CN111678888A - 一种液体折射率检测传感器、装置及方法 - Google Patents

一种液体折射率检测传感器、装置及方法 Download PDF

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陈雨田
陈亮
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Abstract

本发明实施例公开了一种液体折射率检测传感器、装置及方法，该液体折射率检测传感器包括透明衬底和集成于所述透明衬底同一侧的发射模块和接收模块；发射模块用于发射检测光线，检测光线通过透明衬底向待测液体入射，其中，部分检测光线在透明衬底和待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；接收模块用于接收反射光线的光强信息。本发明实施例提供的液体折射率检测传感器、装置及方法集成度高，不受外接环境影响，提高计算液体折射率的精度，同时降低生产成本。

Description

一种液体折射率检测传感器、装置及方法
技术领域
本发明施例涉及发光显示技术领域，尤其涉及一种液体折射率检测传感器、装置及方法。
背景技术
液体是自然界中常见的物质存在形式之一，而折射率能够反映出液体本身浓度、纯度等物理性质，故而在现代医学、化工等领域对液体的折射率检测具有重要的意义。
现有技术中，通常采用激光照射法、衍射光栅发、光纤杨氏干涉法、掠面入射法和CCD测量法等技术对液体的折射率进行检测，并在此基础上，还研发出了布拉格光栅型液体折射率传感器、波导光栅型液体折射率传感器、光纤光栅型液体折射率传感器等。
现有技术中对液体折射率检测方法中，由于光线发射模块与光线接收模块是相互分离的，从而导致光线接收模块在接收光线发射模块发射的光线时，容易受到外界环境光线、温度等条件影响，造成检测液体折射率精度不高，检测范围偏窄，同时光线发射模块和光线接收模块彼此分离，独立制作，制作流程复杂，成本高，不便于携带。
发明内容
本发明实施例公开了一种液体折射率检测传感器、装置及方法，目的在于提升液体折射率检测的便捷性，提高液体折射率检测的正确性，解决了液体折射率检测流程复杂，成本高，检测不准确的问题。
为达此目的，第一方面，本发明实施例提供一种液体折射率检测传感器，该液体折射率检测传感器包括透明衬底和集成于所述透明衬底同一侧的发射模块和接收模块；
所述发射模块用于发射检测光线，所述检测光线通过所述透明衬底向待测液体入射，其中，部分所述检测光线在所述透明衬底和所述待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；
所述接收模块用于接收所述反射光线的光强信息。
可选地，所述发射模块包括发光二极管，所述接收模块包括光电二极管；
所述发射模块和所述接收模块均包括P型半导体层、N型半导体层、有源层、P型电极和N型电极；所述发光二极管的P型半导体层、N型半导体层、有源层和所述光电二极管的P型半导体层、N型半导体层、有源层分别对应同层。
可选地，在发光二极管和光电二极管中，
所述N型半导体层位于所述透明衬底一侧；
所述有源层位于所述N型半导体层远离所述衬底的一侧；
所述P型半导体层位于所述有源层远离所述N型半导体层的一侧；
所述P型电极和所述N型电极均位于所述P型半导体层远离所述有源层的一侧；所述P型电极和所述P型半导体层电连接，所述N型电极和所述N型半导体层电连接。
可选地，发光二极管包括蓝光发光二极管、红光发光二极管、绿光发光二极管和黄光发光二极管。
可选地，所述透明衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底和氮化镓衬底。
可选地，所述透明衬底为图形化透明衬底，所述发射模块和所述接收模块集成于所述透明衬底的图形化的表面。
第二方面，本发明实施例还提供了一种液体折射率检测装置，该液体折射率检测装置，包括如上述第一方面任一项所述的液体折射率检测传感器；
所述液体折射率检测装置还包括处理器，所述处理器分别与所述传感器的发射模块和接收模块电连接；
所述处理器用于控制发射模块发射检测光线，所述检测光线通过透明衬底向待测液体入射，其中，部分所述检测光线在所述透明衬底和所述待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；
所述处理器还用于获取接收模块传输的所述反射光线的光强信息，并根据所述反射光线的光强信息和所述检测光线的光强信息以及所述透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率。
