一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜制造技术

本发明专利技术公开了一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，所述太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：电阻率在10kΩ·cm上的高阻硅作为传感器材料的选择：使用多次反射的光学系统，棱镜外形为等腰梯形，太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射；传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；棱镜的尺寸设计需满足方程；且该棱镜还需满足根据几何关系增加的约束条件。本发明专利技术使油品在太赫兹频段的受抑全内反射光谱检测得以实现，并提高检测效率。

A terahertz band suppressed total internal reflection sensor prism for oil detection

The invention discloses a frustrated total internal reflection prism for terahertz sensor oil detection, the terahertz frustrated total internal reflection prism sensor include: electrical resistivity in 10K. Cm on high resistivity silicon as the sensor material selection: optical systems using multiple reflection, prism shape of isosceles trapezoid, terahertz from the side of the surface wave incident on the prism surface, multiple reflections and oil phase, and finally from the other side surface emitting sensor in contact with oil; the interface of the incident critical angle should be greater than 27.89 degrees; the size of the prism design must satisfy the equation; and the prism needed to meet the constraint according to the geometric relations increase the. The present invention enables the detection of suppressed total internal reflection spectrum of oil products in terahertz band and improves detection efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜
本专利技术涉及油品检测领域，尤其涉及一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜。
技术介绍
管道运输多采用顺序输送方式，在不同油品的运输界面上容易形成混油段，混油段的准确识别，对减少安全事故、提高经济效益、能源的充分利用具有重要意义。基于光学的油品检测方法具有灵敏度高、测量方式多样化、安全无污染等优点，成为混油检测的新方向，太赫兹波光子能量低，对于油品检测安全；穿透能力强，能够克服普通光学检测设备易受油品杂质污染的缺点，在管道混油检测方面具有优势。而受抑全内反射光谱技术(Attenuatedtotalreflection,ATR)在过程监控领域应用比较广泛，可对吸收成分进行直接测定，亦可用于多组分溶液的过程监测，非常具有在线监测管道内混油的潜力。专利技术人在实现本专利技术的过程中，发现现有技术中至少存下以下缺点和不足：目前，适用于太赫兹频段的受抑全内反射传感器棱镜很少，针对油品检测使用的太赫兹频段受抑全内反射传感器更是空白。目前没有将太赫兹频段受抑全内反射应用于油品检测的案例。而太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜研究和使用本身较少，且均为通用型棱镜，更没有针对油品检测的太赫兹受抑全内反射传感器棱镜；只考虑太赫兹频段的光学特性，不考虑被测材料的光学特性，对油品这一特殊被测材料适用性不明确；只简单给出一般的一系列传感器棱镜长度和高度，不能保证所有从入射面入射的太赫兹波均能从出射面出射(不考虑光线折射反射损耗和材料吸收，仅考虑几何光学时)造成实际通光孔径远小于理想通光孔径的情况，效率不佳；并不能非常好地适用于太赫兹时域光谱仪系统；缺少对于太赫兹受抑全内反射传感器棱镜的能量透过率分析。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，本专利技术使油品在太赫兹频段的受抑全内反射光谱检测得以实现，并提高检测效率，详见下文描述：一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，所述太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：电阻率在10kΩ·cm以上的高阻硅作为传感器材料的选择：使用多次反射的光学系统，棱镜外形为等腰梯形，太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射；传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；棱镜的长度L应同时满足以下2个条件：第一条件：设太赫兹波在棱镜内表面两次反射点之间的距离为d，棱镜的长度L等于d在底边上投影的N倍；第二条件：棱镜的长度L等于光学仿真系统中棱镜底边上a、b两点之间的距离，其中a点是从入射表面上沿入射的那一束太赫兹波光线与棱镜第N次反射的位置，b点是从入射表面下沿入射的另一束太赫兹波入射位置；棱镜的尺寸设计需满足如下方程：L＝T·N·tanθ+T/tanα式中，α为棱镜底角，L为棱镜长，T为棱镜高，θ为太赫兹波在棱镜内部发生全反射时的入射角，N为全反射次数，N＝5；根据几何关系增加一个约束条件如下式：本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、针对油品这一特殊检测对象和太赫兹这一特殊频段，进行了针对性的有效设计；2、针对油品特性选择相适应的传感器介质材料；针对油品特性、发生受抑全内反射的临界机理和太赫兹波光路结构设计了油品太赫兹频段受抑全内反射的角度参数；3、综合油品特性和各参数相关性等问题设计了适用于油品太赫兹受抑全内反射传感器棱镜的形式和反射次数；4、通过公式或者光学仿真的方法获得使传感器具有最佳通光孔径和太赫兹波利用率的传感器长度；5、对传感器的太赫兹波能量利用率、时延以及传感器棱镜在太赫兹时域光谱仪中的有效性做出评价。