CN113030022A - 一种高灵敏度光学折射率传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种高灵敏度光学折射率传感器及系统，包括槽体，所述槽体内具有一容纳腔，槽体的一侧作为入射端，相对侧作为出射端，所述入射端的槽体内壁上设置有若干依次连接的弯折面，所述出射端的槽体内壁上具有一凹槽，所述出射端的槽体外壁上具有一凹槽，所述凹槽均为一折射界面，两个折射界面共同构成一非球面凹透镜；本公开通过改变出射端液体/玻璃，玻璃/空气界面的形状来放大待测液体折射率改变造成的光路传输方向变化从而增大传感器的分辨力。

Description

一种高灵敏度光学折射率传感器及系统

技术领域

本公开属于光学折射率传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度光学折射率传感器及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

由于液体对光线的折射率可以反应液体的基本特性，如液体的密度、温度、浓度、盐度、及其外部压力等相关参数会影响物质的折射率，所以折射率传感器是一种被广泛应用于生物化学，物理等诸多领域的重要传感器。近年来生产生活国防军事等各方面对复杂环境下液体折射率精度的需求逐渐提高，因此对折射率传感器的分辨力和在复杂环境下的适应力提出了更高的要求。

测量液体折射率方法主要有最小偏转角法，等离子体共振(SPR)法，基于分光计的光路偏折分析法等。Laboratoire de M′etrologie等人基于分光计对光束偏折的原理设计了一个V形槽结构，在V形槽内放入待测液体形成了一个由待测液体构成的棱镜，当光束入射到待测液体中发生了折射，折射角是与待测液体折射率相关的物理量，所以通过测量该角度的改变便可以得到待测液体的折射率，角度的直接高精度测量比较困难，所以通过高精度位置探测器(PSD)测量光束位置的变化。

虽然现有技术推出了基于V形槽的折射率传感器，但是对于针对各领域的折射率探测来说4×10^-7RIU(折射率单位)的分辨力还是不足，限制了其应用范围。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种高灵敏度光学折射率传感器及系统，本公开基于集成化的透镜，对折射角进行了放大，可以大大提高对待测液体折射率的分辨能力，同时还可以降低成本，缩小器件结构，减小传感器对入射角依赖性。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种高灵敏度光学折射率传感器，包括槽体，所述槽体内具有一容纳腔，槽体的一侧作为入射端，相对侧作为出射端，所述入射端的槽体内壁上设置有若干依次连接的弯折面，所述出射端的槽体内壁上具有一凹槽，所述出射端的槽体外壁上具有一凹槽，所述凹槽均为一折射界面，两个折射界面共同构成一非球面凹透镜。

这样的设计，可以放大待测液体折射率改变造成的光路传输方向变化，使入射角为近全反射角的情况下，出射端的角度变化被放大，从而增大传感器的分辨力。

作为可选择的实施方式，设定槽体的尺寸，材料折射率、所需精度，以及合适的入射角，根据折射定律求解出射端的两个折射界面的形状。

作为可选择的实施方式，所述槽体材料包括但不限于，光学玻璃材料、透光高分子材料、有机玻璃等，其结构加工方式包括但不限于，由激光加工而成、由CNC加工而成、由模具加工而成等。

作为可选择的实施方式，所述容纳腔用于盛放待测液体。

作为可选择的实施方式，所述出射端的槽体内壁和外壁上设置的凹槽位置相对，且凹槽部分表面平滑。

作为可选择的实施方式，所述折射界面为待测液体和槽体，以及槽体和空气的界面。

作为可选择的实施方式，所述入射端的槽体内壁上设置有至少一个凸部，和一个凹部。

一种高灵敏度光学折射率检测系统，包括依次布设的光源模块、上述传感器、测量模块和数据处理模块，所述测量模块的检测数据传输至数据处理模块。

作为可选择的实施方式，所述光源模块，包括依次设置激光器和透镜组。

作为可选择的实施方式，所述激光器、透镜组设置于传感器的入射端一侧，且入射角度固定。

作为可选择的实施方式，所述测量模块为位置敏感器件，用于将光束传输方向的改变转化为光束投影位置的改变。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开分辨力高，原始V形槽折射率传感器的出射端对折射率分辨力的提高并不明显，本公开通过改变出射端液体/玻璃，玻璃/空气界面的形状来放大待测液体折射率改变造成的光路传输方向变化从而增大传感器的分辨力。

