基于級(jí)聯(lián)光柵的氨氮質(zhì)量濃度檢測(cè)

王燕濤　姜鳳賢　喬引莊

摘要： 為了實(shí)現(xiàn)水中氨氮質(zhì)量濃度的在線檢測(cè)，基于光纖光柵傳輸理論，提出了一種利用級(jí)聯(lián)光柵，雙參量同步測(cè)量的傳感方案，推導(dǎo)出傳感系統(tǒng)的靈敏度矩陣。實(shí)驗(yàn)測(cè)出了布拉格光纖光柵（FBG）和長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）的溫度靈敏度系數(shù)、氨氮質(zhì)量濃度靈敏度系數(shù)，獲得了傳感系統(tǒng)的靈敏度矩陣。結(jié)果表明，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)施，為水中氨氮在線檢測(cè)的研究提供了一種參考方案。

關(guān)鍵詞： 級(jí)聯(lián)光柵； 濃度檢測(cè)； 靈敏度矩陣； 氨氮

中圖分類號(hào)： TN 253文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.002

Abstract： In order to realize the realtime monitoring of the ammonia nitrogen concentration and temperature in the water， we presented an approach of doubleparameter simultaneous measurements using a cascaded fiber grating sensor， based on transmission theory of fiber grating. The sensitivity matrix of the sensing system is derived. The temperature sensitivity coefficients and the ammonia nitrogen concentration sensitivity coefficients of the fiber bragg grating（FBG） and long periocl fiber grating（LPFG） are measured， and the sensitivity matrix of the sensing system is obtained. Results indicate that the scheme has a simple structure and is easy to implement， and provides a new feasible reference program for the realtime monitoring of the ammonia nitrogen in the water.

Keywords： cascaded fiber grating； concentration detection； sensitivity matrix； ammonia nitrogen

引言氨氮是污水分析的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在水中常以游離氨（NH3）和氨離子（NH+4）形式存在，測(cè)定水中各種形態(tài)的氮化物含量有助于評(píng)價(jià)水體被污染和自凈狀況。 目前，水中氨氮測(cè)定的實(shí)驗(yàn)室分析方法有：納氏比色法、苯酚次氯酸鹽比色法和電極法等[1]。氨氮的在線分析方法主要有滴定法、離子選擇電極法和比色法[2]。滴定法監(jiān)測(cè)儀在測(cè)定氨氮質(zhì)量濃度低的水樣時(shí)誤差較大，水中的揮發(fā)性胺類會(huì)使測(cè)定結(jié)果偏高，且由于使用酸堿試劑，易造成腐蝕，儀器維護(hù)工作量較大；電極法氨氮在線監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，而比色法由于需要加入顯色劑等，需要配置蠕動(dòng)泵及管線，結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜；氨氣敏電極法由于使用了氣體滲透膜，易導(dǎo)致氣孔堵塞，設(shè)備維護(hù)工作量較大，且氨氣敏電極價(jià)格較高；銨離子選擇電極法對(duì)水中Na+、K+、H+、Rb+、Li+、Cs+等一價(jià)陽(yáng)離子選擇性較差；水楊酸比色法儀器故障率較高，儀器維護(hù)工作量大[3]。光纖光柵傳感器具有耐高溫、防腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，且具有很高的折射率敏感性，特別適宜折射率傳感，可用于化學(xué)溶液質(zhì)量濃度檢測(cè)[45]。本文基于布拉格光纖光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）與長(zhǎng)周期光纖光柵（long period fiber grating，LPFG）級(jí)聯(lián)光柵，利用其透射諧振峰對(duì)溫度和環(huán)境折射率的不同響應(yīng)和靈敏度系數(shù)矩陣，來(lái)實(shí)現(xiàn)氨氮濃度實(shí)時(shí)變化的檢測(cè)。光學(xué)儀器第37卷

第3期王燕濤，等：基于級(jí)聯(lián)光柵的氨氮質(zhì)量濃度檢測(cè)

