基于塑料光纖監(jiān)測(cè)硝酸鉀溶液的溫度和溶解度

湯國(guó)玉，周 微，康智慧，徐曉峰

（吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012）

硝酸鉀是一種十分重要的化學(xué)物質(zhì)，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛.在農(nóng)業(yè)上，硝酸鉀用做不含氯的水溶性肥料，為作物補(bǔ)充硝態(tài)氮和鉀元素；在工業(yè)上，硝酸鉀多用于制造火藥、火柴、金屬焊接助劑、氨催化劑；此外，還用于玻璃制品、光學(xué)玻璃、陶瓷、計(jì)算機(jī)和彩電玻殼等行業(yè)［1］.工業(yè)上硝酸鉀的制備常利用其在不同溫度下的溶解度不同來進(jìn)行分離提純.可見，溫度和溶解度是硝酸鉀溶液的重要物理量.

塑料光纖簡(jiǎn)稱POF，又稱聚合物光纖.POF是以透明的高聚合物作為光纖纖芯，使用比纖芯材料折射率低的高聚物作為包層組成的傳輸光線的波導(dǎo)纖維.纖芯材料具有良好的透光率，可達(dá)90%以上［2］.POF具有生產(chǎn)成本低、柔軟、堅(jiān)固、直徑較大（約1mm）、接續(xù)損耗較低和機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)［3］.可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，利于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，使得塑料光纖廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域［4－6］.

1 實(shí)驗(yàn)原理

物質(zhì)的溶解度是指在100g水中最多能溶解的物質(zhì)的質(zhì)量.和大多數(shù)固體物質(zhì)一樣，硝酸鉀的溶解度也隨溫度升高而增大（見表1）［7］.

表1 硝酸鉀在不同溫度下的溶解度

由表1可見，隨溫度升高硝酸鉀溶液濃度增大，溶液折射率也隨之升高.硝酸鉀晶體折射率為1.504.故溶液折射率小于1.5.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.在室溫25℃下，先在托盤中放入硝酸鉀的飽和溶液.在溶液底部鋪滿過量硝酸鉀晶體，使溶液在整個(gè)加溫過程中始終處于飽和狀態(tài).利用低熱膨脹材料制成V 型槽，將POF 置于槽底，確保加熱過程中POF沿軸向運(yùn)動(dòng).光纖沉浸在溶液中，2根POF端面間距為1.5mm，固定光纖，2個(gè)固定端距離自由伸展端都是2cm.

光從端面1射入光纖，經(jīng)過端面2后進(jìn)入溶液，再經(jīng)過端面3重新耦合進(jìn)入光纖，從端面4射出.塑料光纖纖芯折射率為1.492.溫度升高，硝酸鉀溶液濃度增加，溶液折射率也隨之增大.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

POF是多模光纖，主要由聚甲基丙烯酸甲酯構(gòu)成，這是一種熱膨脹率很高的物質(zhì)，光纖工作溫度小于70℃.其線膨脹系數(shù)為7.6×10－5／K.當(dāng)溶液溫度升高時(shí)，2根POF受熱膨脹，沿V 型槽軸向伸展靠近.由于2 根光纖自由伸展部分都是2 cm，所以在25℃～70℃范圍內(nèi)，2 根光纖端面間距z＝（1 500－3.04×（t－25））μm，其中3.04由兩自由段長(zhǎng)度和與膨脹系數(shù)乘積得到，t為攝氏溫度.

2根光纖端面間的間隙將引起耦合損耗，這種損耗的大小與間隙距離和間隙介質(zhì)折射率有關(guān).由多模光纖間隙耦合損耗公式［8］得出本裝置耦合損耗和溶液溫度及折射率的綜合公式

式中：n1為纖芯折射率；n0為硝酸鉀溶液折射率；a 為纖芯半徑（480μm）；Δ 為相對(duì)折射率差（約為0.05）.損耗α與溶液折射率n0及溫度t的關(guān)系如圖2.

由圖2可見：在折射率一定時(shí)，耦合損耗隨溫度升高而減小；在溫度一定時(shí)，耦合損耗隨折射率增加而減小.溫度升高時(shí)2種效應(yīng)作用一致，耦合損耗減小，輸出功率增加.

2 實(shí)驗(yàn)過程

按圖1所示固定好實(shí)驗(yàn)裝置，左側(cè)為輸入光纖，右側(cè)為輸出光纖.激光器輸出激光射入1端面，4端面出射光射入光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器連接示波器.托盤置于加熱平臺(tái)上，托盤底部放置過量硝酸鉀，加入25℃的飽和溶液，POF完全沉浸在液體中.

利用加熱平臺(tái)依次設(shè)定溫度為25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃.加熱至每個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)，穩(wěn)定5min，確保硝酸鉀充分溶解.記錄示波器電壓值.

圖2 耦合損耗α 與溫度及折射率關(guān)系圖

3 結(jié)果與討論

利用測(cè)量數(shù)據(jù)繪制輸出電壓與溫度曲線（見圖3）.從圖3可以看出，輸出電壓隨溫度升高而增大，表明溫度升高時(shí)，由光電轉(zhuǎn)換器所探測(cè)到的光功率增加，即光纖傳輸線路中的損耗減小，這與圖2理論吻合.圖3顯示在25℃～70℃范圍內(nèi)輸出電壓變化了5dB，曲線線性度為0.998 5，說明線性較好.利用溫度與溶解度的關(guān)系同時(shí)可以繪制輸出電壓和溶解度的關(guān)系（見圖4）.其線性度為0.991 5.

由圖4可見，本文實(shí)驗(yàn)裝置在硝酸鉀升溫溶解過程中可同時(shí)測(cè)量溶解度和溶液溫度，且測(cè)量精度較高，線性度較好.2種機(jī)制結(jié)合實(shí)現(xiàn)傳感是有效的.

圖3 輸出電壓與溫度關(guān)系曲線

圖4 輸出電壓和溶解度關(guān)系曲線

4 結(jié)束語

硝酸鉀廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在硝酸鉀的生產(chǎn)過程中常利用其在不同溫度下的溶解度不同進(jìn)行結(jié)晶提純.可見溶解度和溫度是硝酸鉀溶液的重要指標(biāo).利用2種機(jī)制可同時(shí)測(cè)量升溫過程中硝酸鉀溶液的溶解度和溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度較高，線性度較好.

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