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油水持率表面等离子体共振传感器的研究

作　者: 王宏瑾
导　师: 牟海维
学　校: 东北石油大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 表面等离子体共振 Kretschmann型棱镜 角度调制 持率
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


表面等离子体共振技术(Surface Plasmon Resonance,SPR)是近年来发展起来的一门光学传感技术,对外界介质折射率的变化极其敏感,具有检测灵敏度高、样品无需标记、可实时监测和无背景干扰等优点,广泛应用于物理、化学和生物等领域。随着对表面等离子体共振技术研究的不断深入,拓展其应用领域已成为该技术的主要发展趋势之一。目前,国内老油田开发不断深化、新发现难采储量的增加、水平井和大斜度井等技术的广泛应用造成油井内多相流的流动状态发生显著变化,高含水或特高含水、油水两相流日益普遍,导致现有持率测量方法的测量误差大、灵敏度降低。基于油水介质折射率差别较大的特点,利用表面等离子体共振传感技术对油水持率进行室内研究,探索新型油水持率测量方法对油田生产具有重要的现实意义。本文采用磁控溅射方法在三棱镜表面沉积金膜制作Kretschman结构表面等离子体共振传感器,利用传感测试平台测量不同浓度配比的油水介质持率,考察金膜厚度和棱镜类型对油水介质表面等离子体共振谱线的影响规律,阐明油水持率与表面等离子体共振角和介质折射率之间的内在联系,为表面等离子体共振技术在油田的实际应用奠定理论基础。仿真模拟结果表明,产生表面等离子体共振现象的最佳金膜厚度约为50nm;棱镜和待测物质的折射率相差越大,共振角越小,传感灵敏度越高;表面等离子体共振角随待测物质折射率的增大而增大,共振吸收峰逐渐展宽,传感灵敏度降低。实测结果表明,棱镜的折射率对表面等离子体共振角有较显著的影响,共振角随棱镜折射率的增大而减小,变化规律与仿真结果吻合;当油水介质体积浓度逐渐由5%、15%、25%、35%增大到45%时,表面等离子体共振谱线向右平移,共振角逐渐增大;油水介质持率的变化与折射率和共振角之间呈线性关系。将表面等离子体共振技术应用于油水持率测量是一种新的思路,本研究对拓展其应用领域,开发新型持率计具有重要的指导意义。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
创新点摘要  7-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 引言  10
  1.2 油水持率测量的传统方法  10-13
    1.2.1 电容法  10-11
    1.2.2 差压法  11-12
    1.2.3 伽马射线法  12-13
  1.3 表面等离子体共振新型油水持率测量方法  13-16
    1.3.1 表面等离子体共振技术的研究现状  13-14
    1.3.2 表面等离子体共振技术的优势  14
    1.3.3 表面等离子体共振技术的应用领域  14-16
    1.3.4 表面等离子体共振技术的前景展望  16
  1.4 选题意义与主要研究内容  16-18
    1.4.1 选题意义  16
    1.4.2 主要研究内容  16-18
第二章 表面等离子体共振原理  18-31
  2.1 引言  18
  2.2 表面等离子体波与倏逝波  18-20
    2.2.1 表面等离子体与表面等离子体波  18-19
    2.2.2 倏逝波  19-20
  2.3 表面等离子体共振的激发  20-23
    2.3.1 表面等离子体波的色散曲线  20-22
    2.3.2 表面等离子体共振的激发  22-23
    2.3.3 表面等离子体共振的激发条件  23
  2.4 表面等离子体共振传感模型及影响因素  23-26
    2.4.1 Otto 和Kretschmann 结构  23-24
    2.4.2 反射系数  24-25
    2.4.3 影响因素  25-26
  2.5 表面等离子体共振传感器类型  26-29
  2.6 表面等离子体共振的检测方式  29-30
  2.7 本章小结  30-31
第三章 表面等离子体共振仿真分析  31-36
  3.1 引言  31
  3.2 金属膜及膜厚对激发表面等离子体共振的影响  31-33
  3.3 棱镜对激发表面等离子体共振的影响  33-35
  3.4 待测介质对表面等离子体共振角的影响  35
  3.5 本章小结  35-36
第四章 油水持率表面等离子体共振传感检测  36-48
  4.1 引言  36
  4.2 实验装置系统  36-40
    4.2.1 光源  37
    4.2.2 棱镜  37
    4.2.3 金属膜的制备  37-38
    4.2.4 扫描角精度的控制  38
    4.2.5 实验样品  38
    4.2.6 实验过程  38-40
  4.3 实验结果与讨论  40-47
    4.3.1 实验稳定性与准确性  40-41
    4.3.2 金膜厚度及棱镜折射率对表面等离子体共振的影响  41-42
    4.3.3 油水持率的测定  42-47
  4.4 本章小结  47-48
结论  48-49
参考文献  49-54
发表文章目录  54-55
致谢  55-56
详细摘要  56-62

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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