhǔn)濃度的溶液進行實驗測量定標(biāo)后得到。當(dāng)用m 種不同波長的光通過本系統(tǒng)測量得到的n 種溶質(zhì)的總的維爾德常數(shù)可表示為 (4-13) 當(dāng)m=n時，上式為n元一次方程組，求解即可得到每種溶質(zhì)的濃度cn；如果有某種溶質(zhì)磁旋光方向與其它溶質(zhì)相反，則在式（4-13）中只需將該溶質(zhì)維爾德常數(shù)項之前的“+”變?yōu)椤?”即可；如果實際檢測環(huán)境中需要考慮溫度影

47、響，則可以給樣品施加恒溫控制裝置。本方法最簡單的應(yīng)用場合是含有兩種溶質(zhì)的透明混合溶液。4.6結(jié) 論 設(shè)計的溶質(zhì)維爾德常數(shù)分離檢測系統(tǒng)，可以消除溶劑和容器等背景旋光的影響，達到了分離檢測溶質(zhì)維爾德常數(shù)的目的，為溶質(zhì)的相關(guān)物理、化學(xué)性質(zhì)的研究提供了幫助；同時對于順磁性或抗磁性的溶質(zhì)來說，還可以通過本系統(tǒng)測量得到溶質(zhì)的維爾德常數(shù)和濃度之間的對應(yīng)關(guān)系進而用于檢測溶液的濃度；并且可以檢測多種溶質(zhì)成分的透明混合溶液的濃度。結(jié)束語 基于磁光效應(yīng)的液體濃度檢測技術(shù)正經(jīng)歷著一個向?qū)嵱没l(fā)展的新階段.結(jié)果使得該技術(shù)從實驗室到實際工程應(yīng)用的距離不斷地縮小。該系統(tǒng)可以消除溶劑和容器等背景旋光的影響，達到分離檢測溶質(zhì)維

48、爾德常數(shù)的目的。這項技術(shù)從原理上克服了檢測精度，成本，污染的問題，是近年來人們研究的熱點技術(shù)，是傳統(tǒng)濃度檢測技術(shù)的未來替代品。采用磁光效應(yīng)傳感器測量液體濃度是近年來發(fā)展的新型技術(shù)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、精度高和無污染等優(yōu)點，是今后液體濃度檢測的主要發(fā)展方向。本人在前人研究的基礎(chǔ)上，做出了以下工作：1）指出了基于磁光效應(yīng)的液體濃度檢測技術(shù)在現(xiàn)實生活中的重要作用。分析了檢測系統(tǒng)多方面的優(yōu)點。點名了此論文的可行性和意義。2）用matlab軟件進行仿真，建立了濃度檢測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通過數(shù)值計算來模擬該系統(tǒng)。本課題的研究工作還可以從以下幾個方面做進一步的深入研究：光電探測器間的準(zhǔn)確通訊是確保數(shù)據(jù)信息的

49、實時完整精確關(guān)鍵；由于電力線中包含了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)及其他復(fù)雜形式的電流信息，因此要求系統(tǒng)的設(shè)計向數(shù)據(jù)處理高速化、功能集成化的方向發(fā)展。致 謝四年的大學(xué)生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。在這四年的求學(xué)生涯中師長、親友給與了我大力支持，在這個翠綠的季節(jié)我將邁開腳步走向遠方，懷念，思索，長長的問號一個個在求學(xué)的路途中被知識的舉手擊碎，而人生的思考才剛剛開始。感謝我教書育人的老師，我不是你們最出色的學(xué)生，而你們卻是我最尊敬的老師。大學(xué)時代的老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，

50、潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會了對待知識，走向社會的思考方式。感謝父母，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報；感謝同學(xué)在我遇到困境時向我伸出援助之手，同窗之誼我們社會再續(xù)；感謝這段時間對我?guī)椭o與關(guān)懷的叔叔，阿姨，是你們讓我看到了人間真情暖人心，激勵我時時刻刻努力，奮發(fā)向上，排除萬難勇往直前。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！ 本論文在沈驍老師的細(xì)心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下已完成，從課題選擇到具體構(gòu)思和內(nèi)容，無不凝聚著老師的心血和汗水，特備是老師嚴(yán)格的教學(xué)要求

51、和一絲不茍的工作精神，讓我非常敬佩。在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)和生活期間，也始終感受著導(dǎo)師的精心培養(yǎng)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。同時也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計的環(huán)境。最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。參考文獻：1 鄭詠梅,殷景志,張鐵強.利用彎曲光纖探頭檢測液體濃度J半導(dǎo)體光電,1997,10(5):336-338.2 Zhang S X,McBride R,Barton J S et al.Intrinsic optical fiber sensor for monitoring acoustic emissionJ.Sensors and Actuators,1992,31(3):110-114.3 孫選,徐可欣,艾長勝.一種聲電復(fù)合多元液體濃度傳感器的研制