经过试验，在针对在折射率值在1.33RIU左右折射率量程为0.0106RIU的设计仿真过程中，传感结构长度为10cm的传感器折射率理论分辨力可以达到1.5×10^-8RIU，而对应的相近尺寸V形槽分辨力为4×10^-7RIU。当然分辨力提高还会带来降低入射角依赖性，缩短探测模块的长度，降低PSD分辨率要求等优点。

本公开的传感结构需要微细结构加工所以采用激光切割加工一体成型，在成熟的流水线批量生产将会使成本大幅下降。

本公开的测量系统采用模块化的器件设计，方便调试和装配、易于修理和维护。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本实施例提供的传感器出射端(液体/玻璃，玻璃/空气界面)尺寸图；

图2是本实施例提供的传感器结构示意图；

图3是传感器的工作示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

一种高分辨率折射率传感器，如图2所示，包括槽体，所述槽体内具有一容纳腔，槽体的一侧作为入射端，相对侧作为出射端，所述入射端的槽体内壁上设置有若干依次连接的弯折面，所述出射端的槽体内壁上具有一凹槽，所述出射端的槽体外壁上具有一凹槽，所述凹槽均为一折射界面，两个折射界面共同构成一非球面凹透镜。

具体包括，对光线出射端和入射端的设计。通过将微型非球透镜与折射率计集成，在使用0.3um精度的PSD(目前最高水平的位置敏感探测器，当然，在其他实施例中，可以对精度进行调整)且保持传感器件长度小于150mm的情况下，传感器可以达到1.25×10^-8RIU的折射率分辨力。

为了避免光束在该器件结构中被严重扩束，导致光斑覆盖PSD接收面，影响光束位置的精确探测。本实施例设计了透镜组对光束进行一定的整形，以汇聚光的形式入射到结构槽的出射端。本实施例中采用小光斑光束和收束大光斑光束的方法来缓解等效为非球面凹透镜的出射端带来的光束发散现象。

该折射率计小巧、一体化的特点可以在复杂环境下大幅提高其耐用性，便携性。由于使用材料的单一性，该结构的生产可以一体成型，这会大幅降低生产成本，所以该结构在量产化后会得到低成本的可抛弃式高精度折射率传感器，在生物，化学等诸多领域具有广泛的作用。

设定器件的区间长度L₁、L₂、L，材料折射率n_g，所需精度S，以及合适的入射角θ_in(该值一般选在近全反射角处)，根据以上参数以及折射定律求解出射端(液体/玻璃，玻璃/空气界面)的形状和尺寸，这两个折射界面共同构成了一个非球面凹透镜。衡量指标是要使光束可以在特定位置上的接收面产生随待测液体折射率均匀变化的光斑。

由于折射率的改变时会影响最佳入射角的选取而入射角是被固定的无法随待测液体折射率变化而实时变化，随着待测液体折射率的改变这一变化会导致PSD上光斑落点位置的不均匀变化。所以为了方便校准和数据处理在进行曲面设计时考虑了这一因素的影响构造出了不均匀对称的非球面。而且由于该结构的尺寸较小需求精度较高，所以需要使用加工精度达到微米量级的飞秒激光加工对应形状的光学玻璃材料，整个传感结构一次成型，只需要选取合适光源，调节光束入射方向来进行仪器装配和测试维护。

