本发明专利技术公开了一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，包括光纤光源、第一光纤耦合器、圆柱固定座、空心光纤、第二光纤耦合器、光纤探测器、控制器、蠕动泵、数据导线、细水管、水槽。本发明专利技术借助光纤耦合原理，将中空光纤与光源、光谱仪耦合，中空光纤螺旋缠绕在中心柱上，光在光纤中不断反射前进，增加了光程，解决了溶液浓度过低时吸光度难以测量的问题，吸光度灵敏度比以前提高了10000倍。中空光纤内的液体在液体表面张力、毛细液面负压、蠕动泵动力等多个因素共同作用下，不仅可以快速实现溶液的抽取与替换，而且由于中空光纤内径很小，可以有效阻碍颗粒杂质进入，使得吸光度的测量更稳定，还可以减小光路的窗口污染问题，适合长时间在线监测。
【技术实现步骤摘要】
基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置及测量方法
本专利技术涉及一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，属于光电检测领域。
技术介绍
光谱检测技术近年来发展迅速，由于其灵敏度高、选择性强，速度快等优点被逐渐被应用于各个领域，特别是在快速在线监测领域的应用。其中，吸光度是用来衡量光被吸收程度的一个物理量，是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数(即a＝lg(I0/I1))，其中a为吸光度，I0为入射光强，I1为为透射光强。测量低浓度溶液的吸光度时，由于低浓度溶液的吸光度较小，常发生偏离朗伯—比尔定律的现象，一般可采用增加光程的方法来提高低浓度溶液的吸光度测量精度，但通常实验室内通过增加比色皿光程的方法对光源的平行性、稳定性要求很高，加上测量过程中液体扰动等因素存在，使得长光程的吸光度测量精度不高。
技术实现思路
为了解决以上存在问题，本专利技术提供一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，能够大幅提高吸光度测量的灵敏度。本专利技术所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，包括光纤光源、第一光纤耦合器、圆柱固定座、空心光纤、第二光纤耦合器、光纤探测器、控制器、蠕动泵、数据导线、细水管、水槽。第一光纤耦合器连接光纤光源与空心光纤，第二光纤耦合器连接光纤探测器与空心光纤，空心光纤均匀螺旋缠绕并固定在圆柱固定座的周围，空心光纤的两个端口附近分别接有两个细水管，细水管方向与空心光纤方向互相垂直并内部连通，位于上方的第一光纤耦合器附近的细水管通过蠕动泵连到水槽，位于下方的第二光纤耦合器附近的细水管直接连到水槽，控制器通过数据导线分别与光源、光纤探测器、蠕动泵相连。所述空心光纤为中空的石英光纤，石英外壁为空气层，中空的内径范围为0.001mm-1mm，石英光纤的长度在10cm—100m可调。所述圆柱固定座为圆柱形金属座，其半径R的取值范围在10cm—100cm之间，圆柱固定座上还固定有两个专用固定支架，分别用于固定光纤光源与光纤探测器，使得整个光路不晃动。所述光纤探测器为光纤光谱仪，与第二光纤耦合器一端耦合。所述光纤光源为氙灯等光纤光源，与第一光纤耦合器一端耦合，且进入空心光纤的入射光角度可以通过第一光纤耦合器调节，入射光角度调节范围根据空心光纤结构与测量溶液的折射率确定，以保证光纤中的光在石英外壁发生全反射的同时在其内壁不发生全反射，例如，在本专利技术中，由内而外分布的三种均匀介质(低浓度溶液、石英、空气)的折射率分别取值为1.3、1.5、1，则对应的入射光角度调节范围为42度到60度之间。所述控制器由单片机与电源系统构成，可以直接测量低浓度溶液吸光度，具体测量方法如下：首先，将参比溶液置入水槽，控制器启动蠕动泵将参比溶液吸入空心光纤，光纤探测器测量得到光强I0；其次，将水槽内的溶液换成待测溶液，控制器启动蠕动泵将待测溶液吸入空心光纤，光纤探测器再次测量得到光强I1；最后，得到吸光度值a＝lg(I0/I1)。所述细水管为硅胶软管。由光学原理可知，当光波由一种介质入射到另一种介质时，在两种介质的分界面处将产生反射和折射。在本专利技术中，由内而外分布的三种均匀介质(低浓度溶液、石英、空气)构成了两个界面，且三者折射率由小到大再到小(三者折射率分别在1.3、1.5、1附近)，当光束由n1介质以较小的入射角θ1入射到介质界面上时，部分光产生折射(折射角为θ2)进入n2介质，部分光反射回n1介质。由斯涅尔折射定律得当n1>n2时，即光线由光密介质射向光疏介质，当时，会有sinθ2>1的结果，这是没有意义的。事实上，这种情况下，水管壁中没有折射光存在，发生全反射。当入射光满足条件时，入射角记为θc并称为临界角，相应的折射角θ2＝90°。由以上分析可以看出，光在两介质界面处发生全反射的条件有两个：一是光线必须由光密介质入射到光疏介质；二是入射角θ1必须大于其临界角θc。需要指出的是，要确保光要透射经过中空的石英光纤内部溶液，除满足石英与空气界面的全反射条件外，还需满足石英与溶液界面的非全反射条件，因此，入射光角度范围为两个界面对应的临界角范围之间。在本专利技术中，光的传输路径是一条折线，所以光在溶液中的传输路径大于空心光纤的长度。另外，由于于空心光纤缠绕在中心圆柱固定座上，因此光纤弯曲对光的传播具有一定影响，当弯曲度过大时，光线有可能从水管的外侧面逸出，为解决这一问题，采用直径较大的圆柱固定座，以减小长距离传输中的弯曲程度。