本發(fā)明屬于太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種利用聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜太赫茲表面等離子體諧振效應的酒精濃度測量裝置。
背景技術(shù):
太赫茲(Terahertz or THz)波通常是指頻率在0.1~10THz區(qū)間的電磁波,其光子的能量約為1~10meV,正好與分子振動及轉(zhuǎn)動能級之間躍遷的能量大致相當。大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對THz輻射有強烈的吸收,許多有機大分子(DNA、蛋白質(zhì)等)的振動能級和轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷也正好在THz波段范圍。因此,物質(zhì)的THz光譜(包括發(fā)射、反射和透射光譜)包含有豐富的物理質(zhì)和化學信息,其吸收和色散特性可以用來做爆炸物、藥物等化學及生物樣品的探測和識別,在物理學、化學、生物醫(yī)學、天文學、材料科學和環(huán)境科學等方面具有重要的應用價值。
PVDF是含氟乙烯基單體的共聚物,它兼具氟樹脂和通用樹脂的特性,除具有良好的耐化學腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐候性、耐射線輻射性能外,還具有壓電性、鐵電性、熱電性等特殊性能。PVDF有四種多態(tài)結(jié)構(gòu):α、β、γ、δ相,其中β相是電極性形態(tài),具有較高的壓電性能。特別是β相的PVDF的THz介電屬性可以用Drude模型描述,其等離子頻率位于THz頻段,使得在介質(zhì)—PVDF界面可以激發(fā)THz表面等離子激元,在傳感領(lǐng)域有重要應用。
溶液濃度是一個重要物理量,在化工、冶金、造紙、釀酒、制糖、環(huán)保行業(yè)及科研等領(lǐng)域都常常需要對溶液濃度進行測量。其中特別是酒精類飲品是國家控制產(chǎn)品,對其中的乙醇含量有嚴格規(guī)定。快速準確地測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參數(shù)與其濃度和溫度直接相關(guān)因此通過測量溶液的光學參數(shù)來測量溶液濃度是常用的方法之一,例如光纖傳感器、紅外及拉曼譜測量法等等。同膜分離結(jié)合酶法等電化學學方法相比,這類具有測量速度快,精度高,尤其適合易燃易爆等場所測量。近紅外、中紅外及拉曼光譜已經(jīng)應用于飲品中乙醇含量的測量,但在測量方法建立初期,需要完成大批量實驗以建立起化學計量模型。而且模型多以光強度信號或與強度直接相關(guān)的量的變化實現(xiàn)被測量的感知,對光源的穩(wěn)定性要求極高,而且計算復雜。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有電化學法和光譜法測量飲品中酒精濃度的不足,提供一種利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應的酒精濃度測量裝置及其方法。
本發(fā)明的利用PVDF太赫茲等離子體諧振效應的酒精濃度測量裝置包括半圓形硅棱鏡(1)、第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、高阻硅襯底(6)、第一旋轉(zhuǎn)臺(7)、返波振蕩器(8)、第一聚四氟乙烯透鏡(9)、第二聚四氟乙烯透鏡(10)、第三聚四氟乙烯透鏡(11);第四聚四氟乙烯透鏡(12);肖特基二極管探測器(13)、第二旋轉(zhuǎn)臺(14);
半圓形硅棱鏡(1)下表面依次緊貼布置第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待測酒精溶液(5)和高阻硅襯底(6),由返波振蕩器(8)發(fā)出的THz波透過第一聚四氟乙烯透鏡(9)、第二聚四氟乙烯透鏡(10)聚焦到半圓形硅棱鏡(1),再經(jīng)過半圓形硅棱鏡(1)及第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4),被緊貼置于高阻硅襯底(6)上的待測酒精溶液(5)反射后出射半圓形硅棱鏡(1),再透過第三聚四氟乙烯透鏡(11)、第四聚四氟乙烯透鏡(12)到達肖特基二極管探測器(13);