可选地，该液体折射率检测装置还包括储存和/或显示器；
所述储存器与所述处理器电连接，所述储存器用于储存所述处理器计算的所述待测液体的折射率；
所述显示器与所述处理器电连接，所述显示器用于显示所述待测液体的折射率。
第三方面，本发明实施例还公开了一种液体折射率检测方法，该液体折射率检测方法采用如上述第二方面任意一项所述的液体折射率检测装置执行，所述液体折射率检测方法包括：
控制发射模块发射检测光线，所述检测光线通过透明衬底向待测液体入射，其中，部分所述检测光线在所述透明衬底和所述待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；获取接收模块传输的所述反射光线的光强信息；
根据所述反射光线的光强信息和所述检测光线的光强信息以及所述透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率。
可选地，所述获取接收模块传输的所述反射光线的光强信息包括：
获取接收模块接收所述反射光线形成的电信号，将所述电信号转换为反射光线的光强信息。
可选地，所述根据所述反射光线的光强信息和所述检测光线的光强信息以及所述透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率，包括：
根据所述反射光线的光强信息和所述检测光线的光强信息，计算所述反射光线和所述检测光线的光强比；
按照待测液体与透明衬底的折射率之比与反射光线和检测光线的光强信息之比的预设关系，计算所述待测液体与所述透明衬底的折射率之比；
根据所述待测液体和所述透明衬底的折射率之比以及所述透明衬底的折射率，计算所述待测液体的折射率。
本发明实施例公开了一种液体折射率检测传感器、装置及方法，通过将透明衬底、发射模块以及接收模块集成在传感器中，增强液体折射率检测传感器的集成度，并且，由于发射模块和接收模块集成于传感器内部，故而能够避免在检测液体折射率时，外部环境的光线以及温度等对检测结果的影响，利用发射模块发射检测光线，使得检测光线通过透明衬底入射到待测液体表面，利用部分反射光线在透明衬底与待测液体接触界面发生全反射的特点，通过接收模块接收由透明衬底全反射回来的反射光线的光强信息，从而计算待测液体的折射率，提高了液体折射率的计算准确度，同时，将发射模块与接收模块集成与传感器中，可以同时制作发射模块和接收模块，减少了制作流程，降低了制作成本，能够实现批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种液体折射率检测传感器结构示意图。
图2是光线发生全反射的原理示意图。
图3是本发明实施例提供的发光二极管或光电二极管结构示意图。
图4是本发明实施例提供的一种液体折射率检测装置结构示意图。
图5是本发明实施例提供的一种液体折射率检测方法流程示意图。
图6是本发明实施例提供的另一种液体折射率检测方法流程图。
图7是本发明实施例提供的又一种液体折射率检测方法流程图。
具体实施方式
为使发明实施例解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释发明，而非对发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。
图1是本发明实施例提供的一种液体折射率检测传感器结构示意图，如图1所示，一种液体折射率检测传感器，包括透明衬底1和集成于透明衬底同一侧的发射模块2和接收模块3；
发射模块2用于发射检测光线，检测光线通过透明衬底1向待测液体入射，其中，部分检测光线在透明衬底1和待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；
接收模块3用于接收反射光线的光强信息。
全反射是指光线从光密介质射入光疏介质时发生的特殊反射现象，其中光密介质是指折射率交大的介质，光疏介质是指折射率较小的介质，其中，光密介质和光疏介质是相对而言的。图2是光线发生全反射的原理示意图，如图2所示，当光线由光密介质射向光疏介质时，可能发生折射、反射以及全反射。继续参考图1，本发明实施例公开了一种液体折射率检测传感器，通过将发射模块2和接收模块3集成于透明衬底1，提升液体折射率检测传感器的集成度，避免检测液体折射率的传感器发射和接收模块相互独立，由于将发射模块2和接收模块3集成于液体折射率检测传感器的内部，所以可以避免在对待测液体进行折射率检测时，外界环境的光线以及温度等因素对检测结果的影响，通过发射模块2发射检测光线，简单便捷易于操作，使得检测光线通过透明衬底入射到待测液体表面，利用部分反射光线在透明衬底与待测液体接触界面发生全反射的特点，通过接收模块3接收由透明衬底1全反射回来的反射光线的光强信息，从而计算待测液体的折射率，提高液体折射率检测的精准度。同时，发射模块2和接收模块3集成在液体折射率检测传感器中，能够使得发射模块2和接收模块3同时制作，减少了制作流程，降低了制作成本，能够实现批量生产。
