本文選題：菲涅爾公式 + 偏振分束器��； 參考：《中北大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：濃度是在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中用來表征介質(zhì)液體特性的一個重要的特性參數(shù)。在眾多領(lǐng)域中都需要精準(zhǔn)的測量溶液的濃度或者折射率,比如基礎(chǔ)研究、化工領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)診斷、食品制造,環(huán)境保護(hù)等方面。目前,已經(jīng)有很多測量濃度的方法,應(yīng)用較多物理實(shí)驗(yàn)方法主要是比重法,光學(xué)方法有衍射光柵法,楊氏干涉法、掠面入射法等。因?yàn)楸粶y液體物質(zhì)的性質(zhì)不容易被光學(xué)方法改變,所以用光學(xué)方法測量液體折射率,再通過折射率與濃度之間的關(guān)系測量溶液濃度,是現(xiàn)階段測量溶液濃度的流行趨勢,與化學(xué)方法相比,應(yīng)用越來越廣泛。尤其,近年來涌現(xiàn)了一大批運(yùn)用光學(xué)手段檢測液體折射率的新方法,例如光波導(dǎo)多模干涉法、等離子共振法、共焦球面F-P干涉法,以及基于SPR光纖傳感的方法。本設(shè)計通過推導(dǎo)溶液濃度和折射率的關(guān)系,引入了“壓差比”的概念,采用光調(diào)制的方法制成了光纖傳感溶液濃度測量系統(tǒng)來測量溶液濃度。本文內(nèi)容涵蓋溶液濃度測量系統(tǒng)的理論推導(dǎo),流程設(shè)計,關(guān)鍵器件選型,系統(tǒng)的設(shè)計、搭建和調(diào)試。首先,介紹了測量溶液濃度的課題背景和意義,溶液濃度檢測的常用物理實(shí)驗(yàn)法,傳感器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,溶液濃度檢測方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,以及本課題的實(shí)驗(yàn)來源和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,最終確定了本系統(tǒng)采用線偏振光基于保偏光纖測量溶液濃度的方法。其次,從光與物質(zhì)的相互作用關(guān)系出發(fā),根據(jù)洛倫茲的電子論、麥克斯韋關(guān)系和朗伯定律,建立起溶液在一定濃度范圍內(nèi)與折射率成線性關(guān)系的理論模型;詳細(xì)論述了菲涅耳公式,并對s光和p光的反射率折射率分量進(jìn)行了對比分析。以本文設(shè)計的基于光纖傳感的溶液濃度測量系統(tǒng)為基礎(chǔ),引入“壓差比”的概念,從理論上推導(dǎo)得出了液體折射率與壓差比的對應(yīng)關(guān)系。然后,提出了基于光纖傳感的溶液濃度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,并詳細(xì)介紹了關(guān)鍵元器件的選型和工藝流程的設(shè)計。在光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際測量中,存在一些影響測量精度的因素,比如光源的不穩(wěn)定因素、光纖耦合的損耗、光電轉(zhuǎn)換過程中的電路噪聲等,會影響液體折射率的測量結(jié)果。為了消除這些影響因素的不良影響,在本系統(tǒng)中添加了關(guān)鍵技術(shù)用于優(yōu)化測量。再次,介紹的是溶液濃度測量系統(tǒng)信息處理部分的開發(fā),從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸這三個方面進(jìn)行了闡述,描述了需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并對其進(jìn)行技術(shù)選型和方案討論。最后,對本系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果的對比分析,證明了本系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性,總結(jié)和展望了溶液濃度測量系統(tǒng)運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和前景。
[Abstract]:Concentration is an important characteristic parameter used to characterize the liquid properties of medium in daily life and industrial production. It is necessary to measure the concentration or refractive index of the solution accurately in many fields, such as basic research, chemical industry, medical diagnosis, food manufacture, environmental protection and so on. At present, there are many methods to measure the concentration. The main physical experimental methods are the specific gravity method, the optical methods are diffraction grating method, the Young's interferometry method, the grazing surface incidence method and so on. Because the properties of the liquid matter under test are not easily changed by optical methods, it is a popular trend to measure the concentration of the solution by measuring the refractive index of the liquid by the optical method, and then measuring the concentration of the solution by the relationship between the refractive index and the concentration. Compared with chemical method, it is more and more widely used. In particular, in recent years, a large number of new optical methods for measuring liquid refractive index have emerged, such as optical waveguide multimode interferometry, plasmon resonance method, confocal spherical F-P interferometry, and SPR based optical fiber sensing methods. By deducing the relationship between solution concentration and refractive index, the concept of "pressure difference ratio" is introduced, and the optical fiber sensing solution concentration measurement system is developed by using light modulation method to measure solution concentration. This paper covers the theoretical derivation, flow design, key device selection, system design, construction and debugging of the solution concentration measurement system. Firstly, it introduces the background and significance of measuring solution concentration, the common physical experiment method of solution concentration measurement, the research status of sensor at home and abroad, the research status of solution concentration measurement method at home and abroad. Finally, the method of measuring solution concentration by linear polarized light based on polarization-maintaining fiber is determined. Secondly, according to Lorentz's electron theory, Maxwell's relation and Lambert's law, the theoretical model of the linear relationship between the refractive index and the solution in a certain concentration range is established. The Fresnel formula is discussed in detail, and the reflectivity refractive index components of s light and p light are compared and analyzed. Based on the solution concentration measurement system based on optical fiber sensor, the concept of "pressure difference ratio" is introduced, and the corresponding relationship between liquid refractive index and pressure difference ratio is deduced theoretically. Then, the overall design scheme of solution concentration measurement system based on optical fiber sensor is proposed, and the selection of key components and the design of technological process are introduced in detail. In order to eliminate the adverse effects of these factors, key techniques are added to the system to optimize measurement. Thirdly, this paper introduces the development of the information processing part of the solution concentration measurement system. It expounds the data collection, data processing and data transmission, describes the data to be transmitted, and discusses its technical selection and scheme. Finally, the system is simulated and experimented. The feasibility and accuracy of the system are proved by comparing the experimental results with the theoretical results. The application and prospect of the solution concentration measurement system in industrial production are summarized and prospected.
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN253

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2077357