CN113567395B - 基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，包括信号发射器、磁场发生器、角度控制旋转台、耦合器、层状堆叠结构、微型电机、光谱分析仪和载物平台；所述信号发射器、磁场发生器、角度控制旋转台、耦合器、光谱分析仪均与微型电机电连接；所述角度控制旋转台还与层状堆叠结构连接；所述耦合器还与层状堆叠结构和光谱分析仪连接；所述层状堆叠结构包括主体结构和抗反射涂层；所述主体结构包括依次排列的介质A1和InSb1介质；所述抗反射涂层包括依次排列的介质InSb2、介质A1和介质A2。本发明通过调控磁场强度的大小，可以实现不同折射率范围的级联测量。该传感器具有设计新颖、测量范围大、灵敏度高、功能可级联等特点。
Description
技术领域
本发明涉及传感测量技术领域，具体涉及一种基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器。
背景技术
以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器是边缘学科开发的先驱。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断等多个领域。
由于折射率的精确测量在环境保护、食品安全、工业生产以及军事应用等多方面均表现出及其重要的价值，因此用于测量折射率的各种新型传感器也层出不穷。传感器设计通常有四种调制机制：角度调制、波长调制、相位调制、幅值调制。近年来，由于角度调制具有高精度、高分辨率、小角度测量、适用环境广等优点受到了研究者们的青睐。
经检索发现，公开号CN110501307A的中国专利于2019年11月26日公开了一种基于量子增强的光纤表面等离子体共振折射率传感器，其通过测量强度变化获得折射率变化量，克服了普通折射率传感器受到波长灵敏度和分辨率的限制，使得测量精度不能进一步提高的问题。公开号CN108844919A的中国专利于2020年11月13日公开了一种包层反射式光纤光栅折射率传感器，其通过监测包层模光场波长和强度的变化感知外部折射率变化，实现对折射率的测量，进而实现全光纤高灵敏度折射率测量。
可见，现有技术已对提高折射率传感器测量精度和分辨率进行了研究，但并没有基于角度调制原理来提供一种能够提高测量精度并扩大量程的折射率传感器。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，该折射率传感器基于角度调制的原理进行设计，采用抗反射涂层抑制反射率，提高了角度选择特性的矩形系数，从而提高了测量的精度；同时采用磁场调控的方式实现了测量范围的级联，扩大了量程。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，包括载物平台和设置在所述载物平台上的信号发射器、磁场发生器、角度控制旋转台、耦合器、层状堆叠结构、微型电机和光谱分析仪；所述信号发射器、磁场发生器、角度控制旋转台、耦合器和光谱分析仪分别与微型电机电连接；所述耦合器与光谱分析仪连接；所述角度控制旋转台和耦合器分别与层状堆叠结构连接；所述层状堆叠结构包括主体结构和位于主体结构两端的抗反射涂层；所述主体结构包括依次排列的介质A1和介质InSb1；所述抗反射涂层包括依次排列的介质InSb2、介质A1和介质A2。
进一步的，所述级联功能通过调整磁场强度的大小实现；所述磁场强度为0T时，可以测量的折射率范围为1.1-1.5；所述磁场强度为1.25T时，可以测量的折射率范围为1.5-1.8。
进一步的，所述层状堆叠结构的介质排列顺序为InSb2A1(InSb1A2)6(InSb1A1)45(InSb1A2)7InSb2。
进一步的，所述介质排列组(InSb1A1)45为主体结构；所述介质排列组InSb2A1(InSb1A2)6和(InSb1A2)7InSb2为抗反射涂层。
进一步的，所述介质A1和A2为相同的待测物质，折射率nA1＝nA2，厚度分别为dA1＝2μm,dA2＝1.8μm。
进一步的，所述介质InSb1和InSb2均为InSb介质；所述磁场强度为0T时，介质InSb1和InSb2的折射率分别为nInSb1＝nInSb2＝2.7949；所述磁场强度为1.25T时，介质InSb1和InSb2的折射率分别为n’InSb1＝n’InSb2＝2.7169。
