專利名稱：利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
太赫茲(Terahertz或THz，ITHz=IO12Hz)波通常是指頻率在O.1 IOTHz區(qū)間的電磁波，其光子的能量約為I IOmeV,正好與分子振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間躍遷的能量大致相當(dāng)。大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對(duì)太赫茲福射有強(qiáng)烈的吸收，許多有機(jī)大分子(DNA、蛋白質(zhì)等)的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷也正好在太赫茲波段范圍。因此，物質(zhì)的太赫茲光譜(包括發(fā)射、反射和透射光譜)包含有豐富的物理質(zhì)和化學(xué)信息，其吸收和色散特性可以用來(lái)做爆炸物、藥物等化學(xué)及生物樣品的探測(cè)和識(shí)別，在物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，以左手材料(Left_Handed_Material，簡(jiǎn)稱LHM)或稱為負(fù)折射率材料(Negative Refractive Index Material,簡(jiǎn)稱NIM)為代表的異向介質(zhì)材料成為電磁學(xué)、光電子學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題之一。學(xué)術(shù)界認(rèn)為異向介質(zhì)材料的各種奇妙特性，如負(fù)折射效應(yīng)、電磁聚焦效應(yīng)等不但革新了基本物理理論，同時(shí)具有巨大的潛在應(yīng)用前景。在由諧振環(huán)或諧振棒構(gòu)成的異向介質(zhì)材料中，電磁波在特定波段與材料發(fā)生諧振，在沿頻率變化的透射率曲線中形成諧振峰。而異向材料在諧振峰所處的頻帶才可能具備“左手”特性。比如常見(jiàn)的開(kāi)口諧振環(huán)陣列具有很高的品質(zhì)因數(shù)，使電磁波在諧振頻率附近的窄帶傳播，并激發(fā)磁偶極子，在開(kāi)口諧振環(huán)單元尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生等效的負(fù)磁導(dǎo)率。開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)所具有的電磁場(chǎng)局部增強(qiáng)和高品質(zhì)因數(shù)特點(diǎn)，可作為傳感器使用。溶液濃度是一個(gè)重要物理量，在化工、冶金、造紙、釀酒、制糖、環(huán)保行業(yè)及科研等領(lǐng)域都常常需要對(duì)溶液濃度進(jìn)行測(cè)量。其中特別是酒精類飲品是國(guó)家控制產(chǎn)品，對(duì)其中的乙醇含量有嚴(yán)格規(guī)定。快速準(zhǔn)確地測(cè)定飲品中乙醇含量在食品工業(yè)質(zhì)量控制中十分重要。由于溶液的折射率與吸收率等光學(xué)參數(shù)與其濃度和溫度直接相關(guān)因此通過(guò)測(cè)量溶液的光學(xué)參數(shù)來(lái)測(cè)量溶液濃度是常用的方法之一，例如光纖傳感器、紅外及拉曼譜測(cè)量法等等。同膜分離結(jié)合的酶法測(cè)量等電化學(xué)方法相比，這類具有測(cè)量速度快，精度高，尤其適合易燃易爆等場(chǎng)所測(cè)量。近紅外、中紅外及拉曼光譜已經(jīng)應(yīng)用于飲品中乙醇含量的測(cè)量，但在測(cè)量方法建立初期，需要完成大批量實(shí)驗(yàn)以建立起化學(xué)計(jì)量模型。而且模型多以光強(qiáng)度信號(hào)或與強(qiáng)度直接相關(guān)的量的變化實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的感知，對(duì)光源的穩(wěn)定性要求極高，而且計(jì)算復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是克服現(xiàn)有電化學(xué)法和光譜法測(cè)量酒精濃度的不足，提供一種利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置。