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研究生:鄭育舜
研究生(外文):Yu-Shun Jheng
論文名稱:微流體干涉儀特性與在氯化鈉溶液和粒料之氯離子感測應用
論文名稱(外文):Detection of chloride ions and sodium chloride solutions using microchip-based fiber-optic interferometer
指導教授:王劍能
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:110
中文關鍵詞:光纖折射率粒料氯化鈉海砂干涉儀氯離子微流體海水
外文關鍵詞:sea sandmicrofluidicssea waterchloride ionfiber interferometersodium chlorideaggregatesrefractive index
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建築物若含有超量的氯離子會導致鋼筋被腐蝕,混凝土剝落,所以檢測氯離子含量為土木工程材料的檢測項目。本研究包含光學、電化學與折射率實驗,執行不同氯離子溶液感測 (包含氯化鈉溶液、海水溶液、海砂浸泡液、粗及細粒料浸泡液)。

光學實驗採用以光纖自製的馬赫-詹德 (Mach-Zehnder,MZ) 干涉儀作為感測器,自製的干涉儀以2 cm及3 cm之成功率最高 (超過5成),並且結合微流體晶片使其成為微流體干涉儀 (干涉儀 + 微流體晶片),使用晶片有分晶片1與晶片2。干涉儀選擇2 cm作為量測的感測器,然後分別與晶片1或晶片2封裝,再對不同溶液執行檢測。電化學實驗是使用Vernier氯離子感測器檢測各溶液。折射率實驗是量測各溶液的折射率。

由實驗結果得知,除氯化鈉溶液外,微流體干涉儀感測並未隨海砂或海水溶液之氯離子濃度增加波長飄移或功率損失有顯著地增加的趨勢,但晶片2比晶片1有較大的波長飄移。Vernier氯離子感測器量測值會隨濃度增加而上升。折射率量測基本上濃度愈高則呈線性變化,濃度最高的氯化鈉溶液 (0.25%-25%) 其值1.333-1.366之間,可是海砂浸泡液、海水溶液低濃度時 (0.025%-0.1%) 測得的數字皆差不多,約為1.332。
If the building containing excess of chloride ions can cause corrosion of steels, concrete spalling, so the detection of chloride ion content of the primary things. This study consists of optical sensing, electrochemical experiments and the measuremeats of the refractive index for different solution (with different concentration of sodium chloride, seawater, sea sand soaked in RO Water, coarse and fine aggregate soaked in RO water).

Optical experiments using the system using home-made fiber-optic Mach-Zehnder (MZ) interferometers as sensors and they were combined with microfluidic chips to become the microfluidic interferometers, the chips had two generations : generations 1 and 2. The interferometer was used as a sensor, and packaged with the tw-generations chips to perform the different chloride solution sensing the chip 1 and 2. Electrochemical experiments using Vernier ISE sensors were performed to detect chloride solutions. Refractive index experiments were the measurements of the refractive index of the different solutions.

The seawater and sea sand soaked in RO water testing results showed that the wavelength shift and transmission loss did not significantly change as the chloride concentration increased. The findings of sodium chloride solutions shows that as the concentration increased the wavelength shift increased. But vernier chloride ion sensor measurement values with the concentration increases. The refractive index values of sodium chloride solution concentration 0.25% -25% were in the range of 1.333 -1.366, but those value’s sea sand soaked in RO water, seawater at low concentrations 0.025% -0.1% measured were about 1.332.
摘要 ............................................................................................................................... i
ABSTRACT ................................................................................................................. ii
誌謝 ............................................................................................................................. iii
目錄 ............................................................................................................................. iv
表目錄 ......................................................................................................................... vi
圖目錄 ........................................................................................................................ vii
第一章 前言 ................................................................................................................ 1
1.1 動機與目的 .................................................................................................... 1
1.2 研究方法........................................................................................................ 2
1.3 研究流程與架構 ............................................................................................ 3
1.4 小結 ............................................................................................................... 5
第二章 文獻回顧 ........................................................................................................ 6
2.1 光導纖維 (光纖) ........................................................................................... 6
2.1.1 光纖的發展 ......................................................................................... 6
2.1.2 光纖的構造 ......................................................................................... 7
2.1.3 光纖的反射原理 ................................................................................. 7
2.1.4 光纖的種類 ......................................................................................... 8
2.1.5 光纖能量傳輸損失............................................................................ 10
2.1.6 光纖的優點 ....................................................................................... 10
2.2 馬赫-詹德干涉儀 (Mach-Zehnder) ............................................................. 11
2.2.1 熔燒與錯接方式 ............................................................................... 13
2.2.2 馬赫-詹德評估方式 .......................................................................... 13
2.3 微流體晶片 .................................................................................................. 15
2.3.1 微流體晶片介紹 ............................................................................... 15
2.3.2 微流感測定義 ................................................................................... 16
2.3.3 微流體晶片的材料............................................................................ 16
2.3.4 微流體晶片的優勢與劣勢 ................................................................ 17
2.4 小結 ............................................................................................................. 17
第三章 材料與實驗方法 ........................................................................................... 18
3.1 材料與實驗設備 .......................................................................................... 18
3.1.1 耗材 ................................................................................................... 18
3.1.2 實驗材料 ........................................................................................... 19
3.1.3 儀器設備 ........................................................................................... 24
3.2 實驗方法...................................................................................................... 27
3.2.1 製作干涉儀與晶片封裝 .................................................................... 27
3.2.2 調配實驗溶液 ................................................................................... 29
3.2.3 執行實驗 ........................................................................................... 31
3.3 小結 ............................................................................................................. 31
第四章 結果與討論 ................................................................................................... 32
4.1 干涉儀製作成果 .......................................................................................... 32
4.1.1 干涉儀長度 ....................................................................................... 32
4.1.2 干涉儀品質評估 ............................................................................... 58
4.2 光學實驗-微流體干涉儀 ............................................................................. 60
4.2.1 第一代晶片-海砂浸泡液................................................................... 61
4.2.2 第一代晶片-海水溶液 ...................................................................... 66
4.2.3 第二代晶片-海砂浸泡液................................................................... 72
4.2.4 第二代晶片-海水溶液 ...................................................................... 77
4.2.5 第二代晶片-氯化鈉溶液................................................................... 82
4.3 電化學實驗-Vernier 氯離子感測器 ............................................................. 86
4.3.1 海砂浸泡液 ....................................................................................... 87
4.3.2 海水溶液 ........................................................................................... 87
4.3.3 氯化鈉溶液 ....................................................................................... 88
4.4 折射率實驗 .................................................................................................. 89
4.4.1 粗、細粒料 ....................................................................................... 89
4.4.2 海砂浸泡液 ....................................................................................... 90
4.4.3 海水溶液 ........................................................................................... 91
4.4.4 氯化鈉溶液 ....................................................................................... 92
4.5 討論 ............................................................................................................. 93
第五章 結論與建議 ................................................................................................... 95
5.1 結論 ............................................................................................................. 95
5.2 建議 ............................................................................................................. 96
參考文獻 .................................................................................................................... 97
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