进一步的，所述介质InSb1和InSb2的厚度分别为dInSb1＝7.2μm,dInSb2＝3.6μm。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明提供一种折射率传感器，其在工作时，将待测物填充入层状堆叠结构，启动微型电机，信号发射器发射信号，磁场发生器产生合适的磁场强度，经由层状堆叠结构作用，旋转角度控制旋转台使得层状堆叠结构发生相应角度的旋转，获得待测物折射率对应的角度的变化信息，该获得的角度的变化信息通过耦合器进行信号转换，最终将折射率信息输入到光谱分析仪中进行物质成分的分析和判断；本发明利用角度选择特性对物质的折射率进行检测，具有物理尺寸小、安全性高、应用范围广的优点。
(2)本发明采用主体结构两端涂覆抗反射层的层状堆叠结构，获得具有高矩形系数的角度选择功能，实现了传感器的高灵敏度测量。
(3)本发明通过调控磁场强度的大小，实现了两段折射率测量范围的级联，扩大了传感器量程。
附图说明
图1为根据本发明实施例的级联折射率传感器的整体系统结构示意图；
图2为根据本发明实施例的级联折射率传感器的层状堆叠结构的单元结构示意图；
图3为根据本发明实施例的级联折射率传感器的俯视图；
图4为根据本发明实施例的级联折射率传感器的主视图；
图5为根据本发明实施例的级联折射率传感器外加磁场强度为0T时，待测物折射率为1.1-1.5时的角度选择透射窗口变化示意图；
图6为根据本发明实施例的待测物折射率变化范围为1.1-1.5时，折射率与角度变化的拟合方程和拟合度示意图；
图7为根据本发明实施例的待测物折射率变化范围为1.1-1.5时，角度选择透射窗口的品质因素(Quality factor,Q)和传感器的品质因子(Figure ofMerit,FOM)示意图；
图8为根据本发明实施例的级联折射率传感器外加磁场强度为1.25T时，待测物折射率为1.5-1.8时的角度选择透射窗口变化示意图；
图9为根据本发明实施例的待测物折射率变化范围为1.5-1.8时，折射率与角度变化的拟合方程和拟合度示意图；
图10为根据本发明实施例的待测物折射率变化范围为1.5-1.8时，角度选择透射窗口的品质因素和传感器的品质因子示意图。
图中：1-层状堆叠结构；2-角度控制旋转台；3-光谱分析仪；4-载物平台；5-耦合器；6-磁场发生器；7-载物平台开关；8-微型电机；9-信号发射器；10-光谱分析仪开关；11-光谱分析仪功能选项；12-光谱分析仪显示屏。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明一种基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，包括层状堆叠结构1、角度控制旋转台2、光谱分析仪3、载物平台4、耦合器5、磁场发生器6、载物平台开关7、微型电机8、信号发射器9、光谱分析仪开关10、光谱分析仪功能选项11和光谱分析仪显示屏12。本发明中，利用涂覆抗反射层的方式抑制反射率，提高角度选择透射窗口的矩形系数，从而提高传感器检测的精度；通过调控外加磁场的大小，实现了量程的级联。
本发明提供一种基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，通过利用抗反射涂层和磁场调控的方式提高了传感器的测量精度，扩大了量程。
该传感器的整体系统结构示意图如图1所示，信号发射器9、磁场发生器6、角度控制旋转台2和光谱分析仪3均水平放置在载物平台4上，层状堆叠结构1水平置于角度控制旋转台2上，微型电机8和耦合器5置于载物台4内。信号发射器9、磁场发生器6、角度控制旋转台2、耦合器5、光谱分析仪3均与微型电机8电连接，角度控制旋转台2还与层状堆叠结构1连接，耦合器5还与层状堆叠结构1和光谱分析仪3连接。
整个系统工作时，首先将待测物填充入层状堆叠结构1的介质A1和A2的位置，如图2所示。然后分别启动载物平台4和光谱分析仪3上的开关7和10，微型电机8开始工作，信号发射器9发射信号，磁场发生器6产生合适的磁场强度，经由层状堆叠结构1作用，通过旋转角度控制旋转台2使得层状堆叠结构1发生相应角度的旋转，获得待测物折射率对应的角度的变化信息，并且将获得的信号通过耦合器5进行信号转换，最终将折射率信息输入到光谱分析仪3中，并且通过选择功能按钮11在显示屏12上进行观测，从而判断物质的成分。
层状堆叠结构1，如图2所示，整体的介质排列顺序为InSb2A1(InSb1A2)6(InSb1A1)45(InSb1A2)7InSb2，由两端的抗反射涂层和中间的主体结构构成，N1＝6，N2＝45，N3＝7表示周期数。主体结构的介质排列为(InSb1A1)45，抗反射涂层的介质排列为InSb2A1(InSb1A2)6和(InSb1A2)7InSb2。介质A1和A2均为待测物质，折射率nA1＝nA2，厚度分别为dA1＝2μm,dA2＝1.8μm，介质InSb1和InSb2均为InSb介质，厚度分别为dInSb1＝7.2μm,dInSb2＝3.6μm。
