CCD液体浓度在线测量系统研究+QuartusⅡ仿真(2)
1.2 液体折射率测量方法及总结
1.2.1 激光照射法
激光照射法是基于玻璃板上液体层表面的反射和液体的折射来测量折射率的一种方法实验装置如图1.1所示［2］，样品池里水平放置一块玻璃板，选用一激光器作为光源，以某一角度照射到玻璃板上，经玻璃板反射的光束照到对面垂直于地面的墙壁上,在墙上标出光斑的位置轻轻地将待测液体注入池内，在玻璃板上形成一个液体薄层此时，对面墙壁上将出现两个光斑，一个是入射光经液体折射、玻璃板反射和空气折射形成的光斑 ，另一个是液体表面反射光形成的光斑 。
图1.1 激光照射法实验装置图
利用几何知识, 很容易得到激光束入射角 ：
假设空气的折射率为, 根据Snell定律和几何关系, 可以得到液体折射率的计算公式为：
只要测出墙上几个光斑点之间的距离, 就可以计算出液体的折射率。
1.2.2 衍射光栅法
衍射光栅法是用立方体玻璃样品池、衍射光栅和激光来测量液体的折射率的方法。实验装置如图1.2所示［3］，一个透射光栅靠近玻璃池放置,激光束准直地照射到光栅上当玻璃池里未盛液体时（池里只有空气），零级衍射光束打在玻璃池后壁的A点，一级衍射光束打在C点，将这些点标记在池外贴的坐标纸上。往玻璃池内注入待测液体后, 一级衍射光束从空气进入待测液体时被折射，然后打在玻璃池后壁的B点，也将该点在坐标纸上标出。
图1.2 衍射光栅法实验装置图
衍射光栅的一级衍射光束遵从布拉格定律，有
其中d为光栅参数，λ为入射激光的波长，i为衍射角衍射光束入射到空气和液体的交界面时忽略玻璃池厚度对光束产生的侧移发生折射，折射角为r。假设空气的折射率为1，根据Snell定律，有
从图1.2可以看出， , ，AB和AC可以从玻璃池外壁的纸上测出，OB和OC可以在测出玻璃池的宽度L后，利用勾股定理计算出来。这样,液体的折射率计算公式就可以表示为［3］
1.2.3 光纤杨氏干涉法
单模光纤芯径小、传光性能好、光斑均匀，可提供一种理想的点光源［4］。光纤杨氏干涉法就是用光纤作为相干光源，实现杨氏干涉，获得条纹较宽、明亮的干涉图样，再通过测量条纹宽度获得液体的折射率。
该方法的测量装置如下所述［5］，将两根光纤的一端固定在容器侧面的中部，毛玻璃板与光纤轴垂直并与容器粘好。由He-Ne激光器发出的激光照射到两根单模保偏光纤中，由于两根光纤的端面在同一平面上，因此两根光纤同时接收来自同一波阵面上的光，耦合时光纤A端的光经光纤传递到另一端B，并以发散角 （ 为光纤数值孔径角）射出［4］。取两根光纤的长度相同，则从B 端射出的两束光的相位相同，这时B端的两根光纤端面相当于两个发光的圆孔。由于保偏光纤具有保持光的偏振方向恒定的特性［4］，所以当从两根光纤发出的光束具有相同的偏振方向时，就能够在毛玻璃上直接看到明暗相间的干涉条纹。
1.2.4 光纤光栅法
光纤传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等一系列优点，可以实现对多种物理量的测量，并且具有较高的精度［6］。将光纤传感器应用于物质折射率的测量，不仅可以达到较高精度，而且操作简单，可实现实时在线检测。
光纤光栅可分为布喇格光纤光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPG)。FBG的周期为几百纳米，主要特性是将某一频段的光反射回去，形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器。LPG的周期通常为几十到几百微米，主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件。研究表明：LPG对于温度、应力、外界折射率、光栅弯曲等参数的变化都有很高的响应灵敏度。当这些因素改变将引起纤芯和包层折射率以及纤芯和包层半径的变化，从而给光纤中的传输模式(导模和包层模的传播常数和模场分布)带来影响，从而也将改变光栅的周期。这将导致导模和包层模之间耦合的相位匹配波长及耦合系数改变，并终将表现为光栅吸收峰中心波长和强度的变化。因此，利用外界折射率变化与谐振峰中心波长移动量的对应关系，在未知环境中，就可以通过观察光栅谐振峰中心波长的移动来确定该环境折射率的改变，达到传感测量的目的。李志全等［7］长周期光纤光栅传感器浸入蔗糖溶液，溶液浓度变化时导致折射率变化，使光栅谱特性出现谐振双峰分离，通过测量谐振双峰分离的宽度，获得相应光栅外部溶液的折射率，从而获得蔗糖溶液的浓度。
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