【正文】 式中： 為兩個常系數(shù)；為溶液的濃度；為溶液的折射率。之后分別配置質(zhì)量百分比濃度分別為5%，10%，15%，20%，25%的 5種不同濃度的蔗糖溶液，在溫度為22攝氏度時，用數(shù)字阿貝折射儀對每種不同濃度的蔗糖溶液的折射率進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)和最小二乘法原理，可得到蔗糖溶液的擬合系數(shù)。由此可得到蔗糖溶液的濃度和其折射率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為： 蔗糖溶液的配置根據(jù)實驗測量的需求，我需要分別配置質(zhì)量百分比濃度分別為5%，10%，15%，20%，25%的5種不同濃度的蔗糖溶液各250ml。、。，。 實驗測量為了體現(xiàn)拉錐光纖傳感器的特點，我們需要設(shè)計一組對照實驗，即采用未拉錐的光纖分別與1550nm激光器和光功率計耦合，實驗裝置如圖46所示：圖46 對照實驗的搭建搭建好實驗裝置后，啟動1550nm激光器，打開光功率計測量當(dāng)光纖暴露在空氣中時系統(tǒng)的輸出功率。當(dāng)我們依次將5%，10%，15%，20%，25%的5種不同濃度的蔗糖溶液加入到器皿中時，發(fā)現(xiàn)光功率計的示數(shù)并沒有變化。這說明未拉錐的光纖不具有測量外界折射率的功能。接下來，我們就需要將拉錐后的光纖與1550nm激光器和光功率計耦合，然后測量系統(tǒng)的光錐在不同溶液中其輸出功率的變化情況。不過在將拉錐后的光纖與1550nm激光器和光功率計耦合之前，我們首先必須制備雙錐結(jié)構(gòu)的傳感頭，并將其與帶接頭的光纖進行熔接。制作雙錐型光纖時，即可以將光纖拉錐至10um，并對其校準(zhǔn)。首先取一段SMF28型號的光纖，用光纖剝線鉗剝?nèi)ヒ徊糠值耐扛矊樱⒂脽o紡布蘸無水乙醇將光纖擦拭干凈，然后啟動光纖熔融拉錐機，將拉錐參數(shù)（預(yù)熔時間、預(yù)熔電流、熔接時間、熔接電流、重疊量、端面角、間隙等）設(shè)定好，調(diào)節(jié)光纖熔融拉錐機的平臺，使兩個平臺上放置光纖的凹線在同一水平直線上，最后將擦拭好的光纖放置在光纖熔融拉錐機的平臺上并固定好。啟動拉錐程序，接著電極電弧放電，將光纖熔融后加力拉伸。在拉錐過程中，我們可以通過顯微鏡系統(tǒng)監(jiān)視光纖拉伸情況。光纖經(jīng)過拉錐以后，由于在光纖的錐區(qū)，其半徑十分小，因而在整個的實驗過程中光錐都非常脆弱，容易斷開。為了解決這個問題，我們尋找到一塊表面具有小孔的鐵板，并將拉錐好的光纖牢牢地粘在這塊鐵板上，讓光錐結(jié)構(gòu)處于小孔的位置。這樣光錐所承受的拉力就減小了很多，從而光錐在實驗過程中就不易斷開了。小孔的作用是：當(dāng)我們將液體滴在光錐上時，由于液體的粘力，小孔可以使液體比較穩(wěn)定附在光錐區(qū)域，便于實驗的測量；另外，這樣的處理讓我們對光錐的清洗非常方便。解決這個問題后，然后再用光纖切割機將拉錐圖47 實驗裝置的搭建好的光纖和帶接頭的光纖的端面進行切割，每次切割之后都用熔接機檢查一下光纖端面是否理想，這樣一直切割到光纖端面平整為止。其后，就可以用熔接機將拉錐好的光纖與帶接頭的光纖進行熔接。隨后準(zhǔn)備好1550nm的光源、器皿、制備好的雙錐光纖、光功率計，并按圖47所示將它們搭建好。由第二章彎曲損耗的內(nèi)容，可以知道在這個實驗裝置的整個光路中，光纖的彎曲將會直接影響光功率的輸出，光功率的輸出大小會隨著光纖的彎曲程度而變化。