光纤光栅ph值检测系统的研究【字数：11757】
pH是指溶液中氢离子的总数占总物质的量的比，即氢离子浓度指数。氢离子浓度指数是水溶液中最重要的理化参数之一，衡量着溶液的酸碱度，影响着物理，化学和生物反应。因此，在生活中的诸多领域中，检测pH值具有重要意义，例如气象，环保，医学等等。传统的pH测量使用pH指示剂，pH试纸，pH计；pH计可以精确到小数点后两位。光纤光栅的抗干扰性能正在成为巨大的优势，使它成为传感器领域的应用主流，光纤光栅的优势完全取代了传统测量的不足。鉴于pH值检测的需求，根据光纤光栅传感技术的特点，水凝胶涂覆的光纤布拉格光栅传感器被研制出来，它主要由pH敏感型水凝胶和增敏配件构成。通过实验测试，本论文中制作的光纤布拉格光栅pH值传感器可以测量pH值范围为2至8。
目录
1.绪论 1
1.1前言 1
1.2光纤光栅pH感器的研究意义及现状 2
1.2.1pH传感器研究意义 2
1.2.2光纤光栅pH传感器研究现状 3
2.光纤光栅pH传感器原理 5
2.1光纤结构与传输原理 5
2.2光纤布拉格光栅传感器的基本原理 6
3.水凝胶的成分配制及特性分析 8
3.1水凝胶简介 8
3.1.1水凝胶分类 8
3.1.2水凝胶的应用 8
3.2pH敏感性水凝胶 9
3.2.1pH敏感性水凝胶的成分及配制 9
3.2.2pH敏感性水凝胶特性分析 12
3.3水凝胶光纤布拉格光栅传感原理分析 13
4.光纤布拉格光栅pH传感器的制作 15
4.1 pH传感器的结构 15
4.2光纤布拉格光栅的制作 15
4.3 pH传感器的制作 16
5.光纤布拉格光栅pH传感器测试实验与结果分析 19
5.1 标准缓冲溶液的制作 19
5.2 实验平台的搭建 20
5.3 实验结果分析 22
结束语 25
参考文献 26
致谢 28
1.绪论
1.1前言
光纤光栅是一种无源器件，它在光纤中制作而成，在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
光纤中通过轴向调制光纤纤芯的折射率，使其呈周期性分布，它便能够反射或损耗一定带宽的光。由于光纤光栅具有体积小，成本低，不受电磁干扰，焊接损耗小，与光纤完全兼容，可以嵌入智能材料等一系列优点使特别适用于辐射性强，腐蚀性大和危险性大的环境中；光纤光栅的谐振波长对温度，应变，折射率，浓度等外部环境变化敏感的优点，使它成为性能优良的敏感元件并在光纤通信和传感领域也有非常广泛的应用[2]。
光纤光栅特性各异，类型繁杂，分类方式多种多样，可以从光纤光栅的周期，写入方法和相位等方面进行归纳总结。例如：按照周期分类，可以分为短周期光纤光栅（周期小于1微米）和长周期光纤光栅（周期为几十到几百微米）；根据光纤光栅波导结构的不同也可以分类，根据光纤光栅的形成机理可以分为以下两类：利用光敏性形成的和利用弹光效应形成的。相比较于光纤传感器，光纤光栅在传感领域有很多优点，如下：
1、抗电磁干扰。
2、电绝缘性能好，安全可靠
3、耐腐蚀，化学性能稳定，可在恶劣环境中使用。
4、可以大规模低成本生产，商用价值高，可以形成较好的市场竞争力。
5、传输容量大。
6、测量范围广[3]。
可以采用光纤传感器中广泛使用的技术，比如波分复用，空分复用，时分复用等技术，采用这些技术后可以大范围测量，而且测量信号不受光源变化的影响，不会有弯曲损耗和连接损耗，结合以上诸多优点，所以本文采用光纤布拉格光栅研究pH传感器。
