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专利名称：利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置及其方法
技术领域：
本发明属于太赫兹波技术领域，涉及一种利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置及其方法。
背景技术：
太赫兹(Terahertz或THz，ITHz=IO12Hz)波通常是指频率在O. I IOTHz区间的电磁波，其光子的能量约为I IOmeV,正好与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大致相当。大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹福射有强烈的吸收，许多有机大分子 (DNA、蛋白质等)的振动能级和转动能级之间的跃迁也正好在太赫兹波段范围。因此，物质的太赫兹光谱(包括发射、反射和透射光谱)包含有丰富的物理质和化学信息，其吸收和色散特性可以用来做爆炸物、药物等化学及生物样品的探测和识别，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面具有重要的应用价值。近年来，以左手材料(Left_Handed_Material，简称LHM)或称为负折射率材料(Negative Refractive Index Material,简称NIM)为代表的异向介质材料成为电磁学、光电子学和材料科学等领域研究的热点课题之一。学术界认为异向介质材料的各种奇妙特性，如负折射效应、电磁聚焦效应等不但革新了基本物理理论，同时具有巨大的潜在应用前景。在由谐振环或谐振棒构成的异向介质材料中，电磁波在特定波段与材料发生谐振，在沿频率变化的透射率曲线中形成谐振峰。而异向材料在谐振峰所处的频带才可能具备“左手”特性。比如常见的开口谐振环阵列具有很高的品质因数，使电磁波在谐振频率附近的窄带传播，并激发磁偶极子，在开口谐振环单元尺寸远小于波长时产生等效的负磁导率。开口谐振环结构所具有的电磁场局部增强和高品质因数特点，可作为传感器使用。溶液浓度是一个重要物理量，在化工、冶金、造纸、酿酒、制糖、环保行业及科研等领域都常常需要对溶液浓度进行测量。其中特别是酒精类饮品是国家控制产品，对其中的乙醇含量有严格规定。快速准确地测定饮品中乙醇含量在食品工业质量控制中十分重要。由于溶液的折射率与吸收率等光学参数与其浓度和温度直接相关因此通过测量溶液的光学参数来测量溶液浓度是常用的方法之一，例如光纤传感器、红外及拉曼谱测量法等等。同膜分离结合的酶法测量等电化学方法相比，这类具有测量速度快，精度高，尤其适合易燃易爆等场所测量。近红外、中红外及拉曼光谱已经应用于饮品中乙醇含量的测量，但在测量方法建立初期，需要完成大批量实验以建立起化学计量模型。而且模型多以光强度信号或与强度直接相关的量的变化实现被测量的感知，对光源的稳定性要求极高，而且计算复杂。

发明内容
本发明目的是克服现有电化学法和光谱法测量酒精浓度的不足，提供一种利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置及其方法。
利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置包括聚酰亚胺衬底、金属谐振环阵列、待测酒精溶液、返波振荡器、高阻硅片分束器、第一聚四氟乙烯透镜、第二聚四氟乙烯透镜、第一肖特基二极管探测器、第三聚四氟乙烯透镜9和第二肖特基二极管探测器；
聚酰亚胺衬底上表面布置的金属谐振环结构，在金属谐振环阵列上放置不同浓度的待测酒精溶液，聚酰亚胺衬底下表面布置的金属谐振环阵列，由返波振荡器发出的太赫兹波经高阻硅片分束器反射和第一聚四氟乙烯透镜聚焦后垂直入射到下表面布置的金属谐振环阵列，被反射的太赫兹波透过高阻硅片分束器和第二聚四氟乙烯透镜到达第一肖特基二极管探测器；同时，由返波振荡器发出的太赫兹波透过高阻硅片分束器和第三聚四氟乙烯透镜到达第二肖特基二极管探测器。利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量方法的步骤如下
1)在聚酰亚胺衬底上表面的金属谐振环结构上分别放置纯水、精度在0.01%以上重量 百分比浓度为:5%、10%、15%、20%、25%、30%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%的标准酒精溶液；
2)返波振荡器发出的太赫兹波在O.35、. 5THz频率范围内扫描，扫描频率间隔为5MHz，得到第一肖特基二极管探测器与第二肖特基二极管探测器信号之比的标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线；
3)根据标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线，确定标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线谐振峰位置并与标准酒精溶液浓度建立标准酒精溶液浓度-谐振峰测量校正曲线，从纯水到100%的标准酒精溶液变化过程中，标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线上的谐振峰移动能达25GHz以上，使得标准酒精溶液的浓度测量精度达到O. 02%以上；
