基于双直角棱镜的光纤光度传感器

吴　刚，刘月明，高晓良

(中国计量学院光学与电子科技学院，浙江杭州　310018)

0　引言

分光光度计以其特有的优点而广泛应用于介质的分析和测试。传统的光度计利用比色皿取样来进行分析，而光纤光度传感器可实现实时监测，应用到环境在线监测和生物医学工程研究中[1]。光度分析式传感器的灵敏度与检测光束和待测物的相互作用距离，即检测光在吸收室内的有效光程有关，常需调节波长和增大光程来满足不同痕量物质和不同灵敏度检测的需求。使探测光多次反射的吸收室结构可有效增加光程。这种吸收室结构最初用于对气体的检测，典型的气室结构有White型、Herriott型及各种改进型[2-4]。White气室由两块或两块以上共扼凹面反射镜构成，光程可达数m至数百m，但易受环境干扰，不适合在线监测；Herriott基本型气室由两块共焦凹面反射镜组成，其抗环境干扰能力比White型气室强，但灵敏度较低。这些类型的气室，结构一经确定，检测光束在反射室内的光路亦被确定，很难再调节。而直角棱镜组合可以有效增加和调节光程[5-9]，文中在普通直角棱镜反射室的基础上，设计出一种新型的直角棱镜反射室，可有效调节和增加光程，进而改变传感器灵敏度。主要论述基于这种棱镜反射室的光纤光度传感器的光传输特性，研究其在浓度和消光系数测量上的应用和检测灵敏度。

1　检测原理

待测物质对一定波长的光具有显著地吸收作用，当探测光的波长处于被测介质的吸收波段时，通过待测物的光会发生衰减。由朗伯比耳定律可知，强度为I0的入射光在与被测物相互作用有效距离L后，出射光强IT为：

IT=I0e-αcL

(1)

式中：α为吸光系数；c为被测物浓度。

对一定波长的光，介质吸光系数α为常量，测得出射光强IT，即可确定被测物的含量：

(2)

如果考虑散射因素，需用消光系数来表征光与被测对象的作用，此时出射光强表达式是：

IT=I0e-μL

(3)

则可确定待测介质消光系数：

(4)

式中：μ为消光系数，μ=αc+μs；μs是被测物的散射系数。

一般在非强光情形时，只考虑瑞利散射和Mie散射。

2　传感器结构和应用原理

2．1棱镜室结构

基于直角全反棱镜的吸收室结构原理图如图1所示，直角棱镜D1、D2的2个底面F1、F2平行相对放置构成反射室。探测光由输入光纤经自聚焦准直透镜准直后成为细平行光束入射到棱镜D1的底面F1，由D1反射后，沿与初始入射光线相反的方向垂直入射到直角棱镜D2，被D2反射，再次垂直入射到D1，再次由D1反射，最后射到会聚透镜后由出射光纤输出。如此探测光在D1、D2间往返4次可增加有效光程，且D1、D2间距离L可调，亦可以调节光程。

图1　双直角棱镜光纤光度传感器反射室结构图

2．2传感器的光传输特性

光束在室内往返4次已经确定，可以通过调节两个直角棱镜底面间距离L来改变有效作用光程，调节传感器的灵敏度。

记图1中吸收池内壁与水的交界面为F，已标出的光束为主光束。主光束在界面F处会有部分光发生反射，从水体射入池壁和从池壁射入水体都会产生二次反射。反射池出射光强为主光束光强IT与界面反射总光强Ir之和：

I=IT+Ir

(5)

设I0为入射光强，τ为流通池壁及棱镜的平均透射率，L为吸收池宽度，即为棱镜两底面间距。主光束光强为

IT=I0τ6e-4μL

(6)

因主光束传播方向与界面近似垂直，反射光很微弱。在检测输出光束时，为消除反射光强影响，将棱镜D1向左或向右倾斜微小角度，使主光束与界面反射光束分离，仅检测主光束，出射光束用光阑加以限制。则出射光强可表示为

I=IT+Ir≈IT=I0τ6e-4μL

(7)

2．3检测参数的确定

2．3．1介质浓度测量

消光系数为吸收系数与散射系数之和：

μ=μa+μs

(8)

