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D型光纤SPR传感器的理论分析与优化设计

作　者: 刘耀波
导　师: 刘月明
学　校: 西安理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: SPR 光纤传感器 双金属合金 相位检测
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 94次
引　用: 1次
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内容摘要


表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)效应是一种发生在金属薄层与电介质分界面上的物理光学现象,由于其对金属表面电介质折射率的变化非常灵敏,可以用来实时检测电介质折射率及其相关物理量的变化,SPR技术正被广泛应用于生物化学、免疫技术、制药等领域。目前最为常用的SPR传感器是棱镜式传感器,这种传感器具有高精度的特点,然而体积大、成本高等缺点限制了其在现场监测、实时分析等方面的应用。针对这种情况,本文设计了一种具有体积小、成本低和灵敏度高等特点的D型光纤SPR传感器,并对其测量原理、结构参数及相位检测等内容进行了研究,主要内容从以下几个方面展开：首先,从麦克斯韦方程组出发推导平面电磁波在介质中的传播,分析了全反射中倏逝波的产生原因及特性。根据德鲁特方程及薄膜中电磁波的传播理论,详细分析金属中等离子体的特性,深层次揭示SPR产生机理。其次,研究了D型光纤SPR传感器的测量原理,讨论了其结构参数对传感器性能的影响,得到了具有最佳性能的传感器参数。此外,还对双金属合金技术在传感器上的应用进行了研究。再次,讨论和比较当前相位检测方法,确定本文采用共光路干涉成像检测方法来设计相位检测系统,并以干涉原理为基础详细讨论了这种方法的检测原理。此外,还详细分析了此系统中相位的调制与解调。最后,详细分析了折射率检测系统的功能,利用Visual C++完成了基于PC机的检测系统软件开发。本论文在详细分析SPR效应的基础上完成了对D型光纤SPR传感器结构参数的优化设计、传感器后续的相位检测光路及检测系统软件设计等内容,为进一步开发完整的检测系统奠定了基础。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-13
  1.1 SPR概述  7-8
  1.2 SPR传感器简介  8-10
    1.2.1 SPR传感器发展历程  8-9
    1.2.2 SPR传感器分类  9-10
  1.3 国内外发展现状  10-11
  1.4 课题研究内容  11-13
2 表面等离子体共振原理  13-27
  2.1 光在介质中的传播  13-18
    2.1.1 平面电磁波的传播  13-15
    2.1.2 复介电常数与复折射率  15-16
    2.1.3 倏逝波  16-18
  2.2 表面等离子体波  18-25
    2.2.1 等离子体  18-19
    2.2.2 金属中的等离子体振荡  19-20
    2.2.3 金属内部自由电荷的分布  20-21
    2.2.4 表面等离子体波  21-23
    2.2.5 表面等离子体波的激发  23-25
  2.3 Kretschmann模型  25-26
  2.4 本章小结  26-27
3 光纤SPR传感器设计  27-39
  3.1 光纤SPR传感原理  27-29
  3.2 光纤SPR传感器设计  29-35
    3.2.1 光纤纤芯折射率  29-30
    3.2.2 光纤纤芯直径  30-31
    3.2.3 传感区长度  31-32
    3.2.4 黏结层厚度  32
    3.2.5 金属层材料  32-33
    3.2.6 金属层厚度  33-34
    3.2.7 入射角  34-35
  3.3 双金属层光纤SPR传感器的研究  35-37
  3.4 本章小结  37-39
4 相位检测系统设计  39-49
  4.1 相位检测方法  39-42
  4.2 相位检测原理  42-45
    4.2.1 干涉原理  42-43
    4.2.2 共光路干涉检测原理  43-45
  4.3 相位检测系统方案  45
  4.4 沃拉斯顿棱镜的作用  45-46
  4.5 相位的调制与解调  46-48
  4.6 本章小结  48-49
5 分析软件设计  49-57
  5.1 程序设计开发环境  49
  5.2 系统软件分析与设计  49-55
    5.2.1 登录模块  50-52
    5.2.2 初始化模块  52
    5.2.3 测量模块  52-54
    5.2.4 查询模块  54-55
    5.2.5 扩展模块  55
  5.3 本章小结  55-57
6 总结及展望  57-58
  6.1 总结  57
  6.2 展望  57-58
致谢  58-59
参考文献  59-62
附录  62-64
攻读硕士学位期间发表论文  64

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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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