1.2光纤光栅pH感器的研究意义及现状
1.2.1pH传感器研究意义
在环保，物理，化学，医疗，气象等领域pH值的检测具有十分重要的意义，近年来，中国很多地区频发雾霾污染问题，PM2.5随之成为众矢之的，令人谈之色变。于此同时，雾霾天气所引发的一系列安全问题得到了社会各界的关注，百姓期待着这一问题尽快被处理，期待着早日战胜雾霾，盼望着蓝天白云。 其中，与PM2.5一样具有极大危害的有毒气体二氧化硫等酸性气体也引发了一系列环境安全问题，它们所形成的酸雨正在侵蚀着地球。虽然在正常情况下，正常的雨水呈现一定的酸性或者是碱性，但是酸雨造成的酸碱度和自然形成的不同，它含有许多有毒物质，对生态系统，建筑设施和人体健康都有巨大的危害。酸雨的问题越来越突出，中国已经成为第三大酸雨区其受灾程度也仅次于欧洲和北美洲。酸雨侵蚀建筑物和工业设备，破坏文明古迹，破坏森林，导致鱼虾死亡等等。如图 1.1所示为酸雨产生的危害。
图 1.1酸雨产生的危害
大气中含有的大量酸性气体是造成酸雨的主要原因之一，酸性气体有巨大的危害。在我国，酸雨构成的主要因素还是由于大量燃烧煤炭，尤其是含硫量高的煤，不经脱硫处理直接燃烧，这些主要是产生了硫酸雨。另外，经济迅猛发展，各种机动车排放的尾气也是主要原因。酸雨对人类和地球的危害引起了人们密切关注，各行各业人士都在为减轻酸雨的危害做贡献。在环保和气象领域，检测pH值至关重要，传统的pH测量方法缺点显而易见，测量溶液时响应时间慢，可能会表现出不稳定的状态，测量精度较差，但是也有精度比较好的pH计可以使用，但价格昂贵，普及度达不到要求[4]。由于大多数精密分析仪器结构复杂，无法对目标物实现有效地实时监测功能，抗干扰能力也是它的一大弱点，无法长时间在比较严峻的环境中测量物理量 [5]，因此为了尽快解决传统pH检测中存在的各种不足之处，实现pH传感器的普及化，小型化和智能化，近年来许多科学家研究并设计出了光纤光栅的pH值传感器，光纤光栅pH传感器集成了光纤，重量轻，直径小，耐高温，耐腐蚀，不怕强电磁干扰等优点，还可以实现低成本和低损耗的数据采集功能。
目录
1.绪论 1
1.1前言 1
1.2光纤光栅pH感器的研究意义及现状 2
1.2.1pH传感器研究意义 2
1.2.2光纤光栅pH传感器研究现状 3
2.光纤光栅pH传感器原理 5
2.1光纤结构与传输原理 5
2.2光纤布拉格光栅传感器的基本原理 6
3.水凝胶的成分配制及特性分析 8
3.1水凝胶简介 8
3.1.1水凝胶分类 8
3.1.2水凝胶的应用 8
3.2pH敏感性水凝胶 9
3.2.1pH敏感性水凝胶的成分及配制 9
3.2.2pH敏感性水凝胶特性分析 12
3.3水凝胶光纤布拉格光栅传感原理分析 13
4.光纤布拉格光栅pH传感器的制作 15
4.1 pH传感器的结构 15
4.2光纤布拉格光栅的制作 15
4.3 pH传感器的制作 16
5.光纤布拉格光栅pH传感器测试实验与结果分析 19
5.1 标准缓冲溶液的制作 19
5.2 实验平台的搭建 20
5.3 实验结果分析 22
结束语 25
参考文献 26
致谢 28
1.绪论
1.1前言
光纤光栅是一种无源器件，它在光纤中制作而成，在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