半圓形硅棱鏡(1)、第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、高阻硅襯底(6)安裝在第一旋轉(zhuǎn)臺(7)上;肖特基二極管探測器(13)安裝在第二旋轉(zhuǎn)臺(14)上。
第一二氧化硅薄膜(2)和第二二氧化硅薄膜(4)的厚度均為10微米,PVDF薄膜的厚度為30微米,酒精溶液的厚度為200微米。
待測酒精濃度測量步驟如下:
1)首先在高阻硅襯底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之間分別放置待測酒精溶液;
2)返波振蕩器(8)發(fā)出的太赫茲波工作在0.65THz,在經(jīng)過半圓形硅棱鏡(1)及第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4),被緊貼置于高阻硅襯底(6)上的待測酒精溶液(5)反射后到達肖特基二極管探測器(13),棱鏡所在的第一旋轉(zhuǎn)臺(7)轉(zhuǎn)動角度θ,肖特基二極管探測器(13)所在的第二旋轉(zhuǎn)臺(14)轉(zhuǎn)動2θ;θ在20至80度掃描時,角度掃描的步長小于1分,形成角度—反射系數(shù)曲線。
3)根據(jù)未知濃度的待測酒精溶液測得的角度—反射系數(shù),計算諧振峰位置;并代入標準溶度-諧振峰測量校正曲線得到待測酒精溶液的精確濃度。
標準溶度-諧振峰測量校正曲線通過如下步驟得到:
1)首先在高阻硅襯底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之間分別放置純水、5%、10%、15%、20%、25%、30%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%的標準酒精溶液;
2)返波振蕩器(8)發(fā)出的太赫茲波工作在0.65THz,在經(jīng)過硅棱鏡(1)及第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4),被緊貼置于高阻硅襯底(6)上的不同濃度的標準酒精溶液(5)反射后到達肖特基二極管探測器(13),棱鏡所在的第一旋轉(zhuǎn)臺(7)轉(zhuǎn)動角度θ,肖特基二極管探測器(13)所在的第二旋轉(zhuǎn)臺(14)轉(zhuǎn)動2θ;θ在20至80度掃描時,角度掃描的步長小于1分,形成角度—反射系數(shù)曲線。
3)在測量所有標準溶液的角度—反射系數(shù)曲線后,計算諧振峰位置并與溶液濃度數(shù)據(jù)一起建立標準溶度-諧振峰測量校正曲線,從純水到純酒精變化過程中,反射系數(shù)曲線上的諧振峰移動18度以上,角度掃描的步長小于1分,使得測量酒精濃度精度達到0.1%以上。
由返波振蕩器發(fā)出的單頻太赫茲(THz)波在經(jīng)過硅棱鏡反射后到達肖特基二極管探測器。當硅棱鏡所在的旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一定角度和探測器所在旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)相應的兩倍角度,并且旋轉(zhuǎn)角在特定范圍內(nèi)掃描變化時,探測器可得到角度—反射系數(shù)曲線。該反射系數(shù)曲線上的諧振峰隨酒精濃度變化移動。由于返波振蕩器的功率較大,使得探測器所在旋轉(zhuǎn)臺的半徑較大,使得旋轉(zhuǎn)角度分辨率可以小于一分,本測量裝置中待測溶液從純水到純酒精變化時角度—反射系數(shù)曲線的諧振峰移動大于18度,使得該測量裝置測量酒精濃度的精度達到千分之一以上。
附圖說明
圖1一種利用聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜太赫茲表面等離子體諧振效應的酒精濃度測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2測量純水、20%、40%、60%、80%、100%的標準酒精溶液時的太赫茲反射系數(shù)曲線;
