基于SPR的溶液浓度自动控制系统的开发

摘要

20世纪初，Wood首次发现了表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)，直到1971年Kreschman提出了电介质-金属-电介质3层棱镜耦合模型才使得SPR应用到传感领域。1992年，美国华盛顿大学Jorgenson博士提出以光纤作为载体实现SPR。自20世纪六、七十年代光纤问世以来，就以其低损耗，远距离传输，微小化在通讯和传感器领域得到了普及。光纤SPR传感器兼具了光纤的微小化、远距离传输以及SPR的高灵敏度和实时监控。
　　目前，溶液浓度自动控制系统的开发在食品、化工、制药都有及其重要的作用，在表面等离子体共振效应中，电介质的折射率发生变化使得SPR的效果发生改变，而大部分溶液的浓度都与折射率有着线性关系，如此便可实现溶液浓度的测量与传感。
　　首先，本文讨论了基于SPR传感器的发展现状以及存在的问题。从平面波导、表面等离子波、光激发表面等离子体波几个方面阐述了表面等离子体共振的传感原理。SPR的基本原理是光入射到金属-电介质交界面处激发表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，SPW)，在入射光波长、入射角、电介质折射率相匹配时，SPW与入射光在电介质中的倏逝波发生耦合即发生了SPR，使得反射光能量降低。
　　其次，介绍了棱镜耦合的表面等离子体共振传感器的传感原理以及制作方法。详述采用真空镀膜的过程，设计了信号放大电路及其PCB图，并完成制作。结合信号采集卡和VB软件搭建了完整的溶液浓度自动控制系统。相较于当下工业化的等离子体共振传感器，本论文中设计的产品成本更低，可以在更多领域广泛使用。
　　最后，以多模-单模-多模结构的光纤为载体制作了微小的SPR传感器，以甘油溶液为试剂，用origin对实验结果进行数据分析拟合，测定该传感器对折射率的灵敏度可以达到2500nm/RIU，完全可以满足工业生产所需。同时在镀膜中采用的不对称镀膜一方面降低了对实验设备的要求，另一方面拓宽了测量范围，有比较好的推广应用价值。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 基于表面等离子体共振传感器的研究现状

1．2．1 棱镜耦合SPR传感器

1．2．2 光纤耦合SPR传感器

1．3 论文主要工作与章节安排

2 表面等离子体共振

2．1 表面等离子体共振原理

2．1．1 平面波导中电磁波的传播

2．1．2 平面波导中的场分布

2．1．3 在半无限介质交界面上的SPW

2．1．4 SPW的特征

2．1．5 SPW在电介质-金属-电介质3层结构中的传播

2．2 利用光激发表面等离子波

2．2．1 棱镜耦合

2．2．2 光纤耦合

2．3 本章小结

3 基于棱镜耦合SPR的蔗糖溶液浓度的自动控制系统

3．1 传感原理

3．2 制作方法

3．3 实验系统的搭建

3．3．1 光源的选取

3．3．2 光电转换元件与信号放大电路

3．3．3 信号采集卡的选取

3．3．4 采集软件的设计

3．4 实验结果与分析

3．5 本章小结

4 基于光纤耦合SPR的溶液浓度的自动控制系统

4．1 传感原理

4．2 系统搭建

4．3 实验结果

4．4 本章小结

5 总结和展望

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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