图3是本发明实施例提供的发光二极管或光电二极管结构示意图，如图3所示，可选地，发射模块包括发光二极管，接收模块包括光电二极管；
发射模块和接收模块均包括P型半导体层23、N型半导体层21、有源层22、P型电极和N型电极；发光二极管的P型半导体层23、N型半导体层21、有源层22和光电二极管的P型半导体层23、N型半导体层21、有源层22分别对应同层。
发光二极管和光电二极管采用倒置结构设计，能构增加传感器的稳定性，增大出光角度，能够减小封装体积。示例性的，发射模块2为发光二极管(LED)，接收模块为光电二极管(Photo-Diode，简称PD)，将发射模块和接收模块的P型半导体层23、N型半导体层21、有源层22和光电二极管的P型半导体层23、N型半导体层21、有源层22分别对应同层，使得在制作过程中能够一次性同时制作发射模块和接收模块，减少工艺流程，降低生产成本，有利于批量生产。
可选地，发光二极管和光电二极管中，N型半导体层21位于透明衬底1一侧；有源层22位于N型半导体层21远离衬底1的一侧；P型半导体层23位于有源层22远离N型半导体层21的一侧；P型电极和N型电极均位于P型半导体层23远离有源层22的一侧；P型电极和P型半导体层23电连接，N型电极和N型半导体层21电连接。
首先制作透明衬底1，其次在透明衬底1一侧上沉积N型半导体层21，然后在N型半导体层21远离衬底1的一侧沉积有源层22，其中，有源层22中具有多个量子阱，在发光二极管中，电子和空穴在发光二极管的量子阱中发生复合，产生光子，发出检测光线，被光电二极管接收的反射光线的光子在光电二极管中的量子阱中发生分解，产生电子和空穴，进而形成电流。之后，在有源层22远离N型半导体层21的一侧沉积P型半导体层23，最后将P型电极、N型电极设置在P型半导体层23远离有源层22的一侧，并分别将P型电极与P型半导体层23电连接，N型电极与N型半导体层21电连接。
可选地，发光二极管包括蓝光发光二极管、红光发光二极管、绿光发光二极管和黄光发光二极管。
示例性的，由于蓝光发光二极管工艺技术成熟，发光效率高，所以本发明实施例可采用蓝色发光二极管。但可以理解的是，通过改变偏压从而改变发光二极管发射的光线亮度，同时也可以选择不同颜色的发光二极管发出不同颜色的光线，此处不再赘述。
可选地，透明衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底和氮化镓衬底。
示例性的，采用蓝宝石作为透明衬底，蓝宝石折射率为1.77，通过设置蓝宝石作为透明衬底，使得检测待测液体的折射率范围为1-1.77，在有限材料的情况下，增加对待测液体折射率的检测范围，提高适用性。
可选地，透明衬底为图形化透明衬底，发射模块和接收模块集成于透明衬底的图形化的表面。
在透明衬底的一侧进行图形化处理，并在图形化处理的一侧集成发射模块和接收模块，通过对透明衬底一侧进行图案化处理，使得发射模块和接收模块更容易在透明衬底上生长，提高工艺制作效率，增强液体折射率传感器的质量。
图4是本发明实施例提供的一种液体折射率检测装置结构示意图，如图4所示，该液体折射率检测装置10包括如上述任意一项所述的液体折射率检测传感器11；
液体折射率检测装置10还包括处理器12，处理器12分别与传感器11的发射模块2和接收模块3电连接；
处理器用12于控制发射模块2发射检测光线，检测光线通过透明衬底1向待测液体入射，其中，部分检测光线在透明衬底1和待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；
处理器12还用于获取接收模块3传输的反射光线的光强信息，并根据反射光线的光强信息和检测光线的光强信息以及透明衬底1的折射率，计算待测液体的折射率。
处理器12是指可以进行数据分析处理的设备，示例性的，处理器12为微处理器。通过设置处理器12控制发射模块2出射检测光线，便于用户对检测流程的控制，提升可操作性。当发射模块2出射检测光线后，检测光线经由透明衬底1入射到待测液体表面，部分检测光线在待测液体与透明衬底1接触界面发生全反射，形成反射光线，该反射光线被接收模块接收后，通过接收模块产生反射光线的光强信息，并将该光强信息传输到处理器12中，处理器12根据光强信息计算出待测液体的折射率。通过设置处理器12，简单方便的计算待测液体的折射率，将发射模块2与接收模块3集成与传感器内部，避免外界环境的影响，通过处理器12接收传感器11产生的反射光线的光强信息，进而计算出待测液体的折射率，提高了液体折射率的计算精度。