该传感器的级联功能通过调整磁场强度的大小实现。磁场强度为0T时，介质InSb1和InSb2的折射率分别为nInSb1＝nInSb2＝2.7949，可以测量的折射率测量范围为1.1-1.5，磁场强度为1.25T时，介质InSb1和InSb2的折射率分别为n’InSb1＝n’InSb2＝2.7169，可以测量的折射率测量范围为1.5-1.8。
图3和图4分别是该传感器的俯视图和主视图。
如图5所示，当磁场强度为0T，待测物质的折射率nA1发生线性变化时，角度选择透射窗口随之发生线性变化，矩形系数始终保持在0.99以上，可以确保检测的精度。在测量的过程中，旋转角度控制旋转台2，当透射率开始发生陡然下降时，记录此时的角度和折射率大小，并建立两者之间的线性关系，如图6所示。待测物折射率范围为1.1-1.5时，折射率和角度之间的拟合方程为θ＝72.43nA1-55.573，由此可见，该段量程的灵敏度高达72.43°/RIU。并且拟合度达到了0.9998，线性特征非常好，具有测量误差小的优点。
如图7所示，得到了该段折射率测量范围的角度选择透射窗口的品质因素和传感器的品质因子。在量程为1.1-1.5时，品质因素和品质因子最低分别可达105和160以上。
如图8所示，当磁场强度为1.25T，待测物质的折射率nA1在1.5-1.8的范围内发生线性变化时，角度选择透射窗口随之发生线性变化，并且矩形系数维持在0.98。
如图9所示。待测物折射率范围为1.5-1.8时，折射率和角度之间的拟合方程为θ＝83.19nA1-93.366，该段量程的灵敏度可达83.19°/RIU。并且拟合度也达到了0.99988。
如图10所示，在量程为1.5-1.8时，品质因素和品质因子最低分别可达57和95以上。
在经过特定的设计(抗反射涂层、级联设计)后，本发明可实现传感器量程级联的特点。本发明具有灵敏度高、量程大、设计新颖、应用范围广等特点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。
Claims (4)
1.基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，其特征在于，包括载物平台和设置在所述载物平台上的信号发射器、磁场发生器、角度控制旋转台、耦合器、层状堆叠结构、微型电机和光谱分析仪；所述信号发射器、磁场发生器、角度控制旋转台、耦合器和光谱分析仪分别与微型电机电连接；所述耦合器与光谱分析仪连接；所述角度控制旋转台和耦合器分别与层状堆叠结构连接；所述层状堆叠结构包括主体结构和位于主体结构两端的抗反射涂层；所述主体结构包括依次排列的介质A1和介质InSb1；所述抗反射涂层包括依次排列的介质InSb2、介质A1和介质A2；所述层状堆叠结构的介质排列顺序为InSb2A1(InSb1A2)6(InSb1A1)45(InSb1A2)7InSb2；所述介质A1和A2为相同的待测物质，折射率nA1＝nA2，厚度分别为dA1＝2μm，dA2＝1.8μm；所述介质InSb1和InSb2的厚度分别为dInSb1＝7.2μm，dInSb2＝3.6μm。
2.根据权利要求1所述的基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器的级联功能通过调整磁场强度的大小实现；所述磁场强度为0T时，测量的折射率范围为1.1-1.5；所述磁场强度为1.25T时，测量的折射率范围为1.5-1.8。
3.根据权利要求1所述的基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，其特征在于，介质排列组(InSb1A1)45为层状堆叠结构的主体结构；介质排列组InSb2A1(InSb1A2)6和(InSb1A2)7InSb2为层状堆叠结构的抗反射涂层。
4.根据权利要求1所述的基于涂覆抗反射涂层的层状堆叠结构的级联折射率传感器，其特征在于，所述介质InSb1和InSb2均为InSb介质；磁场强度为0T时，所述介质InSb1和InSb2的折射率分别为nInSb1＝nInSb2＝2.7949；磁场强度为1.25T时，所述介质InSb1和InSb2的折射率分别为n’InSb1＝n’InSb2＝2.7169。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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