针对衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱仪用于测量结晶过程溶液浓度时， 因光谱谱线维度高、 无关变量多， 导致的标定模型预测精度低、 可解释性差等问题， 提出了一种变量稳定加权混合收缩的新方法。 首先提出对光谱变量进行随机二进采样， 将建立的优秀子模型中变量被选频率与所有子模型中变量回归系数的稳定性指标进行加权评价的稳定加权变量种群分析法（SWVCPA）。 通过对变量的重要性进行排序， 采用指数递减函数在迭代过程中逐渐强制滤除重要性低的变量， 实现了对光谱变量空间的初步收缩， 并大幅提高了收缩的稳定性。 然后在收缩后的子空间继续使用一种新的动态麻雀算法（DSSA）， 以最小化训练预测均方根误差（RMSEC）为适应度函数进一步优化变量组合。 这种混合优化方式融合了两类变量选择算法的优点， 通过子模型竞争的方法确保了前期变量收缩的稳定性， 防止算法陷入局部最优; 通过智能优化算法避免了对剩余变量组合的遍历寻优， 允许保留更多的变量进行精准选择。 为了验证新方法的性能， 使用L-谷氨酸溶液冷却结晶过程中6种不同浓度下采集到的ATR-FTIR光谱数据进行测试。 结果表明， 新方法将光谱变量数从613个减少到46个， 与原始光谱相比， 使用选择后变量建立的偏最小二乘法（PLSR）模型其预测均方根误差（RMSEP）为从1.727 9降低到0.165 4， 预测决定系数（R2）从0.973 7提高到0.999 7。 另外相比于特征谱段、 遗传算法（GA）以及变量种群组合分析法（VCPA）选择变量建立的模型， 使用新方法建立的溶液浓度预测模型具有更高的准确性和稳定性， 说明该方法对提高使用ATR-FTIR光谱法测量冷却结晶过程溶液浓度准确性和可靠性具有一定的实际应用价值。

针对信号调制与传输特点, 设计搭建了一种由两个不同驱动频率声光调制器组成的外差干涉系统, 双路光强调制避免了由声光调制引起的衍射级次混叠和频移漂移等影响, 采用双路调制最后输出由两个+1级衍射光干涉形成的拍频信号, 消除了级间干扰; 同时系统良好的共线性和对称性, 极大地减小了外界环境噪声对测量精度的影响, 提高了检测精度。基于折射率改变引起的相位变化信息进行检测及处理, 通过测量不同百分比浓度的溶液, 并对系统的相位特性进行了研究, 提出一种溶液浓度检测的新方案, 并对激光漂移和调制强度对测量系统的影响进行了分析。实验结果表明, 该检测系统能够较好地通过对信号相位差改变信息的处理完成对溶液浓度的检测, 在0.1%~0.5%范围内, 最大相对误差约为8.0%, 为光外差干涉溶液浓度测量系统小型化设计和制造提供了参考。

为了在测量NaCl溶液浓度的同时实现对温度的监测, 提出了一种基于马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)级联法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer, FPI)的干涉型传感器。在单模光纤上通过熔融放电制作出一对腰锥直径155 ?滋m、间隔1.5 cm的MZI, 其对比度为10 dB、周期29.85 nm; 在MZI尾纤的一端与光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)相对熔接并在距熔接点176 ?滋m处将PCF切平, 形成对比度为8 dB、周期为5.71 nm的FPI。实验选取1 535~1 555 nm波段MZI和FPI的干涉波谷特征波长, 在0~150 ℃的温度和0%~24%的NaCl溶液浓度变化范围内测得MZI的温度和折射率灵敏度分别为50 pm/℃和9.97 nm/RIU, 线性度均大于0.97; 而FPI的波谷特征波长对折射率不敏感, 温度灵敏度约为8.3 pm/℃, 线性度为0.98。最后, 通过构建温度-浓度函数关系矩阵得出了对温度和NaCl溶液浓度的灵敏度矩阵。该干涉型传感器对温度和NaCl溶液浓度表现出良好的灵敏度和线性度, 可实现上述双参数的同时测量。

为了得出光子晶体缺陷透射峰位置与溶液折射率及溶液浓度的关系, 从而得知溶液的折射率和溶度之间的关系。本文构造了(AB)NC(AB)N型的一维光子晶体模型, 采用时域有限差分法对该一维光子晶体的透射光谱做了数值模拟和分析。结果表明, 蔗糖溶液折射率和浓度与光子晶体透过峰位置之间为严格的线性关系, 光子晶体缺陷模透射峰位置随溶液浓度百分比的改变而变化。该溶液测量方法的溶液折射率测量灵敏度高达498.087 nm/RIU。 这为光子晶体溶液折射率及浓度测量传感器的设计制作提供了参考, 有助于该溶液浓度检测传感器在实际应用中的推广。

