專利名稱：利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應的酒精濃度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實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)諧振效應的酒精濃度測量裝置。
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、氨分子等對太赫茲福射有強烈的吸收，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。近年來，以左手材料(Left_Handed_Material，簡稱LHM)或稱為負折射率材料(Negative Refractive Index Material,簡稱NIM)為代表的異向介質(zhì)材料成為電磁學、光電子學和材料科學等領(lǐng)域研究的熱點課題之一。學術(shù)界認為異向介質(zhì)材料的各種奇妙特性，如負折射效應、電磁聚焦效應等不但革新了基本物理理論，同時具有巨大的潛在應用前景。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。比如常見的開口諧振環(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，在開口諧振環(huán)單元尺寸遠小于波長時產(chǎn)生等效的負磁導率。開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)所具有的電磁場局部增強和高品質(zhì)因數(shù)特點，可作為傳感器使用。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)合的酶法測量等電化學方法相比，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。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的是克服現(xiàn)有電化學法和光譜法測量酒精濃度的不足，提供一種利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應的酒精濃度測量裝置。利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應的酒精濃度測量裝置包括聚酰亞胺襯底、金屬諧振環(huán)陣列、待測酒精溶液、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器、第三聚四氟乙烯透鏡9和第二肖特基二極管探測器；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高阻硅片分束器和第二聚四氟乙烯透鏡到達第一肖特基二極管探測器；同時，由返波振蕩器發(fā)出的太赫茲波透過高阻硅片分束器和第三聚四氟乙烯透鏡到達第二肖特基二極管探測器。本實用新型利用太赫茲異向介質(zhì)的諧振效應來測量飲品中酒精濃度，原理是酒精濃度與溶液的折射率直接對應，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，從而精確測量其中的酒精含量。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)的諧振峰移動可達25GHz以上，使得測量精度可達O. 02%以上。

圖1 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結(jié)構(gòu)示意圖；圖2太赫茲異向介質(zhì)諧振效應的酒精濃度傳感裝置示意圖；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器8、第三聚四氟乙烯透鏡9和第二肖特基二極管探測器10 ；
具體實施方式
如圖1、2所示，利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應的酒精濃度測量裝置包括聚酰亞胺襯底1、金屬諧振環(huán)陣列2、待測酒精溶液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器8、第三聚四氟乙烯透鏡9和第二肖特基二極管探測器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高阻硅片分束器5和第二聚四氟乙烯透鏡7到達第一肖特基二極管探測器8 ;同時，由返波振蕩器4發(fā)出的太赫茲波透過高阻硅片分束器5和第三聚四氟乙烯透鏡9到達第二肖特基二極管探測器10。所述的諧振環(huán)陣列2采用銅質(zhì)開口諧振環(huán)單元，銅質(zhì)開口諧振環(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)諧振效應的酒精濃度測量方法的步驟如下[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% 的標準酒精溶液；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器8與第二肖特基二極管探測器10信號之比的標準酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線；3)根據(jù)標準酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線，確定標準酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線諧振峰位置并與標準酒精溶液濃度建立標準酒精溶液濃度-諧振峰測量校正曲線，從純水到100%的標準酒精溶液變化過程中，標準酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線上的諧振峰移動能達25GHz以上，使得標準酒精溶液的濃度測量精度達到O. 02%以上；4)放置待測酒精溶液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器8與第二肖特基二極管探測器10信號之比的待測酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線；5)根據(jù)待測酒精溶液太赫茲反射系數(shù)曲線，確定待測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)建立的標準酒精溶液濃度-諧振峰測量校正曲線，得到待測酒精溶液的精確濃度。如圖3所示，利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應的酒精濃度測量裝置上測量純水、重量百分比濃度為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的標準酒精溶液時的太赫茲反射系數(shù)曲線。可以看到該曲線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。由于返波振蕩器的太赫茲頻譜分辨率可以達到5MHz，本傳發(fā)明中從純水到純酒精反射系數(shù)的諧振峰移動可達25GHz以上，使得酒精溶液濃度測量精度可達O. 02%以上。
權(quán)利要求1.一種利用太赫茲異向介質(zhì)諧振效應的酒精濃度測量裝置，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器(8)、第三聚四氟乙烯透鏡(9)和第二肖特基二極管探測器(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高阻硅片分束器(5)和第二聚四氟乙烯透鏡(7)到達第一肖特基二極管探測器(8);同時，由返波振蕩器(4)發(fā)出的太赫茲波透過高阻硅片分束器(5)和第三聚四氟乙烯透鏡(9)到達第二肖特基二極管探測器(10)。
專利摘要本實用新型公開了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。本實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)掃描變化時利用兩個肖特基二極管探測器探測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)的諧振效應使得反射系數(shù)曲線上的諧振峰隨酒精濃度變化移動。由于返波振蕩器的頻譜分辨率小于5MHz，本實用新型中待測溶液從純水到純酒精變化時反射系數(shù)曲線的諧振峰移動大于25GHz，使得該測量裝置測量酒精濃度的精度達到0.02%以上。
文檔編號G01N21/41GK202837178SQ201220407759
公開日2013年3月27日 申請日期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 申請人:中國計量學院