磁光效应液体浓度检测

南京邮电大学毕业设计（论文）题目基于磁光效应的液体浓度检测技术专业信息工程学生姓名陆俊峰班级学号10000223指导教师沈骁指导单位南京邮电大学光电工程学院日期：2013年11月25日至2014年6月10日毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。论文作者签名：陆俊峰日期：2014年6月1日摘要随着基础研究、化学分析、生物医药等众多工业技术的飞速发展，法拉第效应在近代科学技术中有着日益广泛的应用，如单通光闸、光调制器、磁场传感器和电流传感器等。法拉第磁光效应广泛存在于固体、液体和气体物质中，该效应可用来分析多种碳氢化合物的磁致旋光特性。其中反映法拉第效应强弱的直接指标是物质的维尔德常数。一般固体材料维尔德常数的测量技术比较成熟；但是对于溶液中溶质维尔德常数的测量却比较困难，因为检测系统中存在容器及溶剂等背景旋光的影响。对于含有顺磁性或抗磁性溶质的溶液，可以利用法拉第效应检测溶液的浓度；一般可以根据该溶液的维尔德常数与浓度之间的单调关系去测量未知浓度的该溶液。本文提出利用法拉第磁光效应检测液体浓度，采取两种检测方案，对溶质维尔德常数进行分离检测，得到该溶质维尔德常数与溶质浓度之间的单调关系，利用该关系可以设计检测系统对溶质浓度进行检测。如果结合维尔德常数的色散特性，利用不同波长的入射光进行检测，实现了混合溶液浓度的检测。关键字：磁光学；溶液浓度检测；交流磁光调制；法拉第效应；维尔德常数ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofbasicresearch,chemicalanalysis,biomedicine,andmanyotherindustrialtechnologies,theFaradayeffecthasincreasinglywiderangeofapplicationsinmodernscienceandtechnology,suchassingle-passopticalshutter,opticalmodulators,magneticfieldsensorsandcurrentsensors.Faradayeffectiswidelypresentinthesolid,liquidandgaseousmaterials,themagnetoresistiveeffectisusedtoanalyzeopticalpropertiesofavarietyofhydrocarbons.ThedirectindicatorofthestrengthoftheFaradayeffectisVerdetconstantmaterial.GeneralsolidmaterialVerdetconstantmeasurementtechnologyisrelativelymature;ButforthesolutionofthesoluteVerdetconstantmeasurementismoredifficult,becausethecontainerandsolventeffectsofthepresenceofbackgroundopticaldetectionsystem.ForthesolutioncontainingaparamagneticordiamagneticsoluteconcentrationoftheFaradayeffectcanbedetectedusingasolution;generallyknowntomeasuretheconcentrationofthesolutioninaccordancewiththeVerdetconstantmonotonicrelationshipbetweentheconcentrationofthesolution.Inthispaper,theuseofliquidconcentrationdetectionFaradayeffect,taketwodetectionscheme,theseparationofsolutesVerdetconstanttesting,getmonotonousrelationshipbetweenthesoluteandsoluteconcentrationVerdetconstantbetweentheuseofthisrelationshipcanbedesignedtodetectsystemsoluteconcentrationdetection.IfthedispersioncharacteristicsoftheVerdetconstantofthecombineduseofdifferentwavelengthsofincidentlightisdetected,themixedsolutiontoachieveaconcentrationdetection.Keywords:magneto-optics;solutionconcentrationdetection;ACmagneto-opticalmodulation;Faradayeffect;Verdetconstant目录第一章绪论……………………………………………………………11.1课题研究背景……………………………………………………………………11.2课题发展现状……………………………………………………………………11.3本论文的主要工作………………………………………………………………6第二章磁光效应的理论基础与应用…………………………………72.1光的偏振………………………………………………………………………72.2磁光效应………………………………………………………………………82.3交流