圖3.測量純水、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的標準酒精溶液時的反射系數(shù)曲線中諧振角度及其擬合曲線。
圖中:半圓形硅棱鏡1、第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4、待測酒精溶液5、高阻硅襯底6、第一旋轉(zhuǎn)臺7、返波振蕩器8、第一聚四氟乙烯透鏡9、第二聚四氟乙烯透鏡10、第三聚四氟乙烯透鏡11、第四聚四氟乙烯透鏡12、肖特基二極管探測器13、第二旋轉(zhuǎn)臺14。
具體實施方式
如圖1所示,一種利用PVDF太赫茲等離子體諧振效應的酒精濃度測量裝置,包括半圓形硅棱鏡1、第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4、待測酒精溶液5、高阻硅襯底6、第一旋轉(zhuǎn)臺7、返波振蕩器8、第一聚四氟乙烯透鏡9、第二聚四氟乙烯透鏡10、第三聚四氟乙烯透鏡11;第四聚四氟乙烯透鏡12;肖特基二極管探測器13、第二旋轉(zhuǎn)臺14;
半圓形硅棱鏡1下表面依次緊貼布置第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4、待測酒精溶液5和高阻硅襯底6,由返波振蕩器8發(fā)出的THz波透過第一聚四氟乙烯透鏡9、第二聚四氟乙烯透鏡10聚焦到半圓形硅棱鏡1,再經(jīng)過半圓形硅棱鏡1及第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4,被緊貼置于高阻硅襯底6上的待測酒精溶液5反射后出射半圓形硅棱鏡1,再透過第三聚四氟乙烯透鏡11、第四聚四氟乙烯透鏡12到達肖特基二極管探測器13;
半圓形硅棱鏡1、第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4、待測酒精溶液5、高阻硅襯底6安裝在第一旋轉(zhuǎn)臺7上;肖特基二極管探測器13安裝在第二旋轉(zhuǎn)臺14上。
第一二氧化硅薄膜2和第二二氧化硅薄膜4的厚度均為10微米,PVDF薄膜的厚度為30微米,酒精溶液的厚度為200微米。
測量步驟如下:
1)首先在高阻硅襯底6和第二二氧化硅薄膜4之間分別放置待測酒精溶液;
2)返波振蕩器8發(fā)出的太赫茲波工作在0.65THz,在經(jīng)過半圓形硅棱鏡1及第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4,被緊貼置于高阻硅襯底6上的待測酒精溶液5反射后到達肖特基二極管探測器13,棱鏡所在的第一旋轉(zhuǎn)臺7轉(zhuǎn)動角度θ,肖特基二極管探測器13所在的第二旋轉(zhuǎn)臺14轉(zhuǎn)動2θ;θ在20至80度掃描時,角度掃描的步長小于1分,形成角度—反射系數(shù)曲線。
3根據(jù)未知濃度的待測酒精溶液測得的角度—反射系數(shù),計算諧振峰位置;并代入標準溶度-諧振峰測量校正曲線得到待測酒精溶液的精確濃度。
標準溶度-諧振峰測量校正曲線通過如下步驟得到:
1)首先在高阻硅襯底6和第二二氧化硅薄膜4之間分別放置純水、5%、10%、15%、20%、25%、30%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%的標準酒精溶液;
2)返波振蕩器8發(fā)出的太赫茲波工作在0.65THz,在經(jīng)過硅棱鏡1及第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4,被緊貼置于高阻硅襯底6上的不同濃度的標準酒精溶液5反射后到達肖特基二極管探測器13,棱鏡所在的第一旋轉(zhuǎn)臺7轉(zhuǎn)動角度θ,肖特基二極管探測器13所在的第二旋轉(zhuǎn)臺14轉(zhuǎn)動2θ;θ在20至80度掃描時,角度掃描的步長小于1分,形成角度—反射系數(shù)曲線,如圖2所示。
3)在測量所有標準溶液的角度—反射系數(shù)曲線后,計算諧振峰位置并與溶液濃度數(shù)據(jù)一起建立標準溶度-諧振峰測量校正曲線(如圖3所示),從純水到純酒精變化過程中,反射系數(shù)曲線上的諧振峰移動18度以上,角度掃描的步長小于1分,使得測量酒精濃度精度達到0.1%以上。