4)放置待测酒精溶液，使得返波振荡器发出的太赫兹波在O.35、. 5THz频率范围内扫描，扫描频率间隔为5MHz，得到第一肖特基二极管探测器与第二肖特基二极管探测器信号之比的待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线；
5)根据待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线，确定待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线谐振峰位置，并代入由步骤I) 步骤3)建立的标准酒精溶液浓度-谐振峰测量校正曲线，得到待测酒精溶液的精确浓度。本发明利用太赫兹异向介质的谐振效应来测量饮品中酒精浓度，原理是酒精浓度与溶液的折射率直接对应，伴随浓度变化的折射率变化引起太赫兹异向介质反射系数上的谐振峰发生移动，从而精确测量其中的酒精含量。由于返波振荡器的太赫兹频谱分辨率可以达到5MHz，本传感器中从纯水到纯酒精反射系数的谐振峰移动可达25GHz以上，使得测量精度可达O. 02%以上。


图I 一种利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置结构示意 图2太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度传感装置示意 图3测量纯水、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的标准酒精溶液时的太赫兹反射系数曲线；
图中聚酰亚胺衬底I、金属谐振环阵列2、待测酒精溶液3、返波振荡器4、高阻硅片分束器5、第一聚四氟乙烯透镜6、第二聚四氟乙烯透镜7、第一肖特基二极管探测器8、第三聚四氟乙烯透镜9和第二肖特基二极管探测器10 ；
具体实施例方式如图1、2所示，利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置包括聚酰亚胺衬底I、金属谐振环阵列2、待测酒精溶液3、返波振荡器4、高阻硅片分束器5、第一聚四氟乙烯透镜6、第二聚四氟乙烯透镜7、第一肖特基二极管探测器8、第三聚四氟乙烯透镜9和第二肖特基二极管探测器10 ；
聚酰亚胺衬底I上表面布置的金属谐振环结构2，在金属谐振环阵列2上放置不 同浓度的待测酒精溶液3，聚酰亚胺衬底I下表面布置的金属谐振环阵列2，由返波振荡器4发出的太赫兹波经高阻硅片分束器5反射和第一聚四氟乙烯透镜6聚焦后垂直入射到聚酰亚胺衬底I下表面布置的金属谐振环阵列2，被反射的太赫兹波透过高阻硅片分束器5和第二聚四氟乙烯透镜7到达第一肖特基二极管探测器8 ;同时，由返波振荡器4发出的太赫兹波透过高阻硅片分束器5和第三聚四氟乙烯透镜9到达第二肖特基二极管探测器10。所述的谐振环阵列2采用铜质开口谐振环单元，铜质开口谐振环单元的尺寸为周期600微米，单元直径500微米，线宽100微米，开口间隙100微米，厚度为18微米，聚酰亚胺基底厚度为50微米。聚酰亚胺衬底I上下表面布置的金属谐振环阵列所组成的太赫兹异向介质的总体尺寸是长I. 5厘米、宽I. 5厘米、厚86微米。利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量方法的步骤如下
1)在聚酰亚胺衬底I上表面的金属谐振环结构2上分别放置纯水、精度在O.01%以上重量百分比浓度为5%、10%、15%、20%、25%、30%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100% 的标准酒精溶液；
2)返波振荡器4发出的太赫兹波在O.35、. 5THz频率范围内扫描，扫描频率间隔为5MHz，得到第一肖特基二极管探测器8与第二肖特基二极管探测器10信号之比的标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线；
3)根据标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线，确定标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线谐振峰位置并与标准酒精溶液浓度建立标准酒精溶液浓度-谐振峰测量校正曲线，从纯水到100%的标准酒精溶液变化过程中，标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线上的谐振峰移动能达25GHz以上，使得标准酒精溶液的浓度测量精度达到O. 02%以上；
4)放置待测酒精溶液3，使得返波振荡器4发出的太赫兹波在O.35、. 5THz频率范围内扫描，扫描频率间隔为5MHz，得到第一肖特基二极管探测器8与第二肖特基二极管探测器10信号之比的待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线；
