利用PVDF太赫兹等离子体谐振效应的酒精浓度测量装置及方法与流程

本发明属于太赫兹波技术领域，涉及一种利用聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜太赫兹表面等离子体谐振效应的酒精浓度测量装置。

背景技术：

太赫兹(Terahertz or THz)波通常是指频率在0.1～10THz区间的电磁波，其光子的能量约为1～10meV，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THz辐射有强烈的吸收，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THz波段范围。因此，物质的THz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。

PVDF是含氟乙烯基单体的共聚物，它兼具氟树脂和通用树脂的特性，除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性能外，还具有压电性、铁电性、热电性等特殊性能。PVDF有四种多态结构：α、β、γ、δ相，其中β相是电极性形态，具有较高的压电性能。特别是β相的PVDF的THz介电属性可以用Drude模型描述，其等离子频率位于THz频段，使得在介质—PVDF界面可以激发THz表面等离子激元，在传感领域有重要应用。

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。同膜分离结合酶法等电化学学方法相比,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。

技术实现要素：

本发明目的是克服现有电化学法和光谱法测量饮品中酒精浓度的不足，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。

本发明的利用PVDF太赫兹等离子体谐振效应的酒精浓度测量装置包括半圆形硅棱镜(1)、第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)、高阻硅衬底(6)、第一旋转台(7)、返波振荡器(8)、第一聚四氟乙烯透镜(9)、第二聚四氟乙烯透镜(10)、第三聚四氟乙烯透镜(11)；第四聚四氟乙烯透镜(12)；肖特基二极管探测器(13)、第二旋转台(14)；

半圆形硅棱镜(1)下表面依次紧贴布置第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)和高阻硅衬底(6)，由返波振荡器(8)发出的THz波透过第一聚四氟乙烯透镜(9)、第二聚四氟乙烯透镜(10)聚焦到半圆形硅棱镜(1)，再经过半圆形硅棱镜(1)及第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)，被紧贴置于高阻硅衬底(6)上的待测酒精溶液(5)反射后出射半圆形硅棱镜(1)，再透过第三聚四氟乙烯透镜(11)、第四聚四氟乙烯透镜(12)到达肖特基二极管探测器(13)；

半圆形硅棱镜(1)、第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)、待测酒精溶液(5)、高阻硅衬底(6)安装在第一旋转台(7)上；肖特基二极管探测器(13)安装在第二旋转台(14)上。

第一二氧化硅薄膜(2)和第二二氧化硅薄膜(4)的厚度均为10微米，PVDF薄膜的厚度为30微米，酒精溶液的厚度为200微米。

待测酒精浓度测量步骤如下：

1)首先在高阻硅衬底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之间分别放置待测酒精溶液；

2)返波振荡器(8)发出的太赫兹波工作在0.65THz，在经过半圆形硅棱镜(1)及第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)，被紧贴置于高阻硅衬底(6)上的待测酒精溶液(5)反射后到达肖特基二极管探测器(13)，棱镜所在的第一旋转台(7)转动角度θ，肖特基二极管探测器(13)所在的第二旋转台(14)转动2θ；θ在20至80度扫描时，角度扫描的步长小于1分，形成角度—反射系数曲线。

3)根据未知浓度的待测酒精溶液测得的角度—反射系数,计算谐振峰位置；并代入标准溶度-谐振峰测量校正曲线得到待测酒精溶液的精确浓度。

标准溶度-谐振峰测量校正曲线通过如下步骤得到：

1)首先在高阻硅衬底(6)和第二二氧化硅薄膜(4)之间分别放置纯水、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(8)发出的太赫兹波工作在0.65THz，在经过硅棱镜(1)及第一二氧化硅薄膜(2)、PVDF薄膜(3)、第二二氧化硅薄膜(4)，被紧贴置于高阻硅衬底(6)上的不同浓度的标准酒精溶液(5)反射后到达肖特基二极管探测器(13)，棱镜所在的第一旋转台(7)转动角度θ，肖特基二极管探测器(13)所在的第二旋转台(14)转动2θ；θ在20至80度扫描时，角度扫描的步长小于1分，形成角度—反射系数曲线。

3)在测量所有标准溶液的角度—反射系数曲线后,计算谐振峰位置并与溶液浓度数据一起建立标准溶度-谐振峰测量校正曲线,从纯水到纯酒精变化过程中，反射系数曲线上的谐振峰移动18度以上，角度扫描的步长小于1分，使得测量酒精浓度精度达到0.1％以上。