在實驗測量的開始階段，我們啟動1550nm激光器，并開啟光功率計以時時監(jiān)測系統(tǒng)光功率的輸出。當(dāng)我們改變光纖的路徑，也就是改變系統(tǒng)中的彎曲損耗，我們發(fā)現(xiàn)光功率計的顯示結(jié)果也會隨著變化。這說明實驗現(xiàn)象與理論吻合。為了使我們測量到的數(shù)據(jù)能更好體現(xiàn)出拉錐光纖傳感器對外界折射率的測量有非常好的結(jié)果，我們需要將光纖的彎曲損耗調(diào)節(jié)到最小。因此，在實驗過程中，當(dāng)我們慢慢改變光纖彎曲程度的時候，要時刻注意光功率計的示數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)光纖的某一種鋪放路線會使光功率計的示數(shù)達到最大，即刻將光纖的鋪放路線控制住，這個時候整個系統(tǒng)的光纖彎曲損耗基本上降到最低值了，而且每次測量中的光纖彎曲損耗都基本保持不變，這樣做的目的是使得測量時輸出光功率的變化僅僅是因為光錐外界折射率的變化引起的。整個系統(tǒng)的光路調(diào)整完成后，我們依次將5%，10%，15%，20%，25%的5種不同濃度的蔗糖溶液加入到器皿中，注意每次更換蔗糖溶液時要充分清洗表42 實驗的測量結(jié)果條件輸出功率/mw光錐在5%的蔗糖溶液中光錐在10%的蔗糖溶液中光錐在15%的蔗糖溶液中光錐在20%的蔗糖溶液中光錐在25%的蔗糖溶液中器皿和光錐。光錐在這5種不同濃度的蔗糖溶液中，光功率計示數(shù)的依次是：、。我們根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以得到光錐在不同環(huán)境中系統(tǒng)的輸出功率情況，其結(jié)果如表42所示。為了保證實驗測量的準(zhǔn)確性，我們將整個實驗的過程重復(fù)一下。，測量結(jié)果如表43所示：表43 第二次實驗的測量結(jié)果條件輸出功率/uw光錐在5%的蔗糖溶液中光錐在10%的蔗糖溶液中光錐在15%的蔗糖溶液中光錐在20%的蔗糖溶液中光錐在25%的蔗糖溶液中 實驗數(shù)據(jù)的分析從我們得到的實驗結(jié)果知道，當(dāng)蔗糖溶液的濃度增加時，也就是外界液體的折射率增加時，系統(tǒng)的輸出功率會增大。 圖48 第一組數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果 圖49 第二組數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果射率的傳感原理解釋這個現(xiàn)象：當(dāng)外界液體的折射率增加時，包層所允許傳播的模式數(shù)將會減少使包層中的高階模式也減少，這樣雙錐光纖的總損耗就會降低，從而會增加系統(tǒng)的輸出功率。我們將這兩組數(shù)據(jù)擬合，得到輸出功率與外界折射率的關(guān)系曲線，如圖48和49所示。可以看出這兩種結(jié)果所表達的整個趨勢是大致相同的?，F(xiàn)在，我們分別利用這兩組數(shù)據(jù)來計算傳感器的靈敏度。SI1為第一次實驗測量的靈敏度，SI2為第二次實驗測量的靈敏度。則有：由此看來，兩次實驗測量的靈敏度不一樣，第一次實驗測量的靈敏度為1313而第二次實驗測量的靈敏度為465。