基于塑料光纤监测硝酸钾溶液的温度和溶解度

汤国玉，周 微，康智慧，徐晓峰

（吉林大学物理学院，吉林 长春130012）

硝酸钾是一种十分重要的化学物质，在农业和工业中应用非常广泛.在农业上，硝酸钾用做不含氯的水溶性肥料，为作物补充硝态氮和钾元素；在工业上，硝酸钾多用于制造火药、火柴、金属焊接助剂、氨催化剂；此外，还用于玻璃制品、光学玻璃、陶瓷、计算机和彩电玻壳等行业［1］.工业上硝酸钾的制备常利用其在不同温度下的溶解度不同来进行分离提纯.可见，温度和溶解度是硝酸钾溶液的重要物理量.

塑料光纤简称POF，又称聚合物光纤.POF是以透明的高聚合物作为光纤纤芯，使用比纤芯材料折射率低的高聚物作为包层组成的传输光线的波导纤维.纤芯材料具有良好的透光率，可达90%以上［2］.POF具有生产成本低、柔软、坚固、直径较大（约1mm）、接续损耗较低和机械强度大等优点［3］.可以实现较长距离信号传输，利于远程监测，使得塑料光纤广泛应用于传感领域［4－6］.

1 实验原理

物质的溶解度是指在100g水中最多能溶解的物质的质量.和大多数固体物质一样，硝酸钾的溶解度也随温度升高而增大（见表1）［7］.

表1 硝酸钾在不同温度下的溶解度

由表1可见，随温度升高硝酸钾溶液浓度增大，溶液折射率也随之升高.硝酸钾晶体折射率为1.504.故溶液折射率小于1.5.

实验装置如图1所示.在室温25℃下，先在托盘中放入硝酸钾的饱和溶液.在溶液底部铺满过量硝酸钾晶体，使溶液在整个加温过程中始终处于饱和状态.利用低热膨胀材料制成V 型槽，将POF 置于槽底，确保加热过程中POF沿轴向运动.光纤沉浸在溶液中，2根POF端面间距为1.5mm，固定光纤，2个固定端距离自由伸展端都是2cm.

光从端面1射入光纤，经过端面2后进入溶液，再经过端面3重新耦合进入光纤，从端面4射出.塑料光纤纤芯折射率为1.492.温度升高，硝酸钾溶液浓度增加，溶液折射率也随之增大.

图1 实验装置示意图

POF是多模光纤，主要由聚甲基丙烯酸甲酯构成，这是一种热膨胀率很高的物质，光纤工作温度小于70℃.其线膨胀系数为7.6×10－5／K.当溶液温度升高时，2根POF受热膨胀，沿V 型槽轴向伸展靠近.由于2 根光纤自由伸展部分都是2 cm，所以在25℃～70℃范围内，2 根光纤端面间距z＝（1 500－3.04×（t－25））μm，其中3.04由两自由段长度和与膨胀系数乘积得到，t为摄氏温度.

2根光纤端面间的间隙将引起耦合损耗，这种损耗的大小与间隙距离和间隙介质折射率有关.由多模光纤间隙耦合损耗公式［8］得出本装置耦合损耗和溶液温度及折射率的综合公式

式中：n1为纤芯折射率；n0为硝酸钾溶液折射率；a 为纤芯半径（480μm）；Δ 为相对折射率差（约为0.05）.损耗α与溶液折射率n0及温度t的关系如图2.

由图2可见：在折射率一定时，耦合损耗随温度升高而减小；在温度一定时，耦合损耗随折射率增加而减小.温度升高时2种效应作用一致，耦合损耗减小，输出功率增加.

2 实验过程

按图1所示固定好实验装置，左侧为输入光纤，右侧为输出光纤.激光器输出激光射入1端面，4端面出射光射入光电转换器，光电转换器连接示波器.托盘置于加热平台上，托盘底部放置过量硝酸钾，加入25℃的饱和溶液，POF完全沉浸在液体中.

利用加热平台依次设定温度为25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃.加热至每个温度点时，稳定5min，确保硝酸钾充分溶解.记录示波器电压值.

图2 耦合损耗α 与温度及折射率关系图

3 结果与讨论

利用测量数据绘制输出电压与温度曲线（见图3）.从图3可以看出，输出电压随温度升高而增大，表明温度升高时，由光电转换器所探测到的光功率增加，即光纤传输线路中的损耗减小，这与图2理论吻合.图3显示在25℃～70℃范围内输出电压变化了5dB，曲线线性度为0.998 5，说明线性较好.利用温度与溶解度的关系同时可以绘制输出电压和溶解度的关系（见图4）.其线性度为0.991 5.

由图4可见，本文实验装置在硝酸钾升温溶解过程中可同时测量溶解度和溶液温度，且测量精度较高，线性度较好.2种机制结合实现传感是有效的.

图3 输出电压与温度关系曲线

图4 输出电压和溶解度关系曲线

4 结束语

硝酸钾广泛应用于工农业生产中，在硝酸钾的生产过程中常利用其在不同温度下的溶解度不同进行结晶提纯.可见溶解度和温度是硝酸钾溶液的重要指标.利用2种机制可同时测量升温过程中硝酸钾溶液的溶解度和温度，实验结果精度较高，线性度较好.

［1］王莹，陆思伟，余荣华，等.我国硝酸钾标准现状与展望［J］.中国石油和化工标准与质量，2013（5）：10－14.

［2］辛高鹏.新型微孔聚合物光纤液体折射率传感器研究［D］.长春：吉林大学，2012.

［3］杨东，董雪峰.塑料光纤在通信网中的应用［J］.光纤光缆，2013（7）：44－46.

［4］GAOPENG XIN，KUN PENG，ZHIMIN GU，et al.Refractive index sensor based on step index multimode polymer optical fiber with a micro－hole created by miniature numerical control machine［J］.Chinese Optics Letters，2013，11（2）：020601－1－020601－3.

［5］王金猛.长距离塑料光纤摄像机的光学设计及应用基础研究［D］.西安：中国科学学院西安光学精密机械研究所，2012.

［6］JUN－WHEE KIM，KYUNG－JO KIM，MIN－CHEOL OH.Plastic optical pressure sensors using a flexible polymer waveguide［C］／／Integrated Photonics and Nanophotonics Research and Applications，Hawaii United States：Honolulu，2009：12－17.

［7］刘迎春.无机化学实验［M］.北京：中国医药科技出版社，2004：47.

［8］廖延彪.光纤光学［M］.北京：清华大学出版社，2000：101－102.