由返波振荡器发出的单频太赫兹(THz)波在经过硅棱镜反射后到达肖特基二极管探测器。当硅棱镜所在的旋转台旋转一定角度和探测器所在旋转台旋转相应的两倍角度，并且旋转角在特定范围内扫描变化时，探测器可得到角度—反射系数曲线。该反射系数曲线上的谐振峰随酒精浓度变化移动。由于返波振荡器的功率较大，使得探测器所在旋转台的半径较大，使得旋转角度分辨率可以小于一分，本测量装置中待测溶液从纯水到纯酒精变化时角度—反射系数曲线的谐振峰移动大于18度，使得该测量装置测量酒精浓度的精度达到千分之一以上。

附图说明

图1一种利用聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜太赫兹表面等离子体谐振效应的酒精浓度测量装置结构示意图；

图2测量纯水、20％、40％、60％、80％、100％的标准酒精溶液时的太赫兹反射系数曲线；

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反射系数曲线中谐振角度及其拟合曲线。

图中：半圆形硅棱镜1、第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4、待测酒精溶液5、高阻硅衬底6、第一旋转台7、返波振荡器8、第一聚四氟乙烯透镜9、第二聚四氟乙烯透镜10、第三聚四氟乙烯透镜11、第四聚四氟乙烯透镜12、肖特基二极管探测器13、第二旋转台14。

具体实施方式

如图1所示，一种利用PVDF太赫兹等离子体谐振效应的酒精浓度测量装置，包括半圆形硅棱镜1、第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4、待测酒精溶液5、高阻硅衬底6、第一旋转台7、返波振荡器8、第一聚四氟乙烯透镜9、第二聚四氟乙烯透镜10、第三聚四氟乙烯透镜11；第四聚四氟乙烯透镜12；肖特基二极管探测器13、第二旋转台14；

半圆形硅棱镜1下表面依次紧贴布置第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4、待测酒精溶液5和高阻硅衬底6，由返波振荡器8发出的THz波透过第一聚四氟乙烯透镜9、第二聚四氟乙烯透镜10聚焦到半圆形硅棱镜1，再经过半圆形硅棱镜1及第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4，被紧贴置于高阻硅衬底6上的待测酒精溶液5反射后出射半圆形硅棱镜1，再透过第三聚四氟乙烯透镜11、第四聚四氟乙烯透镜12到达肖特基二极管探测器13；

半圆形硅棱镜1、第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4、待测酒精溶液5、高阻硅衬底6安装在第一旋转台7上；肖特基二极管探测器13安装在第二旋转台14上。

第一二氧化硅薄膜2和第二二氧化硅薄膜4的厚度均为10微米，PVDF薄膜的厚度为30微米，酒精溶液的厚度为200微米。

测量步骤如下：

1)首先在高阻硅衬底6和第二二氧化硅薄膜4之间分别放置待测酒精溶液；

2)返波振荡器8发出的太赫兹波工作在0.65THz，在经过半圆形硅棱镜1及第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4，被紧贴置于高阻硅衬底6上的待测酒精溶液5反射后到达肖特基二极管探测器13，棱镜所在的第一旋转台7转动角度θ，肖特基二极管探测器13所在的第二旋转台14转动2θ；θ在20至80度扫描时，角度扫描的步长小于1分，形成角度—反射系数曲线。

3根据未知浓度的待测酒精溶液测得的角度—反射系数,计算谐振峰位置；并代入标准溶度-谐振峰测量校正曲线得到待测酒精溶液的精确浓度。

标准溶度-谐振峰测量校正曲线通过如下步骤得到：

1)首先在高阻硅衬底6和第二二氧化硅薄膜4之间分别放置纯水、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8发出的太赫兹波工作在0.65THz，在经过硅棱镜1及第一二氧化硅薄膜2、PVDF薄膜3、第二二氧化硅薄膜4，被紧贴置于高阻硅衬底6上的不同浓度的标准酒精溶液5反射后到达肖特基二极管探测器13，棱镜所在的第一旋转台7转动角度θ，肖特基二极管探测器13所在的第二旋转台14转动2θ；θ在20至80度扫描时，角度扫描的步长小于1分，形成角度—反射系数曲线，如图2所示。

3)在测量所有标准溶液的角度—反射系数曲线后,计算谐振峰位置并与溶液浓度数据一起建立标准溶度-谐振峰测量校正曲线(如图3所示)，从纯水到纯酒精变化过程中，反射系数曲线上的谐振峰移动18度以上，角度扫描的步长小于1分，使得测量酒精浓度精度达到0.1％以上。