1原理FBG中實(shí)現(xiàn)的是前向纖芯模與后向纖芯模之間的耦合，基本上與外界環(huán)境的折射率無(wú)關(guān)，而LPFG則不同，它實(shí)現(xiàn)的是前向傳輸纖芯模與各階包層模之間的耦合，其包層模式的有效折射率除了與纖芯折射率有關(guān)外，還與環(huán)境層折射率有關(guān)[6]。當(dāng)環(huán)境層的溫度變化時(shí)，F(xiàn)BG與LPFG諧振波長(zhǎng)都成線性變化。因此可以利用FBG與LPFG的級(jí)聯(lián)光柵，對(duì)氨氮溶液的質(zhì)量濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。當(dāng)溶液溫度和折射率同時(shí)變化時(shí)，對(duì)于FBG來(lái)說(shuō)，光耦合限制在纖芯模，屏蔽了外部介質(zhì)折射率對(duì)包層模的影響，因此FBG從本質(zhì)上對(duì)外界環(huán)境折射率的變化是不敏感的，其諧振波長(zhǎng)變化ΔλB只對(duì)溫度變化ΔT敏感，可表示為[7]ΔλB=K11ΔT+K12Δn（1）式中：K11為溫度靈敏度系數(shù)；K12為折射率靈敏度系數(shù)；Δn為外界環(huán)境折射率變化。對(duì)于LPFG來(lái)說(shuō)，其透射譜諧振波長(zhǎng)的變化ΔλL與溫度變化ΔT也成線性關(guān)系，而只有外界環(huán)境折射率變化Δn在1.33～1.40區(qū)間時(shí)，ΔλL與Δn才可看成線性關(guān)系[8]，氨氮溶液的折射率正好滿足此條件，那么ΔλL=K21ΔT+K22Δn（2）式中：K21為溫度靈敏度系數(shù)；K22為折射率靈敏度系數(shù)。由文獻(xiàn)[9]可知，溶液質(zhì)量濃度W與溶液折射率n一般成近似線性關(guān)系，即W=bn+a，那么，ΔW=bΔn，代入式（1）、式（2）得ΔT

ΔW=MΔλB

ΔλL，（3）式中：M=K11K12/b

K21K22/b-1為系統(tǒng)的靈敏度矩陣；K12/b，K22/b分別為FBG和LPFG的溶液質(zhì)量濃度靈敏度系數(shù)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析采用普通單模光纖（型號(hào)：康寧SMF28e+），首先剝?nèi)テ渫扛矊?，然后利用紫外掩模板法在其上分別成柵：LPFG段柵區(qū)長(zhǎng)度為25 mm，柵格周期為430 μm；FBG段柵區(qū)長(zhǎng)度為10 mm，柵格周期為0.538 μm。實(shí)驗(yàn)光源選用寬帶光源，通過(guò)YOKOGAWA光譜儀（型號(hào)：AQ6370C），觀察透射光譜。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1，級(jí)聯(lián)光纖光柵的兩端固定在水槽兩端，使光柵段沒(méi)入溶液中，利用光譜儀觀察透射譜諧振波長(zhǎng)的變化。如果標(biāo)定好傳感系統(tǒng)對(duì)溫度和濃度的變化靈敏度，則通過(guò)光譜儀檢測(cè)系統(tǒng)透射光譜諧振峰的波長(zhǎng)變化值，代入式（3），就可以確定氨氮溶液質(zhì)量濃度的改變量。

45 ℃ and 60 ℃2.1溫度靈敏度的標(biāo)定將級(jí)聯(lián)光柵置于溫度較高的蒸餾水中，利用水銀溫度計(jì)測(cè)量水溫，降溫過(guò)程中觀測(cè)光譜儀變化情況，F(xiàn)BG與LPFG透射峰均向短波方向漂移，如圖2所示，諧振波長(zhǎng)漂移ΔλL、ΔλB與溫度T關(guān)系，如圖3所示，計(jì)算得出FBG與LPFG溫度靈敏度分別為K11=0.008 nm/℃和K21=0.201 37 nm/℃。

