CN106980147B

CN106980147B - 一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜

Info

Publication number: CN106980147B
Application number: CN201710150211.7A
Authority: CN
Inventors: 周南; 李健; 张�杰; 龚侃; 曾周末
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2019-12-17
Anticipated expiration: 2037-03-14
Also published as: CN106980147A

Abstract

本发明公开了一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，所述太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：电阻率在10kΩ·cm上的高阻硅作为传感器材料的选择：使用多次反射的光学系统，棱镜外形为等腰梯形，太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射；传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；棱镜的尺寸设计需满足方程；且该棱镜还需满足根据几何关系增加的约束条件。本发明使油品在太赫兹频段的受抑全内反射光谱检测得以实现，并提高检测效率。

Description

一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜

技术领域

本发明涉及油品检测领域，尤其涉及一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜。

背景技术

管道运输多采用顺序输送方式，在不同油品的运输界面上容易形成混油段，混油段的准确识别，对减少安全事故、提高经济效益、能源的充分利用具有重要意义。基于光学的油品检测方法具有灵敏度高、测量方式多样化、安全无污染等优点，成为混油检测的新方向，太赫兹波光子能量低，对于油品检测安全；穿透能力强，能够克服普通光学检测设备易受油品杂质污染的缺点，在管道混油检测方面具有优势。而受抑全内反射光谱技术(Attenuated total reflection,ATR)在过程监控领域应用比较广泛，可对吸收成分进行直接测定，亦可用于多组分溶液的过程监测，非常具有在线监测管道内混油的潜力。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存下以下缺点和不足：

目前，适用于太赫兹频段的受抑全内反射传感器棱镜很少，针对油品检测使用的太赫兹频段受抑全内反射传感器更是空白。目前没有将太赫兹频段受抑全内反射应用于油品检测的案例。

而太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜研究和使用本身较少，且均为通用型棱镜，更没有针对油品检测的太赫兹受抑全内反射传感器棱镜；只考虑太赫兹频段的光学特性，不考虑被测材料的光学特性，对油品这一特殊被测材料适用性不明确；只简单给出一般的一系列传感器棱镜长度和高度，不能保证所有从入射面入射的太赫兹波均能从出射面出射(不考虑光线折射反射损耗和材料吸收，仅考虑几何光学时)造成实际通光孔径远小于理想通光孔径的情况，效率不佳；并不能非常好地适用于太赫兹时域光谱仪系统；缺少对于太赫兹受抑全内反射传感器棱镜的能量透过率分析。

发明内容

本发明提供了一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，本发明使油品在太赫兹频段的受抑全内反射光谱检测得以实现，并提高检测效率，详见下文描述：

一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，所述太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：

电阻率在10kΩ·cm以上的高阻硅作为传感器材料的选择：

使用多次反射的光学系统，棱镜外形为等腰梯形，太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射；

传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；

棱镜的长度L应同时满足以下2个条件：

第一条件：设太赫兹波在棱镜内表面两次反射点之间的距离为d，棱镜的长度L等于d在底边上投影的N倍；

第二条件：棱镜的长度L等于光学仿真系统中棱镜底边上a、b两点之间的距离，其中a点是从入射表面上沿入射的那一束太赫兹波光线与棱镜第N次反射的位置，b点是从入射表面下沿入射的另一束太赫兹波入射位置；

棱镜的尺寸设计需满足如下方程：

L＝T·N·tanθ+T/tanα

式中，α为棱镜底角，L为棱镜长，T为棱镜高，θ为太赫兹波在棱镜内部发生全反射时的入射角，N为全反射次数，N＝5；

根据几何关系增加一个约束条件如下式：

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、针对油品这一特殊检测对象和太赫兹这一特殊频段，进行了针对性的有效设计；

