基于表面等离子体共振技术的传感器研究

发布时间：2017-04-24 08:03

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【摘要】：本文的主要工作是研究基于表面等离子共振技术(Surface Plasmon Resonance,SPR)的传感器,SPR传感器的主要原理是表面等离子波对界面处介质成分折射率的微小变化非常敏感,具有测量精度高、测量速度快、抗干扰能力强等优势,目前已广泛应用于在生物医学、机械、化学、环境监测等诸多领域。由于工业技术的快速发展和需求的不断提高,对于SPR传感器的要求也越来越高,本课题组的目标是对SPR传感器的性能进一步提高。制约SPR传感器发展的主要有理论研究、结构设计、实际应用等方面,本文从上述几个方面进行了研究分析。通过对理论分析说明了表面等离子波产生和激发表面等离子共振的条件,通过对比不同的激发方式不同信号调制技术,表明相位调制SPR传感器灵敏度最高,但是需要解决的问题也最多。然后通过软件对“棱镜层-金属膜层-被测介质层”的SPR传感器结构模型优化分析计算,确定本实验系统采用的结构和参数。最终设计了一种基于表面等离子体共振和相位检测的气体折射率实时测量系统,该系统采用双频激光外差干涉光路和具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振传感器。理论分析表明测量光信号的P、S分量的相位差相对于参考光信号的变化与空气折射率近似呈线性关系,并由此得到测量公式,传感器的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并大幅提高了测量灵敏度。本文用该系统完成空气折射率的检测和二氧化碳气体折射率的检测,实验结果表明与相应标定公式表明,气体折射率的测量精度达到预期目标。同时设计并搭建了基于双频激光外差干涉光路的液体折射率测量系统,通过甘油溶液折射率测量实验表明其与理论分析结果一致,且与其他方法的结果吻合。所涉及测量系统的精度能够满足目前相应的领域,具有较好的实际应用价值。
【关键词】：表面等离子体共振(SPR) 传感器 激光干涉测量 相位测量 气体折射率 液体折射率
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 研究的目的和意义10-11
• 1.2 传感器简介11-13
• 1.3 激光干涉测量技术简介13-18
• 1.4 SPR传感技术简介18
• 1.5 SPR传感器技术的应用领域与发展现状18-23
• 1.5.1 SPR传感器技术在生物医学领域的应用现状19-22
• 1.5.2 SPR传感器技术在机械领域的应用现状22-23
• 1.6 SPR技术发展历程及发展趋势23-25
• 1.7 论文的主要内容25-26
• 第2章 SPR技术的基本理论分析26-41
• 2.1 SPR基本原理26-34
• 2.1.1 光的色散26-30
• 2.1.2 光激发SPR原理30-34
• 2.2 常见SPR激发结构34-37
• 2.2.1 棱镜型SPR传感器34
• 2.2.2 光纤型SPR传感器34-35
• 2.2.3 波导型SPR传感器35-36
• 2.2.4 光栅型SPR传感器36-37
• 2.3 SPR的信号检测方法37-39
• 2.3.1 角度调制型38
• 2.3.2 波长调制型38-39
• 2.3.3 强度调制型39
• 2.3.4 相位调制型39
• 2.4 本章小结39-41
• 第3章 建模与优化分析41-55
• 3.1 传感器理论模型41-44
• 3.2 光源的优化选择44-46
• 3.3 棱镜材料优化选择46-47
• 3.4 金属膜材料与厚度优化选择47-50
• 3.4.1 不同金属材料分析47-50
• 3.4.2 金属膜厚度优化50
• 3.5 共振角分析50-51
• 3.6 本论文使用传感器结构分析51-53
• 3.7 相位响应度53-54
• 3.8 本章小结54-55
• 第4章 SPR传感器的实验研究55-80
• 4.1 实验系统搭建55-61
• 4.1.1 真空系统的设计55-58
• 4.1.2 光路系统设计58-61
• 4.2 空气折射率测量61-68
• 4.2.1 实验过程62-63
• 4.2.2 标定公式63-66
• 4.2.3 实验数据与精度分析66-68
• 4.3 二氧化碳气体折射率测量68-72
• 4.3.1 实验过程68-69
• 4.3.2 理论标定公式69-71
• 4.3.3 实验数据与精度分析71-72
• 4.4 液体折射率测量实验72-79
• 4.4.1 实验准备73
• 4.4.2 实验光路系统73-76
• 4.4.3 系统误差76-77
• 4.4.4 实验数据与精度分析77-79
• 4.5 本章小结79-80
• 第5章 结论与展望80-83
• 5.1 研究工作总结80-81
• 5.2 本论文创新点81
• 5.3 研究工作展望81-83
• 参考文献83-89
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单89-90
• 致谢90

【参考文献】

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本文编号：323816