2.2濃度靈敏度的標(biāo)定在室溫25 ℃保持基本不變的情況下，將級(jí)聯(lián)光柵置于質(zhì)量濃度分別為1 000 mg/L、667 mg/L、500 mg/L、333 mg/L、250 mg/L、0 mg/L的氨氮溶液（由氨氮標(biāo)準(zhǔn)液GSB 042832-2011和蒸餾水配兌）中，觀察光譜儀級(jí)聯(lián)光柵諧振波長(zhǎng)漂移與質(zhì)量濃度的關(guān)系見(jiàn)圖4所示，計(jì)算出FBG和LPFG的濃度靈敏度系數(shù)分別為K12/b=0 nm·L/mg，K22/b=-7.061 4×10-6 nm·L/mg。

因此，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的靈敏度矩陣M=0.0080

0.201 37-7.061 4×10-6-1。標(biāo)定好靈敏度矩陣后，只要將該系統(tǒng)光柵段置于氨氮待測(cè)溶液中，將光譜儀觀測(cè)諧振波長(zhǎng)漂移量代入式（4），即可獲得氨氮溶液的質(zhì)量濃度變化情況，為水質(zhì)的氨氮實(shí)時(shí)檢測(cè)提供參考。3結(jié)論本文利用級(jí)聯(lián)光柵傳感特性，提出了一種基于級(jí)聯(lián)光柵檢測(cè)氨氮溶液質(zhì)量濃度變化的方案，推導(dǎo)出了雙參數(shù)測(cè)量的靈敏度矩陣公式，并在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。當(dāng)溫度變化時(shí)，測(cè)出FBG和LPFG諧振波長(zhǎng)漂移靈敏度分別為K11=0.008 nm/℃和K21=0.201 37 nm/℃；當(dāng)氨氮溶液質(zhì)量濃度變化時(shí)，F(xiàn)BG和LPFG質(zhì)量濃度靈敏度為K12/b=0 nm·L/mg和K22/b=-7.061 4×10-6 nm·L/mg，標(biāo)定了傳感系統(tǒng)靈敏度矩陣后，將傳感系統(tǒng)的光柵段置于待測(cè)溶液中，觀測(cè)諧振波長(zhǎng)漂移，即可獲得氨氮溶液的濃度變化。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，易于實(shí)施，對(duì)改善氨氮的在線測(cè)量將會(huì)有一定的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)：

[1]溫麗云，范朝，袁倬斌.我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的氨氮分析方法[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2005，21（4）：2832.

[2]尹洧.現(xiàn)代分析技術(shù)在水質(zhì)氨氮監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)無(wú)機(jī)分析化學(xué)，2013，3（2）：15.

[3]汪志國(guó)，劉廷良，加爾肯.水質(zhì)氨氮在線監(jiān)測(cè)儀發(fā)展現(xiàn)狀[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2005，19（1）：4144.

[4]魯韶華，許鷗，馮素春，等.基于長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率傳感器[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2008，23（4）：3538.

[5]劉宏月，梁大開(kāi)，曾捷，等.基于長(zhǎng)周期光纖光柵諧振光譜調(diào)制的氨氮降解監(jiān)測(cè)研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（9）：24562459.

[6]張自嘉，王昌明.光纖光柵傳輸矩陣研究[J].光子學(xué)報(bào)，2007，36（6）：10751077.

[7]姚遠(yuǎn)，易本順，肖進(jìn)勝，等.光纖布拉格光柵傳感器的溫度補(bǔ)償研究[J].應(yīng)用激光，2007，27（3）：192200.

[8]趙明富，王念，羅彬彬，等.可同時(shí)測(cè)量蔗糖濃度和溫度的組合光纖光柵傳感器[J].中國(guó)光學(xué)，2014，7（3）：476482.

[9]張志偉，尹衛(wèi)峰，溫廷敦，等.溶液濃度與其折射率關(guān)系的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，30（3）：281285.

（編輯：張磊）