2、针对油品特性选择相适应的传感器介质材料；针对油品特性、发生受抑全内反射的临界机理和太赫兹波光路结构设计了油品太赫兹频段受抑全内反射的角度参数；

3、综合油品特性和各参数相关性等问题设计了适用于油品太赫兹受抑全内反射传感器棱镜的形式和反射次数；

4、通过公式或者光学仿真的方法获得使传感器具有最佳通光孔径和太赫兹波利用率的传感器长度；

5、对传感器的太赫兹波能量利用率、时延以及传感器棱镜在太赫兹时域光谱仪中的有效性做出评价。

附图说明

图1为受抑内全反射传感器棱镜结构及平行光入射光路的示意图；

图2为光线在棱镜1-3内部的反射情况；

图3为光线在棱镜4内部的反射情况；

图4为受抑内全反射传感器棱镜在4f系统中的仿真光路；

图5为光学系统仿真加入受抑内全反射传感器棱镜后的照度图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，参见图1，该太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：

电阻率在10kΩ·cm以上的高阻硅作为传感器材料的选择：

传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；

棱镜的长度L应同时满足以下2个条件：

棱镜的尺寸设计需满足如下方程：

L＝T·N·tanθ+T/tanα

根据几何关系增加一个约束条件如下式：

综上所述，本发明实施例通过上述设计使得油品在太赫兹频段的受抑全内反射光谱检测得以实现，并提高了检测效率。

实施例2

下面结合具体的附图、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：选择适宜于油品太赫兹受抑全内反射光谱检测的传感器材料；

该步骤的详细操作为：

目前，适用于太赫兹频段的受抑全内反射棱镜传感器很少，针对油品检测使用的太赫兹频段受抑全内反射传感器更是空白。针对用于油品检测的太赫兹受抑全内反射传感器的设计中，选择传感器材料必须满足以下三种标准要求：

1)油品是一种有机溶剂，在受抑全内反射光谱的检测中，油品与传感器直接接触。传感器材料不能和油品发生作用或相互影响，否则会导致传感器棱镜损坏或油品混入杂质。

2)在受抑全内反射光谱检测的过程中，太赫兹波由传感器棱镜(折射率n₁)折射入被检测油品(折射率n₂)中，并发生全反射。由折射定律snell’s公式sinθ₁/sinθ₂＝n₂/n₁，若折射角θ₂＝90°，则必有n₁>n₂，即在太赫兹频段中，传感器材料折射率要大于油品折射率，且不易过于接近，否则满足θ₂＝90°的入射临界角过大，不利于检测。油品在太赫兹波段的折射率在1.5左右。

3)太赫兹波在与油品作用前后，在传感器中会传播可观的距离，对太赫兹波产生明显的吸收效应，降低检测信噪比，甚至导致无法接受到太赫兹波。传感器材料要在太赫兹频段中尽可能透明，即吸收系数足够小。

受抑全内反射光谱技术主要应用于中红外以及紫外可见光波段。太赫兹波是介于毫米波和红外区域的电磁波，红外波段制作受抑全内反射传感器常采用的晶体如溴碘化铊、硒化锌、硅、锗等，这些材料的适用波长范围均不在太赫兹波段内，即这些晶体介质对太赫兹波吸收极大，依据设计选材标准3)，这些材料无法应用于太赫兹频段油品检测。

太赫兹频段吸收系数较小的介质材料有聚合物、金刚石、高阻硅等。金刚石成本过高，不适于选用。聚合物，例如聚乙烯(polyethylene，PE)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚4-甲基戊烯-1(polymethylpentence，TPX)、聚丙烯(polypropylene，PP)和Picarin对短波长(主要小于200μm)呈现出不透明的特点，而在太赫兹波段具有高透明度，见表1。

表1

目前有使用聚合物介质制作太赫兹透镜及受抑全内反射传感器的应用。但依据设计选材标准1)，有机聚合物的传感器棱镜有与有机溶剂油品有相互影响的可能；由表2可知，各种聚合物在太赫兹频段的折射率在1.5左右，与油品折射率相近，依据设计选材标准2)，也不能作为油品太赫兹受抑全内反射传感器的材料。