由于出射端所形成的非球面透镜结构会使光束扩散使平行光发散，而发散的效果与凹透镜对传感器灵敏度的增强效果成正比，所以为了保证传感器的高灵敏度需使用透镜组使平行光转变为汇聚光束或者使用准直距离大于器件工作尺寸的小光斑(≤300um)激光器使光束在PSD上投影为大小合适的光斑，避免光斑太大引起的光束位置误差。

本实施例中为了满足2×10^-8RIU的折射率分辨力，设定传感结构的长度约为150mm，入射角约为65°并进行进一步设计，传感模块海水/玻璃，玻璃/空气界面如图1所示，两侧曲线可以被拟合为如下所示的表达式：

y_S/G＝p₁x⁶+p₂x⁵+p₃x⁴+p₄x³+p₅x²+p₆x+p₇；

其中，p₁＝,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆,p₇,a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂,a₃,b₃,c₃,a₄,b₄,c₄均为常数。

整体结构展示图如图2所示。为了满足入射角为65°的条件，方便器件装配和校准并且减少光束入射左侧壁时的能量损耗，入射端不再是规则的平板玻璃而被设计为如图2所示形状。在容纳腔区域充满待测海水，光束从左侧斜面以固定的入射角进入海水中并发生折射，折射角的变化与海水的折射率相关，进而导致光束的传输方向发生了与折射率相关的改变，通过出射端等效的非球面微透镜使光束传输方向的改变被放大，当光束投影在PSD上时将光束传输方向的改变转化为光束投影位置的改变。得到光束的位置数据后，经由后置电路的处理与计算将位置数据转化为海水折射率的数值。

如图3所示，一种高分辨率折射率计，包括光源模块、感知模块(即传感器)、测量模块和数据处理模块，所述的光源模块为准直良好的激光光源。测量模块为PSD。数据处理模块选用已有信号处理电路即可。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种高灵敏度光学折射率传感器，其特征是：包括槽体，所述槽体内具有一容纳腔，槽体的一侧作为入射端，相对侧作为出射端，所述入射端的槽体内壁上设置有若干依次连接的弯折面，所述出射端的槽体内壁上具有一凹槽，所述出射端的槽体外壁上具有一凹槽，所述凹槽均为一折射界面，两个折射界面共同构成一非球面凹透镜。

2.如权利要求1所述的一种高灵敏度光学折射率传感器，其特征是：根据槽体的尺寸、材料折射率、所需精度，以及入射角，利用折射定律求解出射端的两个折射界面的形状。

3.如权利要求1所述的一种高灵敏度光学折射率传感器，其特征是：所述槽体为光学玻璃材料，且结构由激光加工而成；

或，所述槽体为高分子材料，且结构由3-D打印，或模具加工而成；

或，所述槽体为有机玻璃，且结构由3-D打印，或模具加工或CNC而成。

4.如权利要求1所述的一种高灵敏度光学折射率传感器，其特征是：所述出射端的槽体内壁和外壁上设置的凹槽位置相对，且凹槽部分表面平滑。

5.如权利要求1所述的一种高灵敏度光学折射率传感器，其特征是：所述折射界面为待测液体和槽体，以及槽体和空气的界面。

6.如权利要求1所述的一种高灵敏度光学折射率传感器，其特征是：所述入射端的槽体内壁上设置有至少一个凸部，和一个凹部。

7.一种高灵敏度光学折射率检测系统，其特征是：包括依次布设的光源模块、权利要求1-6中任一项所述的传感器、测量模块和数据处理模块，所述测量模块的检测数据传输至数据处理模块。

8.如权利要求7中所述的一种高灵敏度光学折射率检测系统，其特征是：所述光源模块，包括依次设置激光器和透镜组。

9.如权利要求7中所述的一种高灵敏度光学折射率检测系统，其特征是：所述激光器、透镜组设置于传感器的入射端一侧，且入射角度固定。

10.如权利要求7中所述的一种高灵敏度光学折射率检测系统，其特征是：所述测量模块为位置敏感器件，用于将光束传输方向的改变转化为光束投影位置的改变。

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