磁光效应液体浓度检测.docx

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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

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofbasicresearch,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……………………………………………………………1

1.1课题研究背景……………………………………………………………………1

1.2课题发展现状……………………………………………………………………1

1.3本论文的主要工作………………………………………………………………6

第二章磁光效应的理论基础与应用…………………………………7

2.1光的偏振………………………………………………………………………7

2.2磁光效应………………………………………………………………………8

2.3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………12

3.1分离检测系统设计……………………………………………………………12

3.2系统检测性能分析……………………………………………………………12

3.3分离检测系统在液体浓度检测中的应用…………………………………15

3.4总结……………………………………………………………………………16

第四章溶质维尔德常数分离检测及其应用研究……………………17

4.1检测系统原理…………………………………………………………………17

4.2检测原理分析…………………………………………………………………18

4.3系统检测精度分析……………………………………………………………19

4.4检测系统误差分析……………………………………………………………20

4.5系统在混合溶液浓度检测中的应用…………………………………………21

4.6结论……………………………………………………………………………22

结束语……………………………………………………………………23

致谢………………………………………………………………………24

参考………………………………………………………………………25

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]

（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。

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。

（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。

（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：

（1-4）

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心圆环。

干涉条纹锐利、清晰，内环的干涉级次较高，外环的干涉级次较低，离中心愈远条纹愈密。

在一定温度下，液体的折射率随液体浓度的变化而变化，折射率的变化必然使干涉圆环发生变化（扩张或收缩），因此通过观察干涉圆环的变化便可间接地测出液体的折射率和浓度。

5.法拉第方法[6]

实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度与光波在介质中走过的路程L及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即：

（1-5）

比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。

费尔德常数V与磁光材料的性质有关。

图1.4法拉第磁致旋光效应

表1.1为几种物质的费尔德常数。

几乎所有物质（包括气体、液体、固体）都存在法拉第效应，不过一般都不显著。

表1.1几种材料的费尔德常数（单位:

弧分/特斯拉·厘米）

物质

（nm）

V

水

589.3

1.31*102

二硫化碳

589.3

4.17*102

轻火石玻璃

589.3

3.17*102

重火石玻璃

830.0

8*102-10*102

冕玻璃

623.8

4.36*102-7.27*102

石英

623.8

4.83*102

磷素

589.3

12.3*102

MOR和MCD的实验装置是以OR和CD装置为基础进行设计的。

主要是加上磁场。

图1.5是MOR装置示意图。

A室中加溶液，B室中加纯溶剂。

起倡器产生的线倡振光，通过A室后，偏振面发生0+的偏转。

其中是由溶质引起的。

0是由样品池和溶剂引起的：

经过B室时。

B室的样品l池和溶剂与A室的相同，磁场方向相反，因此倡振光的偏振面又产生一日的偏转。

这样，就扣除了溶剂和样品池对MOR谱的影响，法拉第线圈和水室称作法拉第调制器，它和检倡器、光电倍增管、伺服马达、伺服敢大器等构成M0R装置的检测系统。

图1.5MOR装置示意图

图1.6是测定磁致椭圆率θ的MCD装置示意图。

起偏器产生的线偏振光经过调制器（电子光学调制器或光弹性调制器）后，以一定的调制频率交替产生左右圆偏振光。

使左、右圆偏振光交普通过磁场中的样品。

由光电倍增管、锁定敢大器检测它们吸收系数的差别。

由于吸收系数差与磁致椭圆率成正比，因此也就测得了样品的磁致椭回率θ。

图1.6MCD装置示意图

1.3本论文的主要工作

本文主要内容是设计基于磁光效应的液体浓度检测技术系统，分析系统性能、特点。

第1章绪论。

介绍了磁光效应检测液体浓度技术的课题研究背景和发展现状。

第2章介绍了磁光效应的理论与应用。

第3章介绍了基于溶质维尔德常数分离检测的液体浓度检测技术，包括系统设计、检测性能分析、分离检测系统在液体浓度检测中的应用以及此技术的特点。

第4章介绍了溶质维尔德常数分离检测技术，包括检测系统原理和分析、精度分析，最后分析了此技术精确检测浓度的方法和特点以及在相关领域的应用。

第二章磁光理论基础

2.1光的偏振

光按照电磁理论可以分为非偏振光、偏振光和部分偏振光三大类。

非偏振光指的是光波电场矢量（磁场矢量）在空间无规则变化不显示任何方向特性的光。

偏振光指的是光波电场矢量方向在空间以一定规律变化，矢量端点在空间具有规则的轨迹的光。

此外还有一种偏振状态介于两者之间的光，如果利用检偏器去检验这种光，随着检偏器转动0-90°，透射光的强度交替呈现最大和最小，但强度的最小并不是零，具有这种性质的光，叫做部分偏振光。