表2

考察高阻硅材料，对于电阻率在10k(Ω·cm)以上的高阻硅，其在太赫兹频段0.2～2THz的最大吸收系数小于0.05cm^-1，满足设计选材标准3)。其与油品不反应，满足设计选材标准1)。在0.5THz～4.5THz内时，高阻硅的折射率约为3.418，其变化范围在0.0001内，满足设计选材标准2)。因此，电阻率在10k(Ω·cm)以上的高阻硅可以作为油品太赫兹受抑全内反射光谱检测的传感器材料。

202：根据油品在太赫兹频段的受抑全内反射特性，确定油品太赫兹频段受抑全内反射传感器形式；

该步骤的详细操作为：常见受抑全内反射传感器棱镜采用单次反射的道威棱镜形式。

当油品与受抑全内反射传感器棱镜接触进行光谱测量时，有倏逝波侵入油品中与油品作用。侵入深度为：

其中，λ为入射光波的波长，n₁为光密介质的折射率，n₂为光疏介质的折射率，θ₁为入射角。可知，d_p与λ同数量级，且成正比例关系，即侵入深度与太赫兹波长度同数量级，在毫米和亚毫米级别。

由于油品为非极性物质，在太赫兹波段光波吸收性不强，因而单次反射吸收不明显，检测灵敏度低。因此使用多次反射的光学系统，见图1。棱镜外形为等腰梯形，图中L为棱镜长度、T为高度，d为太赫兹波在棱镜内表面两次反射点之间的距离，α为棱镜角度，θ₁(θ₁＝π/2-α)为光束到棱镜表面时的入射角，θ₂为折射角，设空气折射率为n₀，棱镜折射率为n₁，θ为光线在棱镜内表面的入射角。太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射。

203：根据油品与传感器发生受抑全内反射的临界条件，初步设计用于油品检测的太赫兹频段受抑内全反射传感器棱镜角度参数；

该步骤的详细操作为：首先确定特定传感器材料和油品搭配时，能够满足折射角θ₂＝90°、发生受抑全内反射时的入射临界角。检测样品为成品油，油品的折射率在1.4到1.6之间，检测参考为空气，高阻硅折射率为3.418，空气折射率为1，经计算得到表2。即，传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°。

其次，图1为平行光入射受抑内全反射传感器棱镜时的示意图，当平行光射到受抑内全反射传感器棱镜左表面时，在左表面发生折射，之后在棱镜中传播一段距离，到达棱镜的上表面，此时在上表面发生折射与反射现象，之后再经过棱镜的右表面平行出射。根据折射定律，可以根据棱镜的角度α计算出在左表面发生折射的折射角，通过该折射角可得平行光在棱镜与油品界面的入射角θ，则可以通过入射角θ与临界角的比较来判断是否在上表面发生折射现象，如果入射角θ大于临界角，则将在棱镜和油品界面发生受抑全内反射现象，则满足受抑内全反射传感器的设计需求。

例如，当棱镜角度为45°时，角度θ为56.93°；当棱镜底角为30°时，角度θ为44.66°。与之前计算得到的不同折射率样品的临界角相比较，两个θ角都大于样品折射率，可以得到这两个角度都是满足受抑全内反射条件的，所以这两个角度的设计是满足油品检测条件的。

204：由光学仿真和几何光学公式推导，精确设计太赫兹频段受抑全内反射传感器长度参数；

该步骤的详细操作为：通过光学仿真或公式推导获得长度参数的精确设计。

长度的细微错误设计都会导致太赫兹受抑全内反射传感器棱镜的通光孔径减少，光线不能依照预设光路与油品作用、并射出棱镜。为保证所有从入射表面入射的太赫兹波均能从出射表面出射(不考虑光线折射反射损耗和材料吸收，仅考虑几何光学关系)，如图2(b)中光学仿真情况，可知需保证从入射表面上沿入射的光线必须从出射表面下沿射出，从入射表面下沿入射的光线必须从出射表面上沿射出。若将图2(b)中棱镜长度增大或缩小，即棱镜出射表面左移或右移，都会有光线不再按照预设的光路和反射次数，而是提前或者延后打在出射表面上，从而导致部分光线杂乱无章，无法实现油品的太赫兹受抑全内反射光谱检测。因此，必须准确设计长度参数。