磁光调制…………………………………………………………………11第三章基于溶质维尔德常数分离检测的溶液浓度检测技术………123.1分离检测系统设计……………………………………………………………123.2系统检测性能分析……………………………………………………………123.3分离检测系统在液体浓度检测中的应用…………………………………153.4总结……………………………………………………………………………16第四章溶质维尔德常数分离检测及其应用研究……………………174.1检测系统原理…………………………………………………………………174.2检测原理分析…………………………………………………………………184.3系统检测精度分析……………………………………………………………194.4检测系统误差分析……………………………………………………………204.5系统在混合溶液浓度检测中的应用…………………………………………214.6结论……………………………………………………………………………22结束语……………………………………………………………………23致谢………………………………………………………………………24参考………………………………………………………………………25南京邮电大学通达学院2014届本科生毕业设计（论文）1第一章绪论1.1课题研究背景一束平面偏振光通过处于通电螺旋管磁场中的物质时，振动面发生旋转，这个磁致旋光现象是法拉第于1846年发现的，故称法拉第效应。法拉第效应的内在机理是：当物质处于外磁场中时，原子或分子由于受到洛伦兹力的作用产生拉莫尔旋进而引起的。它的发现对人类揭示光和电磁之间的内在联系有着极其重要的意义。法拉第效应在近代科学技术中有着日益广泛的应用，如单通光闸、光调制器、磁场传感器和电流传感器等。随着基础研究、化学分析、生物医药等众多工业技术的飞速发展，关于溶液浓度检测技术的研究愈加深入。基于光学原理的液体浓度检测技术主要有光学干涉法、光纤传感法、光栅法、光强吸收法、旋光法等，而用磁光学检测液体浓度的技术目前只有一些初步的研究。以上方法一般是检测单一成分溶液的浓度，而利用光学方法来实现混合溶液浓度的检测较少见。本文提出利用法拉第磁光效应检测液体浓度，关键技术是对溶质维尔德常数进行分离检测，得到该溶质维尔德常数与溶质浓度之间的单调关系，利用该关系可以对溶液浓度进行检测。如果结合维尔德常数的色散特性，利用不同波长的入射光进行检测，则可以实现混合溶液浓度的检测。1.2课题发展现状液体浓度检测方法主要有：成像法、电学法、法拉第方法、反射法、光强吸收法、光束偏移折射率法、光纤折射率法、混合液体检测、声学法、液芯波导折射率法、折射率干涉法。1.光纤折射率法[1]在一些工业领域，如石油、化工、冶金等行业，对于易燃、易腐蚀液体浓度的测量不宜采用电导探头法和光学干涉法等。光在光纤中稳定传输满足全反射条件，即入射角（θ）大于临界角（θ'）。当光纤弯曲时，部分光线因入射角（θ'）小于θc而通过界面透射出去，如图1所示。若将光纤绕成一定直径的螺线管状，传输光线将连续发生透射，导致传感光强的衰减。对给定的光纤材料出、入光强(I、I0)之间有如下关系[2]00exp[(r)]IIn(1-1)式中，α是衰减系数，它同光纤弯曲半径(r)、入射光波长(λ)、包层折射率(n2)有关；l是弯曲光纤的长度。南京邮电大学通达学院2014届本科生毕业设计（论文）2图1.1光纤弯曲损耗示意图如果将光纤包层去掉，并浸入检测液体中，则n2代表液体折射率。在保持λ，r，l不变的条件下，光强的变化与液体的折射率变化，即与液体浓度(C)变化相关。2.混合液体检测[3]超声波在液体中传播，由于液体介质性质的不同，超声波在液体中传播的速度、声强衰减程度以及介质的辐射声阻抗等都将发生变化。尤其象声速、声强衰减的变化与液体成分及其浓度在一定范围内有着密切的关系。另外，液体的电导率也会因液体成分及其浓度的不同而不同。因此，我们可以通过测定液体的声速、衰减系数、电导率来间接测定液体成分浓度。10log(MHz)L(cm)inoutIfI(1-2)式中:α：超声衰减系数；f：超声波振荡频率；Iin：发射端激励电压幅值；Iout：接收端信号电压幅值；L：声程。电导率测量是将来自两个电极的信号，接入运算放大器，测量放大器的输出电压后，由式(1-3)计算得到。/KrVDVSRF(1-3)式中：σ：混合液体电导率；K：电极常数；RF：运算放大器的反馈电阻；VS：信号源电压；γ：检波因子；VO：运算放大器输出电压。3.液芯波导折射率法[4]利用光电的方法测量溶液浓度，实际上是利用了溶液浓度与折射率的单值关系。很显然，只间接地测出待测溶液的折射率，其浓度值就可确定。溶液折射率测量如图所示，折射率为no的光波导管置于折射率为n的待测液中，光源通过光学系统使光束射到光波导的入射端面中心，光波导出射端面的辐射能量为：2200()2(0)[1,])/2(1nEnPnn(1-4)南京邮电大学通达学院2014届本科生毕业设计（论文）3图2.2溶液折射率测量式中，P(o)为入射辐射光强。若P(o)=常数，溶液浓度改变时(即n改变),探测器探测到的光能量E(no,n)将随而变，经光电转换输出电信号。后置电路处理后，显示电路直接显示溶液浓度值。4.折射率干涉法[5]利用光学中的干涉法进行物理量的测量是已知的最灵敏的测量技术之一，通过光的干涉不能直接测量的物理量的变化变为可测的稳定的图样，通过检测干涉条纹的变化，实现对待测的物理量的测量及跟踪。图3F2P腔干涉原理图He2Ne激光束经耦合器和单模光纤入射到F2P腔上，待测液体自上而下流过F2P腔。图3.3为F2P腔工作原理示意图，以一定倾角射入到F2P腔上的光束，在两反射平面间进行多次反射，其透射光形成多光束等倾干涉，经过凸透镜会聚后，在焦平面上形成的干涉图样是一组同