光纤中通过轴向调制光纤纤芯的折射率，使其呈周期性分布，它便能够反射或损耗一定带宽的光。由于光纤光栅具有体积小，成本低，不受电磁干扰，焊接损耗小，与光纤完全兼容，可以嵌入智能材料等一系列优点使特别适用于辐射性强，腐蚀性大和危险性大的环境中；光纤光栅的谐振波长对温度，应变，折射率，浓度等外部环境变化敏感的优点，使它成为性能优良的敏感元件并在光纤通信和传感领域也有非常广泛的应用[2]。
光纤光栅特性各异，类型繁杂，分类方式多种多样，可以从光纤光栅的周期，写入方法和相位等方面进行归纳总结。例如：按照周期分类，可以分为短周期光纤光栅（周期小于1微米）和长周期光纤光栅（周期为几十到几百微米）；根据光纤光栅波导结构的不同也可以分类，根据光纤光栅的形成机理可以分为以下两类：利用光敏性形成的和利用弹光效应形成的。相比较于光纤传感器，光纤光栅在传感领域有很多优点，如下：
1、抗电磁干扰。
2、电绝缘性能好，安全可靠
3、耐腐蚀，化学性能稳定，可在恶劣环境中使用。
4、可以大规模低成本生产，商用价值高，可以形成较好的市场竞争力。
5、传输容量大。
6、测量范围广[3]。
可以采用光纤传感器中广泛使用的技术，比如波分复用，空分复用，时分复用等技术，采用这些技术后可以大范围测量，而且测量信号不受光源变化的影响，不会有弯曲损耗和连接损耗，结合以上诸多优点，所以本文采用光纤布拉格光栅研究pH传感器。
1.2光纤光栅pH感器的研究意义及现状
1.2.1pH传感器研究意义
在环保，物理，化学，医疗，气象等领域pH值的检测具有十分重要的意义，近年来，中国很多地区频发雾霾污染问题，PM2.5随之成为众矢之的，令人谈之色变。于此同时，雾霾天气所引发的一系列安全问题得到了社会各界的关注，百姓期待着这一问题尽快被处理，期待着早日战胜雾霾，盼望着蓝天白云。 其中，与PM2.5一样具有极大危害的有毒气体二氧化硫等酸性气体也引发了一系列环境安全问题，它们所形成的酸雨正在侵蚀着地球。虽然在正常情况下，正常的雨水呈现一定的酸性或者是碱性，但是酸雨造成的酸碱度和自然形成的不同，它含有许多有毒物质，对生态系统，建筑设施和人体健康都有巨大的危害。酸雨的问题越来越突出，中国已经成为第三大酸雨区其受灾程度也仅次于欧洲和北美洲。酸雨侵蚀建筑物和工业设备，破坏文明古迹，破坏森林，导致鱼虾死亡等等。如图 1.1所示为酸雨产生的危害。
图 1.1酸雨产生的危害
大气中含有的大量酸性气体是造成酸雨的主要原因之一，酸性气体有巨大的危害。在我国，酸雨构成的主要因素还是由于大量燃烧煤炭，尤其是含硫量高的煤，不经脱硫处理直接燃烧，这些主要是产生了硫酸雨。另外，经济迅猛发展，各种机动车排放的尾气也是主要原因。酸雨对人类和地球的危害引起了人们密切关注，各行各业人士都在为减轻酸雨的危害做贡献。在环保和气象领域，检测pH值至关重要，传统的pH测量方法缺点显而易见，测量溶液时响应时间慢，可能会表现出不稳定的状态，测量精度较差，但是也有精度比较好的pH计可以使用，但价格昂贵，普及度达不到要求[4]。由于大多数精密分析仪器结构复杂，无法对目标物实现有效地实时监测功能，抗干扰能力也是它的一大弱点，无法长时间在比较严峻的环境中测量物理量 [5]，因此为了尽快解决传统pH检测中存在的各种不足之处，实现pH传感器的普及化，小型化和智能化，近年来许多科学家研究并设计出了光纤光栅的pH值传感器，光纤光栅pH传感器集成了光纤，重量轻，直径小，耐高温，耐腐蚀，不怕强电磁干扰等优点，还可以实现低成本和低损耗的数据采集功能。
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