本专利技术所达到的有益效果是：本专利技术相比于目前已有的测量装置，借助光纤耦合原理，将中空光纤与光源、光谱仪耦合，中空光纤螺旋缠绕在中心柱上，光在光纤中不断反射前进，增加了光程，空心光纤均匀螺旋缠绕并固定在半径较大的圆柱固定座的周围，减弱了水管弯曲对光的传播的影响，使得光纤长度在10cm到100m间任意设置，解决了溶液浓度过低时吸光度难以测量的问题，相对于目前10mm的光程测量系统，吸光度灵敏度提高了10000倍。中空光纤内的液体在液体表面张力、毛细液面负压、蠕动泵动力等多个因素共同作用下，可以快速实现溶液的抽取与替换，而且由于中空光纤内径很小，可以有效阻碍颗粒杂质进入，使得吸光度的测量更加稳定，还可以减小光路的窗口污染问题，适合长时间在线监测应用。。附图说明图1为本专利技术的装置的整体结构示意图。具体实施方式为了进一步描述本专利技术的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步描述。参照图1所示，一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，包括光纤光源1、第一光纤耦合器2、圆柱固定座3、空心光纤4、第二光纤耦合器5、光纤探测器6、控制器7、蠕动泵8、数据导线9、细水管10、水槽11。第一光纤耦合器2连接光纤光源1与空心光纤4，第二光纤耦合器5连接光纤探测器6与空心光纤4，空心光纤4均匀螺旋缠绕并固定在圆柱固定座3的周围，空心光纤4的两个端口附近接有两个细水管10，细水管10方向与空心光纤4方向互相垂直并内部连通，位于上方的第一光纤耦合器2附近的细水管10通过蠕动泵8连到水槽11，位于下方的第二光纤耦合器5附近的细水管10直接连到水槽11，控制器7通过数据导线9分别与光源1、光纤探测器6、蠕动泵8相连。所述空心光纤4为中空的石英光纤，石英外壁为空气层，中空的内径为0.1mm，石英光纤的长度为1000cm。所述圆柱固定座3为圆柱形金属座，其半径R的取值为20cm，圆柱固定座3上还固定有两个专用固定支架，分别用于固定光纤光源1与光纤探测器6，使得整个光路不晃动。所述光纤探测器6为海洋光学USB4000光纤光谱仪，其光纤输入端与第二光纤耦合器5一端耦合。所述细水管10采用硅胶软管。所述光纤光源1为氙灯光纤光源，与第一光纤耦合器2一端耦合，且进入空心光纤4的入射光角度可以通过第一光纤耦合器2调节，入射光角度调节范围根据空心光纤4结构与测量溶液的折射率确定，以保证光纤中的光在石英外壁发生全反射的同时在其内壁不发生全反射，在本专利技术中，由内而外分布的三种均匀介质(低浓度溶液、石英、空气)的折射率分别取值为1.3、1.5、1，对应的入射光角度设为50度。所述控制器7由单片机与电源系统构成，可以直接测量低浓本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，其特征在于，包括光纤光源(1)、第一光纤耦合器(2)、圆柱固定座(3)、空心光纤(4)、第二光纤耦合器(5)、光纤探测器(6)、控制器(7)、蠕动泵(8)、数据导线(9)、细水管(10)以及水槽(11)；第一光纤耦合器(2)与光纤光源(1)和空心光纤(4)相连，第二光纤耦合器(5)与光纤探测器(6)和空心光纤(4)相连，空心光纤(4)均匀螺旋缠绕并固定在圆柱固定座(3)的外侧，空心光纤(4)的两个端口附近均接有细水管(10)，细水管(10)与空心光纤(4)内部连通，位于上方的第一光纤耦合器(2)附近的细水管10通过蠕动泵(8)连到水槽(11)，位于下方的第二光纤耦合器(5)附近的细水管(10)直接连到水槽(11)，控制器(7)通过数据导线(9)分别与光源(1)、光纤探测器(6)、蠕动泵(8)相连。
【技术特征摘要】
1.一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，其特征在于，包括光纤光源(1)、第一光纤耦合器(2)、圆柱固定座(3)、空心光纤(4)、第二光纤耦合器(5)、光纤探测器(6)、控制器(7)、蠕动泵(8)、数据导线(9)、细水管(10)以及水槽(11)；第一光纤耦合器(2)与光纤光源(1)和空心光纤(4)相连，第二光纤耦合器(5)与光纤探测器(6)和空心光纤(4)相连，空心光纤(4)均匀螺旋缠绕并固定在圆柱固定座(3)的外侧，空心光纤(4)的两个端口附近均接有细水管(10)，细水管(10)与空心光纤(4)内部连通，位于上方的第一光纤耦合器(2)附近的细水管10通过蠕动泵(8)连到水槽(11)，位于下方的第二光纤耦合器(5)附近的细水管(10)直接连到水槽(11)，控制器(7)通过数据导线(9)分别与光源(1)、光纤探测器(6)、蠕动泵(8)相连。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，其特征在于：所述空心光纤(4)为中空的石英光纤，石英外壁为空气层，中空的内径范围为0.001mm-1mm，石英光纤的长度在10cm—100m可调。3.根据权利要求1所述的一种基于光纤耦合的低浓度溶液吸光度测量装置，其特征在于：所述圆柱固定座(3)为圆柱形金属座，其半径R的取值范围在10cm—100cm之间，圆柱固定座(3)上还固定有两个专用固定支架，分别...
【专利技术属性】
技术研发人员：张开骁，牛静，李思瑜，张爱梅，邹华，张煜，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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