基于棱镜型光纤液体折射率传感技术研究*

宗鹏飞，李玮娜，魏海潮，李丽芳，王丹凤，王明艳

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原030051)

0 引言

将现在比较热门的SPR技术与测量溶液浓度相结合。研究SPR技术在溶液浓度测量方面的应用，利用光激发棱镜表面等离子体共振技术和光强检测SPR传感器模型测量溶液浓度。为测量与研究，详细说明了实验方案以及各种装置的选择，并用测量结果验证浓度和折射率的线性关系，用MATLAB仿真光反射率与棱镜折射率的变化规律。

1 实验系统的总体设计方案

溶液的浓度是表征溶液特性的主要参数之一，对溶液浓度的测量与控制在造纸、化工、制糖、乳制品、制药、饮料等行业中有着广泛的应用，它是保证和提高产品质量的重要技术手段。在以棱镜反射光为基础的测量方法，在入射角小于临界角情况下的测量依据菲涅耳公式［3］。基于光激发表面等离子体测试溶液浓度，由于在靠近临界角的区域反射能量随角度的变化十分显著，所以测量的灵敏度较高，因此采用反射方式直接进行检测，做到快速简便，在现实中有广泛的应用。

在基于SPR的设计中，从激光器出来的光经P光起偏器产生TM波，TM经过光纤耦合器，垂直进入传感棱镜的底部并发生全反射，在金属薄膜和待测介质的界面激励表面等离子体共振，反射光经过光纤准值器耦合到达光探测器。其设计方案如图1所示。

图1 基于SPR的设计方案

2 溶液浓度测量设计

分别对不同浓度的食盐水溶液和蔗糖水溶液进行了测量，确定浓度与折射率之间的关系，再用所设计的光纤溶液浓度传感器进行测量，比较所得结果。

2.1 用数字阿贝折射仪测出各份溶液的浓度

首先配置食盐水溶液和蔗糖水溶液，准备5等份的食盐和蔗糖，每一份有5 g，取200 mL的水然后逐步将食盐或者蔗糖溶解在水里，每溶解一份就测量一下数据，并做下记录。由记录的数据经过EXCEL进行线性相关度的计算，可得到食盐溶液的拟合系数a≈ －4 175.8，b≈3 114.2和相关系数 R≈0.995 1，由此得到食盐溶液的浓度和其折射率关系的数学模型为y=3 114.2n－4 175.8，计算图2和折射率关系图3如下:

图2 食盐溶液线性相关度计算图

图3 食盐浓度与折射率的关系曲线

图4 蔗糖溶液线性相关度计算图

图5 蔗糖浓度与折射率的关系曲线

记录下的蔗糖溶液浓度和折射率的关系数据经过EXCEL进行线性相关度的计算，可得到蔗糖溶液的拟合系数a≈ －726.84，b≈547.21 和相关系数 R≈0.998 5，由此得到蔗糖溶液的浓度和其折射率关系的数学模型为y=547.21n－726.84，计算图4和折射率关系图5如下。

2.2 结果分析

根据两种溶液的相关系数R和图2图3知，在溶液浓度较低时，其浓度与折射率显著线性相关，说明作线性拟合是合理的。说明了溶液浓度较小时，溶液的浓度与其折射率近似成线性关系［1］。

3 Matlab编程仿真研究SPR

3.1 不同折射率棱镜与SPR传感器共振角的关系

SPR传感器的反射率取决于棱镜的介电常数ε0，入射角度θ，金属膜的相对介电常数ε1，金属膜的厚度d，以及待测物质的介电常数ε2，其中待测物介电常数是我们需要得到的量值，金属膜的厚度和介电常数一旦选定，不再改变［6］，故需要求出不同角度下，反射率与共振角度之间的关系，以确定最大共振角度。

图6 不同棱镜折射率对应的SPR角度谱曲线

图7 不同入射角对应被测溶液折射率与光强反射率的关系曲线

由图6可以得出，不同的棱镜材料对于测量的结果有影响。棱镜折射率越大，共振峰值角越小。因此，从本测量仪器应用范围，性能和使用稳定性综合考虑，选用了折射率为1.52的K9光学玻璃材料的棱镜。

n1，n2显示了理论计算三层结构中，金膜和银膜的SPR共振角—反射率曲线，从图中可以看出，在相同条件下，金膜的共振峰深度、共振角度以及峰值半宽度这三个特性都比银膜好，而且金膜可以确保在无保护膜情况下不易氧化，能够在空气中稳定使用，综合考虑选定金膜为敏感膜。

3.2 光强度调制型SPR传感器测量溶液浓度

由于SPR是入射光的倏逝波与被测介质表面的等离子波形成共振，所以只要能达到共振就会有SPR现象产生。固定的入射角最好大于或接近测量范围内最大浓度对应的蔗糖溶液的全反射临界角。选棱镜的折射率为1.52，光源波长为633 nm，测量蔗糖溶液的浓度所对应的折射率范围为1.77～1.79，折射率为1.79的蔗糖溶液所对应的全反射临界角为56.6°，这样固定的入射角必须大于56.6°。当入射角分别为56.8°，59°，65°时，通过仿真得到介质折射率与光强反射率的变化关系如图7所示。

图5中实线对应的入射角为56.8°，点线对应的入射角为59°，虚线对应的入射角为65°。从图可以看出，入射角为53.8°时曲线的斜率最陡，也就是说具有较高的测量灵敏度;入射角为59°与65°曲线比较平坦，此入射角时测量灵敏度较低。因此，固定的入射角角度大于或接近于测量范围内最大浓度对应的全反射临界角时，测量灵敏度较高。在固定入射光角度、棱镜折射率、金属膜材料和厚度的情况下，在测量范围内随着待测液体的折射率(溶液浓度)逐渐增大，反射率逐渐减少，并且是一条线性函数。所以可以从此测量曲线中算出不同浓液的浓度。

4 结论

从实验所得到的浓度和折射率的关系可以看出:在取平均温度的情况下，对于食盐溶液和蔗糖溶液来说，它们的折射率与浓度的对应关系有线性关系。

我们从其他科研人员用棱镜传感器对牛奶溶液的测量结果中可以看出:牛奶的压差比和折射率也有着线性关系［7］。测量结果与实际计算值也吻合的较好，试验中棱镜传感器的不确定度优于1%。在测量压差V0，V1时应尽量保证折射率为n0及n1的溶液具有相同的温度，这样可以消除温度差异对传感器探头介质折射率的影响。从而提高温差比的测试值V0，V1的准确性，减小系统误差。

［1］张志伟，武志芳.一种测量溶液浓度的光纤传感器［J］.中北大学学报(自然科学版)，2005，26(3):216 －218.

［2］张志伟，尹卫峰，温廷敦，等.溶液浓度与其折射率关系的理论和实验研究［J］.中北大学学报(自然科学版)，2009，30(3):281 －285.

［3］张志伟.基于表面等离子体共振的光纤传感技术研究［J］.山西电子技术，2009(3):80 －81.

［4］曾捷，梁大开，曹振新.棱镜型表面等离子体波传感器测量液体折射率的研究［J］.应用激光，2003，23(2):97－99.

［5］张梅，张季熊.用棱镜内反射传感方法测量液体浓度［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2002，30(12):77－80.

［6］R..J.Keys Springer-verlag Berlin Heidelberg.Optical and Infrared Detectors［M］.New York，1980.

［7］陈汝全.电子技术常用器件应用手册［M］.北京:机械工业出版社，1994.