继续参考图4，可选地，液体折射率检测装置10还包括储存器14和/或显示器13；
储存器14与处理器12电连接，储存器14用于储存处理器12计算的待测液体的折射率；
显示器13与处理器12电连接，显示器13用于显示待测液体的折射率。
通过设置储存器14，可以将处理器12计算的待测液体折射率结果储存，便于对多个待测液体进行折射率的计算。通过设置显示器13，可以将处理器12计算的待测液体折射率结果直接显示出来，便于用户及时了解，提高便利性，增强用户使用感。
图5是本发明实施例提供的一种液体折射率检测方法流程示意图，如图5所示，该液体折射率检测方法采用上述任意一项所述的液体折射率检测装置执行，该液体折射率检测方法包括：
S101、控制发射模块发射检测光线，检测光线通过透明衬底向待测液体入射，其中，部分检测光线在透明衬底和待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线。
通过控制发射模块发射检测光线，使得检测光线经由透明衬底射入待测液体，当检测光线在透明衬底和待测液体的接触界面发生全反射时，产生反射光线，提高用户对检测光线的控制性，便于用户操作。
S102、获取接收模块传输的反射光线的光强信息。
通过接收模块接收反射光线，并根据该反射光线产生反射光线的光强信息，为计算待测液体折射率提供基础。
S103、根据反射光线的光强信息和检测光线的光强信息以及透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率。
通过集成在传感器内部的发射模块产生检测光线，再利用接收模块接收由待测液体全反射回来的反射光线，进而产生反射光线的光强信息，计算待测液体的折射率，避免外界环境的光照、温度对检测光线的影响，提高对待测液体折射率检测的精度。
图6是本发明实施例提供的另一种液体折射率检测方法流程图，如图6所示，其中，S1021和S1022是在上一实施例的基础上，对S102的进一步的细化。
S101、控制发射模块发射检测光线，检测光线通过透明衬底向待测液体入射，其中，部分检测光线在透明衬底和待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线。
S1021、获取接收模块接收反射光线形成的电信号。
S1022、将电信号转换为反射光线的光强信息。
光强信息是指发光二极管产生光线的电流所对应的光强度。接收模块接收被待测液体全反射的反射光线，当反射光线经过接收模块的有源层时，光子发生分解，产生电子和空穴，进而形成电信号。通过接收模块将光信号转化为电信号，并将该电信号转换为相对应的反射光线的光强信息，便于分析处理以及计算，降低了计算的难度，简化计算程序。
S103、根据反射光线的光强信息和检测光线的光强信息以及透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率。
图7是本发明实施例提供的又一种液体折射率检测方法流程图，如图7所示，其中，S1031、S1032和S1033是在上一实施例的基础上对S103的进一步的细化。
S101、控制发射模块发射检测光线，检测光线通过透明衬底向待测液体入射，其中，部分检测光线在透明衬底和待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线。
S1021、获取接收模块接收反射光线形成的电信号。
S1022、将电信号转换为反射光线的光强信息。
S1031、根据反射光线的光强信息和检测光线的光强信息，计算反射光线和检测光线的光强比。
S1032、按照待测液体与透明衬底的折射率之比与反射光线和检测光线的光强信息之比的预设关系，计算待测液体与透明衬底的折射率之比。
S1033、根据待测液体和透明衬底的折射率之比以及透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率。
示例性的，预设关系是指成反比关系，其中，检测光线的光强信息可以根据控制发射模块反射光线的电流得到，通过获得的反射光线的光强信息以及检测光线的光强信息，可以得到反射光线的光强信息所占检测光线的光强信息的比例，同时待测液体的折射率与透明衬底的折射率之比与反射光线的光强信息所占检测光线的光强信息的比例成反比，由于透明衬底的折射率、反射光线的光强信息所占检测光线的光强信息的比例均已测得，故而可以通过处理器简单便捷的计算出待测液体的折射率，降低计算复杂度，提升计算的效率。
