[发明专利]用于检测液体折射率的传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种高精度测量液体折射率的传感器。

背景技术

折射率是透明液体的重要光学参数之一，利用折射率不仅可以了解液体的光学性能，而且还有助于了解液体的纯度、浓度以及色散等其它物理性质。其它的一些参数也与折射率密切相关，在化工、医药、食品、生物、石油等工业部门以及高校研究所实验中，经常要测定一些液体的折射率和浓度，因此，对液体折射率的精确测量，在许多研究领域都有重要意义。

目前，液体折射率测量方法大致可分为几何光学法和波动光学法。几何光学法是根据折射定律、全反射定律，通过准确测量有关角度及距离来求解折射率，此如最小偏向角法、全反射法、掠入射法、位移法等，其中最有代表性的是应用广泛、技术较为成熟的阿贝折射仪。阿贝折射仪直接测量是临界角，临界角的测量必须有一个过程，即通过调节折射角，找出视场中临界光线对应的角度。临界角法受到仪器中折射棱镜自身材料折射率和顶角的限制，无法测量折射率较大和较小的物质。另外，阿贝折射仪中的直接测量量为角度，相对直线距离测量，角度测量复杂，精度也难以提高，更难提高精确度，因此该仪器属于非实时测量仪，可参见例如中国专利申请CN200910198516.0。

波动光学法是根据光通过介质后其位相或偏振状态的变化与介质的折射率有关的原理来测量液体折射率，如布儒斯特角法，干涉法，衍射法等。这些方法虽然能提高测量精度，但其精度不仅受显微镜精度影响，而且条纹极值需要人眼分辨，受主观影响较大，无法满足高精度测量要求。表面等离子体传感器和拉曼光谱等一些新技术，虽然可以测量，但是这些方法价格昂贵并且对液体不易操作。

在恒温条件下，液体的折射率的大小受其浓度的影响，因此可以测量折射率值来分析该液体的浓度，这在环境检测水质中含重金属等各种污染物的含量、微生物发酵中检测蛋白质、葡萄糖、氨基酸等微量物质浓度有很大的应用前景。但是，液体在浓度很小或者浓度变化不是很大的情况下，其折射率值变化很微小，而现有的测量方法对微量物质折射率的检测精度不高，可参见例如中国专利申请CN200710066016.2。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种传感器，其能够克服上述现有技术的某种或某些问题。

根据本发明的传感器包括：

第一金属光栅偏振器，包含透明平面基底以及在基底上形成的金属光栅层；

第二金属光栅偏振器，与第一金属光栅偏振器结构完全相同，并布置成与第一金属光栅偏振器平行隔开并成正对关系；

设置在第一金属光栅偏振器外侧的光源，光源发出的光线具有恒定入射光强且垂直透过第一金属光栅偏振器并指向第二金属光栅偏振器；以及

设置在第二金属光栅偏振器外侧的光电探测器，用于检测透过第二金属光栅偏振器的光线的出射光强。

根据本发明的传感器结构简单、灵敏度高、检测实时、并且制作简单，可广泛应用于化工、医药、食品、生物工程、石油等工业来检测液体折射率。

在本发明的一个具体实施例中，传感器还可以包括覆盖在第一金属光栅偏振器的金属光栅层上的第一透明盖片以及覆盖在第二金属光栅偏振器的金属光栅层上的第二透明盖片，其中第一透明盖片与第二透明盖片相互面对。

在本发明的替代性实施例中，传感器还可以包括覆盖在第一金属光栅偏振器的基底上的第一透明盖片以及覆盖在第二金属光栅偏振器的基底上的第二透明盖片，其中第一透明盖片与第二透明盖片相互面对。

在本发明的优选实施例中，第一金属光栅偏振器的基底与第二金属光栅偏振器的基底也可以直接相互面对。

在本发明的一个优选实施例中，光源为波长600nm的单色激光二极管。

在本发明的一个具体实施例中，基底厚度可以为1mm左右，金属光栅可以为铝光栅，光栅槽形为矩形，光栅周期为100nm，金属光栅脊宽为50nm以及光栅槽深为50nm。

本发明还提供了一种用于检测液体折射率的方法，包括：

提供第一金属光栅偏振器，第一金属光栅偏振器包含透明平面基底以及在基底上形成的金属光栅层；

提供与第一金属光栅偏振器结构完全相同的第二金属光栅偏振器，第二金属光栅偏振器布置成与第一金属光栅偏振器平行隔开并成正对关系；

使待测液体从第一金属光栅偏振器和第二金属光栅偏振器之间通过；

从第一金属光栅偏振器外侧施加垂直透过第一金属光栅偏振器并指向第二金属光栅偏振器的具有恒定入射光强的光线；

检测透过第二金属光栅偏振器的光线的出射光强；以及