一種利用光纖環(huán)形腔衰蕩測(cè)量旋光溶液濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于旋光溶液濃度測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用光纖環(huán)形腔衰蕩 測(cè)量旋光溶液濃度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前常利用旋光法對(duì)不同的旋光物質(zhì)進(jìn)行濃度測(cè)量，但市場(chǎng)上性價(jià)比高的高精度 旋光儀還不多見，由于旋光物質(zhì)的旋光率受光的波長(zhǎng)、溫度和溶液的濃度等影響，將嚴(yán)重導(dǎo) 致測(cè)量的誤差；且微小旋光計(jì)、旋光儀和便攜式旋光儀等測(cè)量工具雖不斷優(yōu)化，但測(cè)量精度 與體積仍難以匹配，其中有些儀器只適用于物理性實(shí)驗(yàn)方面，而相對(duì)精密且應(yīng)用廣泛的儀 器不僅對(duì)測(cè)量系統(tǒng)部件精度要求高，而且價(jià)格十分昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為解決利用旋光法測(cè)溶液濃度的精密度差、體積大和成本高等問題而提供 了一種利用光纖環(huán)形腔衰蕩測(cè)量旋光溶液濃度的方法，該方法通過分析光衰蕩波形實(shí)現(xiàn)對(duì) 多種類型旋光溶液濃度的測(cè)量。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種利用光纖環(huán)形腔衰蕩測(cè)量旋 光溶液濃度的方法，其特征在于：沿光線傳輸方向依次設(shè)有通過光纖相連的調(diào)幅激光器、起 偏器、光纖環(huán)形腔、檢偏器和光電探測(cè)器，其中調(diào)幅激光器通過線路與脈沖調(diào)制器相連，光 電探測(cè)器通過線路與數(shù)字信號(hào)處理器相連，光纖環(huán)形腔由第一光纖耦合器、第二光纖耦合 器、保偏光纖和樣品吸收池構(gòu)成，第一光纖耦合器與第二光纖耦合器之間設(shè)有并聯(lián)的光纖， 其中一側(cè)的光纖斷面上設(shè)有空隙微腔并且在該空隙微腔處設(shè)有樣品吸收池，另一側(cè)的光纖 上設(shè)有保偏光纖，首先樣品吸收池內(nèi)未加溶液時(shí)，讓調(diào)幅激光器經(jīng)起偏器和第一光纖耦合 器進(jìn)入光纖環(huán)形腔，再由第二光纖耦合器輸出，最后通過檢偏器和光電探測(cè)器測(cè)出光纖衰 蕩基準(zhǔn)波形。然后讓光纖偏振信號(hào)經(jīng)過不同濃度的旋光溶液，由于調(diào)幅激光器在光纖環(huán)形 腔中形成偏振光，當(dāng)偏振光經(jīng)過旋光溶液后產(chǎn)生旋光角度，此時(shí)光信號(hào)經(jīng)第二光纖耦合器 一部分輸出并記錄，另一部分繼續(xù)返回光纖環(huán)形腔，當(dāng)光再次經(jīng)過旋光溶液時(shí)會(huì)再次產(chǎn)生 旋光偏轉(zhuǎn)，輸出光強(qiáng)也隨之變化，多次循環(huán)后，直到光強(qiáng)信號(hào)衰減為零，由示波器實(shí)時(shí)觀察 對(duì)應(yīng)的衰蕩波形，觀察衰蕩波形的同時(shí)對(duì)輸出的模擬信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行參數(shù)采 集、存儲(chǔ)并處理。當(dāng)旋光溶液材料一定時(shí)，改變旋光溶液濃度得到不同的衰蕩輸出曲線和采 樣值，記錄不同種類旋光溶液不同濃度時(shí)的衰蕩輸出，由此得到衰蕩系數(shù)與被測(cè)旋光溶液 濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)溶液濃度的測(cè)量。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)研究了一種利用光纖環(huán)形腔衰蕩測(cè)量 旋光溶液濃度的方法；（2)靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類型尤其是低 濃度旋光溶液的精確測(cè)量；（3)測(cè)量過程簡(jiǎn)化，方便快捷，有效克服了傳統(tǒng)旋光溶液測(cè)量方 法中存在的繁瑣流程；（4)實(shí)驗(yàn)所需材料簡(jiǎn)單，大大降低實(shí)驗(yàn)成本。
【附圖說明】
[0006] 圖1是本發(fā)明的光路原理圖。