利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置包括聚酰亞胺襯底、金屬諧振環(huán)陣列、待測(cè)酒精溶液、返波振蕩器、高阻硅片分束器、第一聚四氟乙烯透鏡、第二聚四氟乙烯透鏡、第一肖特基二極管探測(cè)器、第三聚四氟乙烯透鏡9和第二肖特基二極管探測(cè)器；聚酰亞胺襯底上表面布置的金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，在金屬諧振環(huán)陣列上放置不同濃度的待測(cè)酒精溶液，聚酰亞胺襯底下表面布置的金屬諧振環(huán)陣列，由返波振蕩器發(fā)出的太赫茲波經(jīng)高阻硅片分束器反射和第一聚四氟乙烯透鏡聚焦后垂直入射到下表面布置的金屬諧振環(huán)陣列，被反射的太赫茲波透過(guò)高阻硅片分束器和第二聚四氟乙烯透鏡到達(dá)第一肖特基二極管探測(cè)器；同時(shí)，由返波振蕩器發(fā)出的太赫茲波透過(guò)高阻硅片分束器和第三聚四氟乙烯透鏡到達(dá)第二肖特基二極管探測(cè)器。本實(shí)用新型利用太赫茲異向介質(zhì)的諧振效應(yīng)來(lái)測(cè)量飲品中酒精濃度，原理是酒精濃度與溶液的折射率直接對(duì)應(yīng)，伴隨濃度變化的折射率變化引起太赫茲異向介質(zhì)反射系數(shù)上的諧振峰發(fā)生移動(dòng)，從而精確測(cè)量其中的酒精含量。由于返波振蕩器的太赫茲頻譜分辨率可以達(dá)到5MHz，本傳感器中從純水到純酒精反射系數(shù)的諧振峰移動(dòng)可達(dá)25GHz以上，使得測(cè)量精度可達(dá)O. 02%以上。

圖1 一種利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度傳感裝置示意圖；圖3 測(cè)量純水、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液時(shí)的太赫茲反射系數(shù)曲線；圖中聚酰亞胺襯底1、金屬諧振環(huán)陣列2、待測(cè)酒精溶液3、返波振蕩器4、高阻硅片分束器5、第一聚四氟乙烯透鏡6、第二聚四氟乙烯透鏡7、第一肖特基二極管探測(cè)器8、第三聚四氟乙烯透鏡9和第二肖特基二極管探測(cè)器10 ；
具體實(shí)施方式
如圖1、2所示，利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置包括聚酰亞胺襯底1、金屬諧振環(huán)陣列2、待測(cè)酒精溶液3、返波振蕩器4、高阻硅片分束器5、第一聚四氟乙烯透鏡6、第二聚四氟乙烯透鏡7、第一肖特基二極管探測(cè)器8、第三聚四氟乙烯透鏡9和第二肖特基二極管探測(cè)器10;聚酰亞胺襯底I上表面布置的金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)2，在金屬諧振環(huán)陣列2上放置不同濃度的待測(cè)酒精溶液3，聚酰亞胺襯底I下表面布置的金屬諧振環(huán)陣列2，由返波振蕩器4發(fā)出的太赫茲波經(jīng)高阻硅片分束器5反射和第一聚四氟乙烯透鏡6聚焦后垂直入射到聚酰亞胺襯底I下表面布置的金屬諧振環(huán)陣列2，被反射的太赫茲波透過(guò)高阻硅片分束器5和第二聚四氟乙烯透鏡7到達(dá)第一肖特基二極管探測(cè)器8 ;同時(shí)，由返波振蕩器4發(fā)出的太赫茲波透過(guò)高阻硅片分束器5和第三聚四氟乙烯透鏡9到達(dá)第二肖特基二極管探測(cè)器10。所述的諧振環(huán)陣列2采用銅質(zhì)開(kāi)口諧振環(huán)單元，銅質(zhì)開(kāi)口諧振環(huán)單元的尺寸為周期600微米，單元直徑500微米，線寬100微米，開(kāi)口間隙100微米，厚度為18微米，聚酰亞胺基底厚度為50微米。聚酰亞胺襯底I上下表面布置的金屬諧振環(huán)陣列所組成的太赫茲異向介質(zhì)的總體尺寸是長(zhǎng)1. 5厘米、寬1. 5厘米、厚86微米。利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量方法的步驟如下[0017]I)在聚酰亞胺襯底I上表面的金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)2上分別放置純水、精度在O. 01%以上重量百分比濃度為5%、10%、15%、20%、25%、30%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100% 的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液；2)返波振蕩器4發(fā)出的太赫茲波在O. 35、. 5THz頻率范圍內(nèi)掃描，掃描頻率間隔為5MHz，得到第一肖特基二極管探測(cè)器8與第二肖特基二極管探測(cè)器10信號(hào)之比的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線；3)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線，確定標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線諧振峰位置并與標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液濃度建立標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液濃度-諧振峰測(cè)量校正曲線，從純水到100%的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液變化過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線上的諧振峰移動(dòng)能達(dá)25GHz以上，使得標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液的濃度測(cè)量精度達(dá)到O. 02%以上；4)放置待測(cè)酒精溶液3，使得返波振蕩器4發(fā)出的太赫茲波在O. 