通过光学仿真的方法：在光学仿真系统中，设置一足够长的多次反射受抑全内反射棱镜，以棱镜下底为长度起点，从入射表面射入太赫兹波仿真，获得太赫兹波在棱镜内部的光路。然后找到从入射表面上沿入射的那一束太赫兹波光线与棱镜第N次反射的位置，即为准确的棱镜长度终点，在光学仿真系统中即可测出准确的棱镜长度。

通过公式推导的方法：根据此几何关系，结合图1，反射次数为N时，可知长度L应等于d在底边上的投影的N倍，再加上上底下底长度之差的一半。则棱镜的尺寸设计需满足如下方程：

L＝T·N·tanθ+T/tanα 式2

式中，α为棱镜底角，L为棱镜长，T为棱镜高，θ为太赫兹波在棱镜内部发生全反射时的入射角，N为全反射次数。

传感器棱镜在检测过程中，受到太赫兹时域光谱仪结构空间的限制；而且由于棱镜折射率相比空气大数倍，太赫兹光波在棱镜中传播时，太赫兹波通过的光程也比在空气中传播时大数倍，过大的光程会导致太赫兹波脉冲的时间延迟超过太赫兹时域光谱仪的扫描范围；同时长度与用料量成正比，影响成本。因此，棱镜长度不宜过长。

205：综合考虑光能利用率，太赫兹频段受抑全内反射传感器反射次数的设计；

该步骤的详细操作为：

由上式可得到全反射次数N的计算公式，如下式：

从上式可以看出减小T和θ、增加L都能够增加反射次数，但如上一步骤所述，L不可过大；T减小，使棱镜端面的进光量减小，从而减小了太赫兹光谱仪发出的太赫兹波的利用率，考虑太赫兹时域光谱仪的太赫兹光束直径，取T＝10mm；入射角θ不能等于或接近临界角，否则容易产生波峰畸变。考虑L、T、θ和太赫兹时域光谱仪的限制，取反射次数N＝5。

206：太赫兹频段受抑全内反射传感器角度等参数的进一步设计；

该步骤的详细操作为：

图1中根据几何关系，有

θ＝α+θ₂ 式4

由折射定律及以上公式可知，棱镜底角α越大，θ越大，d_p越小，L越大。取α分别为30°、45°、60°，可计算出相应的棱镜1-3的θ、L如表3所示。

表3

用光学仿真软件进行仿真，光线在棱镜1-3内部的反射情况如图2所示，其中，(a)为棱镜1内部的反射情况，(b)为棱镜2内部的反射情况；(c)为棱镜3内部的反射情况。

由图2可见，光线在棱镜2、3内部全部发生5次全内反射，均满足设计要求，但棱镜2长度更短。而棱镜1内的反射情况与预想不符，原因在于棱镜底角过小，棱镜上表面长度不够，部分光线打在侧面上，根据几何关系增加一个约束条件如下式：

再结合折射定律和式4，可计算出棱镜内恰好发生5次全内反射时棱镜4底角为38.38°，全内反射角为51.62°，由棱镜长度计算公式计算出棱镜底边长为75.78mm，其仿真结果如图3。即，在平行光入射、棱镜尺寸设计符合上文所述的理论公式的条件下，棱镜角度的临界值为38.38°。即棱镜角度大于38.38°时，棱镜内部全部光线可以发生规定次数的全内反射并水平射出；角度小于38.38°时，棱镜内部会有部分光线无法发生规定次数的全内反射。

综上所述，对于反射次数N为5次，T为10mm的棱镜，角度为38.38°、底边长为75.78mm的棱镜4为临界情况，角度为45°、底边长为86.79mm的棱镜2为一种长度适中的典型情况。