注意，上述仅为发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对发明进行了较为详细的说明，但是发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种液体折射率检测传感器，其特征在于，包括透明衬底和集成于所述透明衬底同一侧的发射模块和接收模块；
所述发射模块用于发射检测光线，所述检测光线通过所述透明衬底向待测液体入射，其中，部分所述检测光线在所述透明衬底和所述待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；
所述接收模块用于接收所述反射光线的光强信息。
2.根据权利要求1所述的液体折射率检测传感器，其特征在于，
所述发射模块包括发光二极管，所述接收模块包括光电二极管；
所述发射模块和所述接收模块均包括P型半导体层、N型半导体层、有源层、P型电极和N型电极；所述发光二极管的P型半导体层、N型半导体层、有源层和所述光电二极管的P型半导体层、N型半导体层、有源层分别对应同层。
3.根据权利要求2所述的液体折射率检测传感器，其特征在于，
所述N型半导体层位于所述透明衬底一侧；
所述有源层位于所述N型半导体层远离所述衬底的一侧；
所述P型半导体层位于所述有源层远离所述N型半导体层的一侧；
所述P型电极和所述N型电极均位于所述P型半导体层远离所述有源层的一侧；所述P型电极和所述P型半导体层电连接，所述N型电极和所述N型半导体层电连接。
4.根据权利要求2所述的液体折射率检测传感器，其特征在于，
发光二极管包括蓝光发光二极管、红光发光二极管、绿光发光二极管和黄光发光二极管。
5.根据权利要求1所述的液体折射率检测传感器，其特征在于，
所述透明衬底包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底和氮化镓衬底。
6.根据权利要求1所述的液体折射率检测传感器，其特征在于，所述透明衬底为图形化透明衬底，所述发射模块和所述接收模块集成于所述透明衬底的图形化的表面。
7.一种液体折射率检测装置，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的液体折射率检测传感器；
所述液体折射率检测装置还包括处理器，所述处理器分别与所述传感器的发射模块和接收模块电连接；
所述处理器用于控制发射模块发射检测光线，所述检测光线通过透明衬底向待测液体入射，其中，部分所述检测光线在所述透明衬底和所述待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；
所述处理器还用于获取接收模块传输的所述反射光线的光强信息，并根据所述反射光线的光强信息和所述检测光线的光强信息以及所述透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率。
8.根据权利要求7所述的液体折射率检测装置，其特征在于，还包括储存和/或显示器；
所述储存器与所述处理器电连接，所述储存器用于储存所述处理器计算的所述待测液体的折射率；
所述显示器与所述处理器电连接，所述显示器用于显示所述待测液体的折射率。
9.一种液体折射率检测方法，其特征在于，采用如权利要求7或8所述的液体折射率检测装置执行，所述液体折射率检测方法包括：
控制发射模块发射检测光线，所述检测光线通过透明衬底向待测液体入射，其中，部分所述检测光线在所述透明衬底和所述待测液体的接触界面发生全反射，并形成反射光线；获取接收模块传输的所述反射光线的光强信息；
根据所述反射光线的光强信息和所述检测光线的光强信息以及所述透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率。
10.根据权利要求9所述的液体折射率检测方法，其特征在于，
所述获取接收模块传输的所述反射光线的光强信息包括：
获取接收模块接收所述反射光线形成的电信号，将所述电信号转换为反射光线的光强信息。
11.根据权利要求9所述的液体折射率检测方法，其特征在于，所述根据所述反射光线的光强信息和所述检测光线的光强信息以及所述透明衬底的折射率，计算待测液体的折射率，包括：
根据所述反射光线的光强信息和所述检测光线的光强信息，计算所述反射光线和所述检测光线的光强比；
按照待测液体与透明衬底的折射率之比与反射光线和检测光线的光强信息之比的预设关系，计算所述待测液体与所述透明衬底的折射率之比；
根据所述待测液体和所述透明衬底的折射率之比以及所述透明衬底的折射率，计算所述待测液体的折射率。
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