這其中的原因可能有：(1) 兩次實驗裝置的總損耗不一樣，包括光纖的彎曲損耗、光纖熔接造成的損耗、光纖與激光器以及光功率計之間的耦合損耗。(2) 兩次實驗中，拉錐機所制作的雙錐光纖的結(jié)構(gòu)可能略有差別。 本章小節(jié)本章先從理論上說明拉錐光纖傳感器對外界折射率的測量具有可行性，然后進行具體的實驗措施，包括拉錐機的參數(shù)拉錐時間2對光錐半徑的影響、蔗糖溶液的配置和實驗裝置的搭建以及實驗數(shù)據(jù)的測量。兩次實驗測量的數(shù)據(jù)所得到靈敏度相差很大，說明這種傳感器有一定的發(fā)展?jié)摿?，也有許多復(fù)雜的問題需要解決。結(jié)論 本文是以雙錐光纖的傳輸理論來導(dǎo)出以雙錐光纖結(jié)構(gòu)為傳感頭的光纖傳感器測量外界折射率的原理：當(dāng)外界液體的折射率增加時，包層所允許傳播的模式數(shù)將會減少使包層中的高階模式也減少，這樣雙錐光纖的總損耗就會降低，從而會增加系統(tǒng)的輸出功率。在實驗過程中：(1) 為了控制半徑的光錐，我們對拉錐機參數(shù)之一拉錐時間2和光錐半徑的關(guān)系進行了研究。(2) 根據(jù)光纖的基本知識，尤其是光纖的彎曲損耗，我們知道在整個實驗過程中我們必須要將光纖的鋪放固定，否則系統(tǒng)損耗由于光纖的彎曲損耗變化而不停的變化。(3) 我們將光錐粘在一個具有圓柱孔的板上，很好地解決了光錐易斷的問題。實驗的測量結(jié)果也充分地驗證了雙錐光纖傳感頭對外界折射率具有傳感功能的理論。本次實驗對外界折射率測量的靈敏度達到1313，這說明這種光纖傳感器對外界折射率變化的測量雖有一定精度，但還需進一步改進。改進中需要解決的問題有：(1) 如何將光纖的彎曲損耗嚴(yán)格控制到最小。 (2) 雙錐光纖的結(jié)構(gòu)對測量精度會有什么樣的影響。致謝本文的工作是在導(dǎo)師宋清海教授的精心指導(dǎo)下完成的。宋老師學(xué)識淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，在很多在理論和實驗問題上宋老師的指導(dǎo)使我對課題認(rèn)識逐步深入，讓我在學(xué)習(xí)上受益匪淺。同時，宋老師對待工作的認(rèn)真和敬業(yè)的態(tài)度也給我留下了深刻的印象，值得我在今后的日子里去學(xué)習(xí)。在此對宋老師表示我最誠摯的謝意。感謝掌蘊東老師在我做畢業(yè)設(shè)計的工作期間對我的監(jiān)督工作，不僅如此在我的工作過程中，當(dāng)我遇到問題時知識淵博的掌老師經(jīng)常給予我非常好的解決方案。感謝博士生張敬的指導(dǎo)，張敬師姐在我的論文領(lǐng)域積累了豐厚的研究基礎(chǔ)，和她的討論令我有很大的收獲。她耐心地教我使用實驗儀器，并且在我的實驗方案中給了我許多有效的建議和幫助。感謝博士生李寒陽的指導(dǎo)，李寒陽師兄理論功底扎實，實驗技巧出眾，并親自帶領(lǐng)我去一個化學(xué)實驗室配置蔗糖溶液，還教會我怎么使用電子顯微鏡和CCD觀察、測量光纖雙錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)。另外，感謝在我的工作和生活中給我很多關(guān)心和幫助的袁萍老師，在此對袁老師表示衷心的謝意。還有，衷心感謝博士研究生劉雙強、蔡元學(xué)、李晉、王金芳、姚成寶、吳浩、李庚、范代坤、黨博石等，碩士研究生李庚、范代坤、黨博石、吳昊等，本科生曾超、侯碩本等同學(xué)在實驗室的日常工作和生活中給予的支持和幫助。參考