部分偏振光可以看作非偏振光同偏振光的叠加。

按照偏振光电场矢量的方向变化和场矢量分量幅度的大小，偏振光可以分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

当对着传播方向观察电场矢量变化时，矢量端点的轨迹是线的时候，称之为线偏振光。

线偏振光分为水平线偏振光、垂直线偏振光和任意方向的线偏振光。

当对着传播方向观察电场矢量的变化时，矢量端点的轨迹是圆的时候，这种偏振光称之为圆偏振光。

圆偏振光又分为两种:

电场矢量按逆时针方向变化的是左旋圆偏振光；电场矢量按顺时针方向变化的是右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在x、y方向上场分量的相位相差90°，幅度相等。

当对着传播方向观察电场矢量的变化时，矢量端点的轨迹是（x，y）坐标系平面上的椭圆的时候，这种偏振光称之为椭圆偏振光，电场矢量按逆时针方向变化的是左旋椭圆偏振光；电场矢量按顺时针方向变化的是右旋椭圆偏振光；当椭圆偏振光长轴和短轴长度相等时，椭圆偏振光演化为圆偏振光。

对于偏振光可以用统一的数学表达式表示[7]：

（2-1）

其中：

（2-2）

当

、

取不同值时，可表达不同偏振态如下：

水平线偏振光；

初相位为的垂直线偏振光；

偏转方向与x轴成角的线偏振光；

右/左旋圆偏振光；

右/左旋椭圆偏振光；

在弱导近似下，单模光纤中传输模式可分解为两个正交的线偏振模

、

，它们电场分别沿着x、y方向偏振，在完善的光纤中其相位常数

，两种模式简并。

由于实际光纤的不完善性，简并被破坏，出出现模式双折射。

单模光纤中，x、y方向上的线偏振模

、

相位常数

，称之为线双折射[8]。

如果光纤对左旋和右旋圆偏振光有不同的相位常数，引起两圆偏振光有不同的相位变化，称之为圆双折射。

线双折射和圆双折射同时存在时，形成椭圆双折射。

2.2磁光效应

1811年，法国科学家阿喇果（Arago）发现：

当一束平行线性偏振光沿光轴方向在石英晶体中传播时，其光振动平面会随着传播距离的变化而旋转，且是以传播方向为转轴。

由于石英晶体是单轴晶体，因此不可能是双折射，后来把这种现象取名为旋光效应。

把具有旋光效应的物质称作旋光物质。

后来发现不只石英晶体具有这种性质，某些溶液如：

蔗糖、酒石酸溶液也有这种性质。

后来，又有人对这一现象原因作了解释：

由于旋光物质和光都具有角动量，当光在旋光物质中传播时就会得到其部分角动量而使自身的转动动能增加。

根据旋光效应中，光振动平面的旋转方向的不同，又可把物质划分为左旋物质和右旋物质，其划分方法为：

对着光的传播方向观察，当光振动平面沿顺时针方向旋转时，该物质就为右旋物质。

相反，当光振动平面沿逆时针方向旋转时，该物质就称为左旋物质。

而法拉第磁光效应就是在强磁场的作用下，物质的光学振动平面才发生旋转。

在1846年，法拉第发现：

当光在一些晶体中沿光轴方向传播，在方向与之相同的强磁场的作用下，光振动平面在本来不具有旋光性的物质发生了偏转，即线偏振光通过加有外磁场的物质时，其光振动平面发生了旋转，这种现象就被称为磁光效应，或法拉第效应。

这种现象原因是：

物质的电子运动受到外磁场的影响。

图2.1磁光效应原理图

虽然磁光效应与旋光效应的现象相似，但它们却有明显的区别：

首先，旋光效应是由物质本身引起的，与外磁场无关。

而磁光效应必须在外

磁场作用下才能发生。

其次，在旋光效应中，对某一旋光物质而言，光振动平面旋转方向与光传播方向的关系是一定的，如果光在该旋光物质中传输一段距离后又原路返回来，由于传播方向不同、传播物质相同，往返过程中光振动平面旋转方向就会相反，总的旋转矢量就为零。