207：油品太赫兹受抑全内反射传感器的太赫兹波利用率评估方法和时延评估方法；

该步骤具体为：

对于设计的油品太赫兹受抑全内反射传感器必须评估其能量利用率。否则会产生设计合理的传感器在实际使用中信号过小，难以实现样品检测的问题。对于本发明实施例设计的传感器棱镜，能量损失主要有光在棱镜两个端面(入射面与出射面)的反射损失和棱镜材料的吸收损失。

1)反射损失

对于入射光波的两个互相垂直的分量s波和p波，则光波在棱镜入射端面的反射比ρ为：

式中，r_p为p波的反射系数，r_s为s波的反射系数。考虑棱镜的入射端面和出射端面，则该棱镜的透过率为τ₁＝(1-ρ)²＝0.4875。

2)吸收损失

光线在棱镜内部反射的路径长度l的计算公式如下：

式中，N为全反射次数，T为光束直径，θ为光线在棱镜内部发生全反射时的入射角。对于10kΩ·cm的高阻硅，吸收系数小于0.05cm^-1。只考虑材料的吸收损失，棱镜的透过率τ₂＝e^-0.05l，则棱镜总的透过率为τ＝τ₁·τ₂。此外，根据光程l可对系统放入棱镜后的时延Δt进行估算，公式如下：

Δt＝[l·n₁-(L-T/tanα)·n₀]/c×10∧9 式8

式中，n₁为棱镜折射率，L为棱镜底边长，α为棱镜底角，n₀为空气折射率，c为光在真空中传播的速度。

可知，多次反射棱镜2总的能量利用率为0.3083，光程经计算l＝91.64mm。

208：用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器在太赫兹时域光谱仪光路中的使用与仿真；

该步骤的具体实施过程为：

光学仿真软件中建立棱镜2的模型。棱镜的材料为高阻硅，需要自己添加，折射率类型选择常量折射率，数值为3.418，吸收类型选择常量透射率/长度，透射率数值为0.95，长度为10毫米。

将以上设计的太赫兹受抑全内反射棱镜置于太赫兹时域光谱仪的4f系统中，改变棱镜的坐标值，可以看到不同情况下光线在棱镜内部的反射情况，当光线全部进入棱镜内部发生反射时，得到如图4所示的仿真光路。在棱镜内部，光线除了在棱镜底面发生全反射以外，没有发生其他反射或者折射现象，与设计理论一致。图5为加入多次反射棱镜后的系统照度图，其中(a)为(b)的图例，(b)为系统二维照度图，(c)为辐照度在y轴方向上的分布，(d)为辐照度在x轴上的分布。可见，辐照度在x轴、y轴依然对称和一致，证明经过棱镜后光路依然在接收端有着良好的会聚性，系统光路可以正常进行传播及测量。由仿真结果可以看出，放入棱镜2后，光线在棱镜内部发生了5次全内反射，与设计方案相符。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，其特征在于，所述太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：

电阻率在10kΩ·cm以上的高阻硅作为传感器棱镜材料的选择：

传感器棱镜在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；

棱镜的下底边长度L应同时满足以下2个条件：

第一条件：设太赫兹波在棱镜内表面两次反射点之间的距离为d，棱镜的下底边长度L等于d在底边上投影的N倍；

第二条件：棱镜的下底边长度L等于光学仿真系统中棱镜底边上a、b两点之间的距离，其中a点是从入射表面上沿入射的那一束太赫兹波光线与棱镜第N次反射的位置，b点是从入射表面下沿入射的另一束太赫兹波入射位置；

棱镜的尺寸设计需满足如下方程：

L＝T·N·tanθ+T/tanα

式中，α为棱镜底角，T为棱镜高，θ为太赫兹波在棱镜内部发生全反射时的入射角，N为全反射次数，N＝5；

根据几何关系增加一个约束条件如下式：