[0007] 圖面說明：1、脈沖調(diào)制器，2、調(diào)幅激光器，3、起偏器，4、第一光纖耦合器，5、樣品吸 收池，6、第二光纖耦合器，7、檢偏器，8、光電探測(cè)器，9、數(shù)字信號(hào)處理器，10、保偏光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體內(nèi)容。一種利用光纖環(huán)形腔衰蕩測(cè)量旋光溶液濃 度的方法，沿光線傳輸方向依次設(shè)有通過光纖相連的調(diào)幅激光器2、起偏器3、光纖環(huán)形腔、 檢偏器7和光電探測(cè)器8,其中調(diào)幅激光器2通過線路與脈沖調(diào)制器1相連，光電探測(cè)器8 通過線路與數(shù)字信號(hào)處理器9相連，光纖環(huán)形腔由第一光纖耦合器4、第二光纖耦合器6、保 偏光纖10和樣品吸收池5構(gòu)成，第一光纖耦合器4與第二光纖耦合器6之間設(shè)有并聯(lián)的光 纖，其中一側(cè)的光纖斷面上設(shè)有空隙微腔并且在該空隙微腔處設(shè)有樣品吸收池5,另一側(cè)的 光纖上設(shè)有保偏光纖10。下面簡(jiǎn)要來說明【具體實(shí)施方式】。
[0009] (1)光纖環(huán)形腔衰蕩系統(tǒng) 由脈沖調(diào)制器、調(diào)幅激光器、起偏器、檢偏器、光纖耦合器、樣品吸收池、光電探測(cè)器和 數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成光纖環(huán)形腔衰蕩旋光溶液濃度測(cè)量系統(tǒng)。
[0010] (2)光纖彎曲損耗及溶液濃度測(cè)量 首先樣品吸收池內(nèi)未加溶液時(shí)，讓調(diào)幅激光器經(jīng)起偏器和第一光纖耦合器進(jìn)入光纖環(huán) 形腔，再由第二光纖耦合器輸出，最后通過檢偏器和光電探測(cè)器測(cè)出由于光纖彎曲的衰蕩 基準(zhǔn)波形，然后讓光纖偏振信號(hào)經(jīng)過不同濃度的旋光溶液，由于調(diào)幅激光器在光纖環(huán)形腔 中形成偏振光，當(dāng)偏振光經(jīng)過旋光溶液后產(chǎn)生旋光角度，此時(shí)光信號(hào)經(jīng)光纖親合器一部分 輸出并記錄，另一部分繼續(xù)返回光纖環(huán)形腔，當(dāng)光再次經(jīng)過旋光溶液時(shí)會(huì)再次產(chǎn)生旋光偏 轉(zhuǎn)，輸出光強(qiáng)也隨之變化，多次循環(huán)后，直到光強(qiáng)信號(hào)衰減為零，由示波器實(shí)時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的 衰蕩波形。
[0011] (3)數(shù)據(jù)采集和處理 觀察衰蕩波形的同時(shí)，對(duì)輸出的模擬信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行參數(shù)采集、存儲(chǔ)并處 理，當(dāng)旋光溶液材料一定時(shí)，改變旋光溶液濃度得到不同的衰蕩輸出曲線和采樣值，記錄不 同種類旋光溶液不同濃度時(shí)的衰蕩輸出得到衰蕩系數(shù)與被測(cè)旋光溶液濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系從 而實(shí)現(xiàn)待測(cè)溶液濃度的測(cè)量。
[0012] 如圖1所示，偏振的光信號(hào)從第一光纖耦合器進(jìn)入光纖環(huán)形腔，其在光纖環(huán)形腔 中經(jīng)歷的損耗包括固有損耗和非固有損耗，固有損耗A包括光纖的吸收損耗和色散損耗以 及兩個(gè)耦合器的插入損耗，表示為：
式（1)中@和I分別為與波長(zhǎng)相關(guān)的吸收系數(shù)和色散系數(shù)，L為光纖的長(zhǎng)度，E為兩個(gè) 光纖耦合器總的插入損耗。非固有損耗B是由樣品吸收池引起的，包括插入損耗和樣品吸 收池的色散損耗，表示為：
式（2)中&.表示樣品吸收池的插入損耗，議.:表示根據(jù)比爾-郎伯定律樣品吸收池 的損耗，〇為樣品吸收池長(zhǎng)度，s為消光系數(shù)，C為樣品吸收池內(nèi)溶液濃度。
[0013] 兩偏振片保持平行時(shí)，光電探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)最強(qiáng)，記錄此時(shí)刻為初始時(shí)刻。脈 沖光經(jīng)耦合器耦合入光纖環(huán)形腔，沿著環(huán)可以繞行很多圈，每繞一圈，因樣品吸收池、耦合 器和光纖等的光損耗，以及偏振溶液使偏振光產(chǎn)生偏振角，由探測(cè)器探測(cè)光的強(qiáng)度隨著時(shí) 間不斷減小，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析可知光在光纖環(huán)形腔中傳輸時(shí)，光強(qiáng)I的分布規(guī)律為： M；：：..