35、. 5THz頻率范圍內(nèi)掃描，掃描頻率間隔為5MHz，得到第一肖特基二極管探測(cè)器8與第二肖特基二極管探測(cè)器10信號(hào)之比的待測(cè)酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線；5)根據(jù)待測(cè)酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線，確定待測(cè)酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線諧振峰位置，并代入由步驟I) 步驟3)建立的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液濃度-諧振峰測(cè)量校正曲線，得到待測(cè)酒精溶液的精確濃度。如圖3所示，利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置上測(cè)量純水、重量百分比濃度為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的標(biāo)準(zhǔn)酒精溶液時(shí)的太赫茲反射系數(shù)曲線?？梢钥吹皆撉€由于雙層金屬諧振環(huán)陣列組成的太赫茲異向介質(zhì)形成的反射系數(shù)曲線諧振峰隨酒精溶液濃度變化而移動(dòng)。由于返波振蕩器的太赫茲頻譜分辨率可以達(dá)到5MHz，本傳發(fā)明中從純水到純酒精反射系數(shù)的諧振峰移動(dòng)可達(dá)25GHz以上，使得酒精溶液濃度測(cè)量精度可達(dá)O. 02%以上。
權(quán)利要求1.一種利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置，其特征在于包括聚酰亞胺襯底(I)、金屬諧振環(huán)陣列(2)、待測(cè)酒精溶液(3)、返波振蕩器(4)、高阻硅片分束器(5)、第一聚四氟乙烯透鏡￠)、第二聚四氟乙烯透鏡(7)、第一肖特基二極管探測(cè)器(8)、第三聚四氟乙烯透鏡(9)和第二肖特基二極管探測(cè)器(10)；聚酰亞胺襯底(I)上表面布置的金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)(2)，在金屬諧振環(huán)陣列(2)上放置不同濃度的待測(cè)酒精溶液(3)，聚酰亞胺襯底(I)下表面布置的金屬諧振環(huán)陣列(2)，由返波振蕩器(4)發(fā)出的太赫茲波經(jīng)高阻硅片分束器(5)反射和第一聚四氟乙烯透鏡(6)聚焦后垂直入射到下表面布置的金屬諧振環(huán)陣列(2)，被反射的太赫茲波透過(guò)高阻硅片分束器(5)和第二聚四氟乙烯透鏡(7)到達(dá)第一肖特基二極管探測(cè)器(8);同時(shí)，由返波振蕩器(4)發(fā)出的太赫茲波透過(guò)高阻硅片分束器(5)和第三聚四氟乙烯透鏡(9)到達(dá)第二肖特基二極管探測(cè)器(10)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應(yīng)的酒精濃度測(cè)量裝置。本實(shí)用新型中的太赫茲異向介質(zhì)是在聚酰亞胺襯底上下表面布置了兩層金屬諧振環(huán)陣列。在異向介質(zhì)一側(cè)金屬諧振環(huán)陣列上放置待測(cè)酒精溶液，由返波振蕩器發(fā)出的太赫茲波垂直入射到另一側(cè)的金屬諧振環(huán)陣列上，太赫茲波在一定頻率范圍內(nèi)掃描變化時(shí)利用兩個(gè)肖特基二極管探測(cè)器探測(cè)得到雙層金屬諧振環(huán)陣列反射系數(shù)曲線。金屬諧振環(huán)的諧振效應(yīng)使得反射系數(shù)曲線上的諧振峰隨酒精濃度變化移動(dòng)。由于返波振蕩器的頻譜分辨率小于5MHz，本實(shí)用新型中待測(cè)溶液從純水到純酒精變化時(shí)反射系數(shù)曲線的諧振峰移動(dòng)大于25GHz，使得該測(cè)量裝置測(cè)量酒精濃度的精度達(dá)到0.02%以上。
文檔編號(hào)G01N21/41GK202837178SQ201220407759
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者李向軍 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院