但在磁光效应中，光振动平面旋转方向与光传播方向是没有关系的，也就是说，如果光在某物质中传输一段距离后又原路返回来，往返过程中光振动平面旋转方向是相同的，因此总的旋转矢量就为单向的两倍。

总的来说，旋光效应具有互易性，而磁光效应不具有这种性质[9]。

下面，从理论公式上来进一步说明法拉第磁光效应中各量之间的关系，线性偏振光在磁光材料中沿光轴传播时，在与传播方向同向的磁场作用下，光振动平

面沿传播方向的旋转角度θ与磁场强度H的大小及光在物质中传播的距离L的关系如式

（2-3）

上式中,H为磁场强度，L为光在磁光材料中传播的距离。

V为磁光材料的维

尔德常数（Verdet），其物理意义为光振动平面在单位磁感应强度作用下通过单位长度的旋转角度，且它容易受到外界因素的影响，如：

温度、在其中传播的光波波长等。

所以，在使用磁光材料时要注意外界环境的温度，且使用不同波长的光源时应选取维尔德常数不同的材料[10]。

如果磁场强度是均匀的且线偏振光传播方向与它的方向相互平行。

则式（2-3）

可以写为如下形式：

（2-4）

如果知道物质的维尔德常数，测出偏振面旋转角θ和物质长度L，则可由公式（2-4）计算出外界磁场强度H。

若磁场强度H是由电流I产生的，则通过毕-萨定律可求出I的大小。

这就是法拉第效应电流传感器的原理[11]。

2.3交流磁光调制

根据马吕斯定律，如果不计光损耗，则通过起偏器，经检偏器输出的光强为：

（2-5）

式中，I0为起偏器的输入光强。

若在两个偏振器之间加一个由调制线圈、磁光调制晶体和低频信号源组成的交流调制器，则调制线圈所产生的正弦交变磁场，能够使磁光调制晶体产生的振动面转角

，称为调制角幅度[12]。

此时输出光强为：

（2-6）

由式（2-6）可知，当一定时，输出光强紧随变化，因为是受交变磁场H或信号电流控制的，从而使信号电流产生的光振动面旋转，转化为强度调制，这就是磁光调制的基本原理。

如图2.2所示。

根据倍角三角函数公式由式（2-6）得

（2-7）

当

=90°时，即起偏器和检偏器偏振方向正交时，由式（2-6）知输出的调制光强[13]：

（2-8）

图2.2交流磁光调制示意图

第三章基于溶质维尔德常数分离检测的液体浓度检测技术

基于法拉第磁光效应原理，研究了溶质维尔德常数分离检测技术。

利用该技术可以直接得到溶质的维尔德常数与其浓度的关系，从而可以用于检测含有顺磁或抗磁溶质的溶液浓度。

3.1分离检测系统设计

检测系统设计如图3.1所示[14]。

1.激光器，2.起偏器，3.容器及溶液，4.容器及溶剂，

5.磁光调制器，6.检偏器，7.PD，8.信号调理器，9.计算机

图3.1溶质维尔德常数分离检测系统

激光器1发出的激光经过起偏器2后变为平面偏振光后入射至容器3和4，容器3中产生的磁旋光角度为溶质、溶剂和容器三者之和，容器4中产生的磁旋光角度为溶剂和容器两者之和。

由于3和4分别置于大小相等、方向相反的磁场中，根据磁光效应原理，3和4中的容器和溶剂所产生的磁旋光角互相抵消，因此入射的线偏振光经过3和4后总的磁旋光角度由3中溶质产生，达到分离检测溶液中溶质磁旋光角的目的。

经过4的线偏振光携带了溶质的磁旋光角度再入射至交流磁光调制器5，通过检偏器6后的光强由光电探测器7接收，光电探测器7将得到的光强信号输入至信号调理器8，信号调理器8分离出光强信号中的直流分量和二倍频分量，分别输入到计算机9，计算机9将直流分量与二倍频分量的有效值进行比较即可计算出溶质的磁旋光角度。

3.2系统检测性能分析

由图1可知，设经过起偏器2后的初始入射光强为I0，溶质的磁旋光角度为θ，不考虑各光学表