根据溶液中溶质的浓度变化将引起溶液折射率变化的特性, 提出一种利用光学低相干干涉技术通过测量葡萄糖溶液的折射率来确定其浓度的方法。基于迈克尔逊干涉仪, 建立了低相干光葡萄糖浓度检测系统, 通过调节可移动角镜以产生干涉信号, 根据角镜的位移量计算出光程, 并进而求出折射率。实验结果表明: 在LED光源光谱半高宽度为25nm, 可移动角镜的移动步长为微米量级时, 利用该方法对折射率的测量精度可以达到10-4数量级以上, 对应的可以检测出低于100mg/dL的葡萄糖的浓度变化。过程方便快捷, 受外界限制因素小, 是一种有效的测量各种液体折射率及浓度的方法。

作为一种原位、 快速、 无损坏的中红外光谱分析技术, ATR-FTIR已在很多工程领域得到越来越多的应用, 尤其是针对结晶过程溶液浓度的原位实时测量。 水是一种常用的结晶溶剂, 在中红外波段具有强吸收峰, 并且在不同温度下具有光谱吸收差异性, 因而不能忽略溶剂水和温度对溶液浓度的中红外光谱测量带来的影响。 以朗伯-比尔定律为基础, 提出采用溶液光谱减去相应温度下的溶剂光谱的方法, 从而能准确地测量溶液浓度。 以L-谷氨酸溶液结晶过程为例, 对L-谷氨酸水溶液的原始光谱数据、 溶液光谱扣除常温(25℃)溶剂水的光谱数据以及溶液光谱对应温度扣除溶剂水的光谱数据分别进行建模。 结果表明, 提出的对应温度差谱法能有效消除溶剂水峰对溶质光谱测量的干扰, 明显地降低了溶液浓度光谱标定模型的预测误差。 该方法对提高原位ATR-FTIR光谱检测精度的实际应用具有一定的参考价值。

根据洛伦兹电子理论、比尔定律以及朗伯定律,提出了溶液在一定浓度范围内与折射率线性关系的理论模型,并以光纤液体传感器为基础,引入“压差比”的概念,根据菲涅尔公式,从理论上得出溶液折射率与压差比的对应关系。通过偏振光调制法测量在不同浓度的Na2CO3溶液作用下的“压差比”,从而实时、准确地测量液体浓度。采用光电探测器对偏振光信号进行探测,经光电变换后利用信号调理电路实现信号采集,模数转换后运用单片机实现信息的处理。实验结果表明,该方法的测量精度为5‰,与传统方法相比有较大提升。

针对传统溶液浓度测量方法的不足, 提出了一种基于光纤端面反射原理的溶液浓度测量方法。通过Fresnel(菲涅耳)定律以及折射率与溶液浓度关系, 建立了反射光强同溶液浓度的函数关系, 分析了反射光强变化的规律特征, 指出反射光强随溶液浓度变化应具有保持线性关系。并且通过蔗糖溶液和葡萄糖溶液的实验研究, 验证了反射光强随溶液浓度变化符合线性关系特性, 线性拟合度达到99%以上。该方法可用于蔗糖、葡萄糖等溶液浓度的在线测量, 具有线性度高、操作简单、易于实现特点。

空芯光纤已经成功用于红外波段的传能与气体传感。利用金属膜空芯光纤在可见光波段的低损耗特性，进行有色溶液测量。基于可见光光谱吸收法，设计并搭建了稳定实用的溶液浓度传感系统。从理论上对系统进行仿真计算，分析了系统的传感特性。实验测定了氯化钴溶液的浓度，结果表明系统具有响应速度快、操作便捷和灵敏度高的优点。另外,系统具有可小型化及可在线检测的特点，在环境监测、化工过程监控和医药生产等领域都有广阔的应用前景。

提出并实施了一种实验推定离子交换单模条波导折射率分布的新方法，给出扩散系数可用常量等效的离子交换条件，导出了条波导离子交换制备过程的两维扩散方程的一般解，拟合推定了离子交换条波导的折射率分布.多波长测试的折射率色散通过引入玻璃色散关系解决，样品测试中表征导模吸收损耗的传播常量虚部由KK变换确定.在此基础上，试制了光纤-条波导-光纤一体化传感器结构，验证实测了多种不同浓度的葡萄糖溶液，最低检测限为0.1 μM，实现了低浓度微量测试，验证了条波导传感机制的有效性.