附图说明图1为受抑内全反射传感器棱镜结构及平行光入射光路的示意图；图2为光线在棱镜1-3内部的反射情况；图3为光线在棱镜4内部的反射情况；图4为受抑内全反射传感器棱镜在4f系统中的仿真光路；图5为光学系统仿真加入受抑内全反射传感器棱镜后的照度图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，参见图1，该太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：电阻率在10kΩ·cm以上的高阻硅作为传感器材料的选择：使用多次反射的光学系统，棱镜外形为等腰梯形，太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射；传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；棱镜的长度L应同时满足以下2个条件：第一条件：设太赫兹波在棱镜内表面两次反射点之间的距离为d，棱镜的长度L等于d在底边上投影的N倍；第二条件：棱镜的长度L等于光学仿真系统中棱镜底边上a、b两点之间的距离，其中a点是从入射表面上沿入射的那一束太赫兹波光线与棱镜第N次反射的位置，b点是从入射表面下沿入射的另一束太赫兹波入射位置；棱镜的尺寸设计需满足如下方程：L＝T·N·tanθ+T/tanα式中，α为棱镜底角，L为棱镜长，T为棱镜高，θ为太赫兹波在棱镜内部发生全反射时的入射角，N为全反射次数，N＝5；根据几何关系增加一个约束条件如下式：综上所述，本专利技术实施例通过上述设计使得油品在太赫兹频段的受抑全内反射光谱检测得以实现，并提高了检测效率。实施例2下面结合具体的附图、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：201：选择适宜于油品太赫兹受抑全内反射光谱检测的传感器材料；该步骤的详细操作为：目前，适用于太赫兹频段的受抑全内反射棱镜传感器很少，针对油品检测使用的太赫兹频段受抑全内反射传感器更是空白。针对用于油品检测的太赫兹受抑全内反射传感器的设计中，选择传感器材料必须满足以下三种标准要求：1)油品是一种有机溶剂，在受抑全内反射光谱的检测中，油品与传感器直接接触。传感器材料不能和油品发生作用或相互影响，否则会导致传感器棱镜损坏或油品混入杂质。2)在受抑全内反射光谱检测的过程中，太赫兹波由传感器棱镜(折射率n1)折射入被检测油品(折射率n2)中，并发生全反射。由折射定律snell’s公式sinθ1/sinθ2＝n2/n1，若折射角θ2＝90°，则必有n1>n2，即在太赫兹频段中，传感器材料折射率要大于油品折射率，且不易过于接近，否则满足θ2＝90°的入射临界角过大，不利于检测。油品在太赫兹波段的折射率在1.5左右。3)太赫兹波在与油品作用前后，在传感器中会传播可观的距离，对太赫兹波产生明显的吸收效应，降低检测信噪比，甚至导致无法接受到太赫兹波。传感器材料要在太赫兹频段中尽可能透明，即吸收系数足够小。受抑全内反射光谱技术主要应用于中红外以及紫外可见光波段。太赫兹波是介于毫米波和红外区域的电磁波，红外波段制作受抑全内反射传感器常采用的晶体如溴碘化铊、硒化锌、硅、锗等，这些材料的适用波长范围均不在太赫兹波段内，即这些晶体介质对太赫兹波吸收极大，依据设计选材标准3)，这些材料无法应用于太赫兹频段油品检测。太赫兹频段吸收系数较小的介质材料有聚合物、金刚石、高阻硅等。金刚石成本过高，不适于选用。聚合物，例如聚乙烯(polyethylene，PE)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚4-甲基戊烯-1(polymethylpen本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，其特征在于，所述太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：电阻率在10kΩ·cm以上的高阻硅作为传感器材料的选择：使用多次反射的光学系统，棱镜外形为等腰梯形，太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射；传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；棱镜的长度L应同时满足以下2个条件：第一条件：设太赫兹波在棱镜内表面两次反射点之间的距离为d，棱镜的长度L等于d在底边上投影的N倍；第二条件：棱镜的长度L等于光学仿真系统中棱镜底边上a、b两点之间的距离，其中a点是从入射表面上沿入射的那一束太赫兹波光线与棱镜第N次反射的位置，b点是从入射表面下沿入射的另一束太赫兹波入射位置；棱镜的尺寸设计需满足如下方程：L＝T·N·tanθ+T/tanα式中，α为棱镜底角，L为棱镜长，T为棱镜高，θ为太赫兹波在棱镜内部发生全反射时的入射角，N为全反射次数，N＝5；根据几何关系增加一个约束条件如下式：

【技术特征摘要】
1.一种用于油品检测的太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜，其特征在于，所述太赫兹频段受抑全内反射传感器棱镜包括：电阻率在10kΩ·cm以上的高阻硅作为传感器材料的选择：使用多次反射的光学系统，棱镜外形为等腰梯形，太赫兹波从一侧表面入射，在棱镜上下表面反射若干次与油品相作用，最后从另一侧表面出射；传感器在与油品接触的界面的入射临界角需要大于27.89°；棱镜的长度L应同时满足以下2个条件：第一条件：设太赫兹波在棱镜内表面两次反射点之间的距离为d，棱镜的长度L等于d在底边上投影的N倍；第二条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：周南，李健，张杰，龚侃，曾周末，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12