5)根据待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线，确定待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线谐振峰位置，并代入由步骤I) 步骤3)建立的标准酒精溶液浓度-谐振峰测量校正曲线，得到待测酒精溶液的精确浓度。如图3所示，利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置上测量纯水、重量百分比浓度为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的标准酒精溶液时的太赫兹反射系数曲线。可以看到该曲线由于双层金属谐振环阵列组成的太赫兹异向介质形成的反射系数曲线谐振峰随酒精溶液浓度变化而移动。由于返波振荡器的太赫兹频谱分辨率可以达到5MHz，本传发明中从纯水到纯酒精反射系数的谐振峰移动可达25GHz以上，使得酒精溶液浓度测量精度可达O. 02%以 上。
权利要求
1.一种利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置，其特征在于包括聚酰亚胺衬底(I)、金属谐振环阵列(2)、待测酒精溶液(3)、返波振荡器(4)、高阻硅片分束器(5)、第一聚四氟乙烯透镜￠)、第二聚四氟乙烯透镜(7)、第一肖特基二极管探测器(8)、第三聚四氟乙烯透镜(9)和第二肖特基二极管探测器(10)； 聚酰亚胺衬底(I)上表面布置的金属谐振环结构(2)，在金属谐振环阵列(2)上放置不同浓度的待测酒精溶液(3)，聚酰亚胺衬底(I)下表面布置的金属谐振环阵列(2)，由返波振荡器(4)发出的太赫兹波经高阻硅片分束器(5)反射和第一聚四氟乙烯透镜(6)聚焦后垂直入射到下表面布置的金属谐振环阵列(2)，被反射的太赫兹波透过高阻硅片分束器(5)和第二聚四氟乙烯透镜(7)到达第一肖特基二极管探测器(8);同时，由返波振荡器(4)发出的太赫兹波透过高阻硅片分束器(5)和第三聚四氟乙烯透镜(9)到达第二肖特基二极管探测器(10)。
2.一种使用如权利要求I所述装置的利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量方法，其特征在于它的步骤如下 1)在聚酰亚胺衬底(I)上表面的金属谐振环结构(2)上分别放置纯水、精度在O.01%以上重量百分比浓度为5%、10%、15%、20%、25%、30%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100% 的标准酒精溶液； 2)返波振荡器(4)发出的太赫兹波在O.35、. 5THz频率范围内扫描，扫描频率间隔为5MHz，得到第一肖特基二极管探测器(8)与第二肖特基二极管探测器(10)信号之比的标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线； 3)根据标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线，确定标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线谐振峰位置并与标准酒精溶液浓度建立标准酒精溶液浓度-谐振峰测量校正曲线，从纯水到100%的标准酒精溶液变化过程中，标准酒精溶液太赫兹反射系数曲线上的谐振峰移动能达25GHz以上，使得标准酒精溶液的浓度测量精度达到O. 02%以上； 4)放置待测酒精溶液(3)，使得返波振荡器(4)发出的太赫兹波在O.35、. 5THz频率范围内扫描，扫描频率间隔为5MHz，得到第一肖特基二极管探测器(8)与第二肖特基二极管探测器(10)信号之比的待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线； 5)根据待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线，确定待测酒精溶液太赫兹反射系数曲线谐振峰位置，并代入由步骤I) 步骤3)建立的标准酒精溶液浓度-谐振峰测量校正曲线，得到待测酒精溶液的精确浓度。
全文摘要
本发明公开了一种利用太赫兹异向介质谐振效应的酒精浓度测量装置及其方法。本发明中的太赫兹异向介质是在聚酰亚胺衬底上下表面布置了两层金属谐振环阵列。在异向介质一侧金属谐振环阵列上放置待测酒精溶液，由返波振荡器发出的太赫兹波垂直入射到另一侧的金属谐振环阵列上，太赫兹波在一定频率范围内扫描变化时利用两个肖特基二极管探测器探测得到双层金属谐振环阵列反射系数曲线。金属谐振环的谐振效应使得反射系数曲线上的谐振峰随酒精浓度变化移动。由于返波振荡器的频谱分辨率小于5MHz，本发明中待测溶液从纯水到纯酒精变化时反射系数曲线的谐振峰移动大于25GHz，使得该测量装置测量酒精浓度的精度达到0.02%以上。
文档编号G01N21/17GK102830069SQ201210292860
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月17日 优先权日2012年8月17日
发明者李向军 申请人:中国计量学院