在以吸收为主要作用的介质中，可以忽略散射作用，此时消光系数约等于吸收系数，而吸收系数等于吸光系数与介质浓度的乘积：μ≈μa=αc，即此时由式(6)得：

I=I0τ6e-4αcL

(9)

由介质吸收而产生的吸光度为：

(10)

则通过传感器的已知参数及介质的吸光系数，可得待测物浓度为：

(11)

2．3．2测定消光系数

利用波长为632.8 nm的氦氖激光对介质进行两次入射测量以确定其消光系数。此方法无需激光变频，仅需改变反射室的棱镜间距L，在不同的间距L下进行两次测量，即可得消光系数。

棱镜底面间距为L1时，设探测输出光强为I1；棱镜底面间距为L2时，输出光强为I2，两次测量的输入光强均为I0，由式(7)所示光束传输特性方程：

(12)

光通过介质时，由于介质中微粒对入射光的吸收和散射作用，沿原传播方向的透射光会产生衰减，称作消光。比值I/I0称为总消光比，反映吸收室和介质对入射光的总衰减程度；而由介质吸收和散射造成的消光比为I/(I0τ6)。设两次的消光比为B1、B2，由上式：

(13)

两式相比并取对数得到消光系数为：

(14)

由式(10)吸光度A=ln(I0τ6/I)，式(13)可以改写为：

(15)

3　实验结果与分析

传感系统总体结构如图2所示。

图2　传感系统总体结构

该实验采用胭脂红色素溶液进行检测，玻璃及棱镜与溶液界面的总透射率为τ=0.92，氦氖激光器的功率为2.4 mW．配制浓度在0～10 mg/L之间的胭脂红溶液，以去离子水为参考溶液，分别测量流通池长度L为6 cm、8 cm、10 cm和12 cm时各浓度溶液的传感器接收光强，按式(10)计算吸光度，实验结果及拟合关系如图3所示。结果表明，在浓度低于10 mg/L时，吸光度与浓度线性关系较好，说明传感器性能可靠。各直线的斜率为L不同时传感器的灵敏度，L越大，灵敏度越大；L=12 cm时的灵敏度近似为L=6 cm时的2倍。即适当增大流通池长度，可提高传感器灵敏度。

图3　传感器吸光度与浓度关系曲线

将流通池长度L设定为6 cm，测量浓度在0～10 mg/L之间的胭脂红溶液所对应的输出光强，计算得到吸光度。然后将L调节为12 cm，测量上述相同溶液的输出光强，求得吸光度。由式(15)，即可得到溶液消光系数与浓度的关系，如图4所示。结果表明，由于棱镜反射室能4倍增加消光光程，该传感器适合测量消光系数较小的溶液。

图4　消光系数与浓度关系曲线

4　传感器的灵敏度分析

将棱镜室灵敏度定义为单位衰减系数μ变化引起的输出光强变化，则对一定波长的光，棱镜室灵敏度可表示为：

(16)

可见，通过调节间距L，可调节传感器灵敏度。不使用棱镜反射室，单程检测灵敏度为：

(17)

有SNλ/Sλ=4τ6e-3μL，则当流通池壁及棱镜的平均透射率较高时为τ≈1，水体杂质较少即μ≈0时，棱镜室灵敏度为无反射单程检测灵敏度的4倍。

图5　传感器与单光程测量灵敏度对比图

图5为不利用棱镜反射室，采用单光程方法直接测量光程L=6 cm和L=12cm时，不同浓度胭脂红溶液吸光度的实验结果和拟合直线；并与相对应情况下的传感器测量结果对比。拟合直线均已标于图上，直线斜率表示测量灵敏度。实验结果表明：

(3)传感器的灵敏度比单光程测量时提高了近4倍，则也表明传感器的检测阈值比单光程测量阈值更低，更适合低浓度痕量物质的检测。

5　结束语

设计了一个结构紧凑、灵敏度可调的双直角棱镜反射室用于光度分析，测量水中痕量物质的浓度和消光系数。棱镜室有效增加了相互作用光程，可降低检测阈值。传感器灵敏度为无反射单程检测灵敏度的4倍，且通过改变棱镜底面间距可调节灵敏度。结合光纤传感技术的开放式流通池有效避免棱镜受污染，提高了稳定性和耐用性，有利于长期实时监测。

参考文献：

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