基于塑料光纖監測硝酸鉀溶液的溫度和溶解度

湯國玉，周 微，康智慧，徐曉峰

（吉林大學物理學院，吉林 長春130012）

硝酸鉀是一種十分重要的化學物質，在農業和工業中應用非常廣泛.在農業上，硝酸鉀用做不含氯的水溶性肥料，為作物補充硝態氮和鉀元素；在工業上，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、光學玻璃、陶瓷、計算機和彩電玻殼等行業［1］.工業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纖維.纖芯材料具有良好的透光率，可達90%以上［2］.POF具有生產成本低、柔軟、堅固、直徑較大（約1mm）、接續損耗較低和機械強度大等優點［3］.可以實現較長距離信號傳輸，利于遠程監測，使得塑料光纖廣泛應用于傳感領域［4－6］.

1 實驗原理

物質的溶解度是指在100g水中最多能溶解的物質的質量.和大多數固體物質一樣，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.

實驗裝置如圖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，使溶液在整個加溫過程中始終處于飽和狀態.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沿軸向運動.光纖沉浸在溶液中，2根POF端面間距為1.5mm，固定光纖，2個固定端距離自由伸展端都是2cm.

光從端面1射入光纖，經過端面2后進入溶液，再經過端面3重新耦合進入光纖，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 實驗裝置示意圖

POF是多模光纖，主要由聚甲基丙烯酸甲酯構成，這是一種熱膨脹率很高的物質，光纖工作溫度小于70℃.其線膨脹系數為7.6×10－5／K.當溶液溫度升高時，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，2 根光纖端面間距z＝（1 500－3.04×（t－25））μm，其中3.04由兩自由段長度和與膨脹系數乘積得到，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折射率有關.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 為相對折射率差（約為0.05）.損耗α與溶液折射率n0及溫度t的關系如圖2.

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

2 實驗過程

按圖1所示固定好實驗裝置，左側為輸入光纖，右側為輸出光纖.激光器輸出激光射入1端面，4端面出射光射入光電轉換器，光電轉換器連接示波器.托盤置于加熱平臺上，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.

利用加熱平臺依次設定溫度為25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃.加熱至每個溫度點時，穩定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 與溫度及折射率關系圖

3 結果與討論

利用測量數據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，由光電轉換器所探測到的光功率增加，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系同時可以繪制輸出電壓和溶解度的關系（見圖4）.其線性度為0.991 5.

由圖4可見，本文實驗裝置在硝酸鉀升溫溶解過程中可同時測量溶解度和溶液溫度，且測量精度較高，線性度較好.2種機制結合實現傳感是有效的.

圖3 輸出電壓與溫度關系曲線

圖4 輸出電壓和溶解度關系曲線

4 結束語

硝酸鉀廣泛應用于工農業生產中，在硝酸鉀的生產過程中常利用其在不同溫度下的溶解度不同進行結晶提純.可見溶解度和溫度是硝酸鉀溶液的重要指標.利用2種機制可同時測量升溫過程中硝酸鉀溶液的溶解度和溫度，實驗結果精度較高，線性度較好.

［1］王瑩，陸思偉，余榮華，等.我國硝酸鉀標準現狀與展望［J］.中國石油和化工標準與質量，2013（5）：10－14.

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［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.長距離塑料光纖攝像機的光學設計及應用基礎研究［D］.西安：中國科學學院西安光學精密機械研究所，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］劉迎春.無機化學實驗［M］.北京：中國醫藥科技出版社，2004：47.

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