... 式（3)中|β:為初始時(shí)刻光電探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)的99倍，I為t = d-i )了時(shí)光 電探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)理論值，fe為光在光纖中的傳輸速度，L為光纖環(huán)長(zhǎng)度，T為光在衰 蕩腔中旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間，Θ為旋光溶液產(chǎn)生的旋光角。
[0014] 旋光溶液的濃度c與旋光角e的關(guān)系為：
其中C為溶液濃度，J表示透過旋光溶液的厚度，表示旋光率。通過分析衰蕩曲線 與旋光角θ的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終可以測(cè)量出旋光溶液的濃度c。
[0015] 本發(fā)明通過光纖環(huán)形腔衰蕩結(jié)構(gòu)，偏振的光信號(hào)經(jīng)過旋光溶液產(chǎn)生旋光角，輸出 的光強(qiáng)發(fā)生改變，然后通過分析不同濃度的旋光溶液下相應(yīng)的輸出光強(qiáng)衰蕩曲線，來測(cè)量 旋光溶液濃度，光纖環(huán)形腔衰蕩結(jié)構(gòu)靈敏度高，測(cè)量結(jié)果免受光源強(qiáng)度起伏影響。
[0016] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理，主要特征和優(yōu)點(diǎn)，在不脫離本發(fā)明精神和 范圍的前提下，本發(fā)明還有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的 范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用光纖環(huán)形腔衰蕩測(cè)量旋光溶液濃度的方法，其特征在于：沿光線傳輸方向 依次設(shè)有通過光纖相連的調(diào)幅激光器、起偏器、光纖環(huán)形腔、檢偏器和光電探測(cè)器，其中調(diào) 幅激光器通過線路與脈沖調(diào)制器相連，光電探測(cè)器通過線路與數(shù)字信號(hào)處理器相連，光纖 環(huán)形腔由第一光纖親合器、第二光纖親合器、保偏光纖和樣品吸收池構(gòu)成，第一光纖親合器 與第二光纖耦合器之間設(shè)有并聯(lián)的光纖，其中一側(cè)的光纖斷面上設(shè)有空隙微腔并且在該空 隙微腔處設(shè)有樣品吸收池，另一側(cè)的光纖上設(shè)有保偏光纖，首先樣品吸收池內(nèi)未加溶液時(shí)， 讓調(diào)幅激光器經(jīng)起偏器和第一光纖耦合器進(jìn)入光纖環(huán)形腔，再由第二光纖耦合器輸出，最 后通過檢偏器和光電探測(cè)器測(cè)出光纖衰蕩基準(zhǔn)波形，然后讓光纖偏振信號(hào)經(jīng)過不同濃度的 旋光溶液，由于調(diào)幅激光器在光纖環(huán)形腔中形成偏振光，當(dāng)偏振光經(jīng)過旋光溶液后產(chǎn)生旋 光角度，此時(shí)光信號(hào)經(jīng)第二光纖耦合器一部分輸出并記錄，另一部分繼續(xù)返回光纖環(huán)形腔， 當(dāng)光再次經(jīng)過旋光溶液時(shí)會(huì)再次產(chǎn)生旋光偏轉(zhuǎn)，輸出光強(qiáng)也隨之變化，多次循環(huán)后，直到光 強(qiáng)信號(hào)衰減為零，由示波器實(shí)時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的衰蕩波形，觀察衰蕩波形的同時(shí)對(duì)輸出的模擬 信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行參數(shù)采集、存儲(chǔ)并處理，當(dāng)旋光溶液材料一定時(shí)，改變旋光溶液 濃度得到不同的衰蕩輸出曲線和采樣值，記錄不同種類旋光溶液不同濃度時(shí)的衰蕩輸出， 由此得到衰蕩系數(shù)與被測(cè)旋光溶液濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)溶液濃度的測(cè)量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用光纖環(huán)形腔衰蕩測(cè)量旋光溶液濃度的方法，首先衰蕩腔內(nèi)未加溶液時(shí)，讓調(diào)幅激光器經(jīng)起偏器和第一光纖耦合器進(jìn)入光纖環(huán)形腔，再由第二光纖耦合器輸出，通過檢偏器和光電探測(cè)器測(cè)出光纖衰蕩基準(zhǔn)波形。然后讓光纖偏振信號(hào)經(jīng)過不同濃度的旋光溶液，當(dāng)偏振光經(jīng)過旋光溶液后產(chǎn)生旋光角度，此時(shí)光信號(hào)經(jīng)光纖耦合器一部分輸出并記錄，另一部分繼續(xù)返回光纖環(huán)形腔，當(dāng)光再次經(jīng)過旋光溶液時(shí)會(huì)再次產(chǎn)生旋光偏轉(zhuǎn)，輸出光強(qiáng)也隨之變化，多次循環(huán)后，直到光強(qiáng)信號(hào)衰減為零，由示波器實(shí)時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的衰蕩波形。本發(fā)明靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類型尤其是低濃度旋光溶液的精確測(cè)量。
【IPC分類】G01N21/21
【公開號(hào)】CN105092481
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510551637
【發(fā)明人】王芳, 楊琳琳, 王旭, 于坤, 孫云娟, 劉玉芳
【申請(qǐng)人】河南師范大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年9月2日