[發明專利]一種基于SPR傳感裝置的真空全壓力測量方法

在審

• 申請號: 202110386437.3
• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN113108984A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 楊志韜;汪世杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G01L21/00
• 分類號: G01L21/00;G01N21/59
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種真空全壓力測量方法，涉及真空全壓力測量和SPR傳感特性技術領域，所述方法以克勞休斯?莫索締方程為出發點，結合氣態方程得出干空氣的真空度P與相對介電常數ε_r之間的對應關系，并將此關系與SPR傳感技術結合起來，得到一種真空全壓力測量方法。該方法對真空環境影響小且能夠實現非接觸測量，對實現基于物質本征物理性質復現真空量值的全壓力真空測量技術具有重要意義。

技術領域

本發明屬于真空全壓力測量和SPR傳感特性技術領域，具體涉及一種真空全壓力測量方法。

背景技術

真空全壓力測量作為真空技術的重要組成部分，在核物理、航空航天、工業測量與高端裝備制造方面有重要的意義。目前普遍采用的測量方法包括液態式真空計、電容薄膜真空計、熱傳導真空計及電離真空計。這些測量方法大都存在著難以微型化、造價昂貴無法商業化、讀數滯后、受外界溫度影響較大、需定期校準等缺點。與傳統真空測量技術相比,基于光學方法的真空測量技術具有非接觸測量及對真空環境影響小等優點。近年來，通過光學方法如光學干涉、冷原子碰撞損失、吸收光譜等進行真空全壓力測量是該領域的研究熱點。

表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一種物理光學現象，通常發生在金屬—電介質界面，當光從光密介質入射到光疏介質時在一定入射角條件下發生全內反射產生倏逝波，該倏逝波的P偏振分量會引發金屬表面等離子體波(SPW)。當SPW與P偏振光的頻率和波數相等且傳播方向一致時，二者就會產生共振，使得反射光的光強出現劇烈的下降現象。SPR曲線的共振吸收峰對介質折射率的改變是十分敏感的。基于SPR技術的傳感器具有靈敏度高、免標記、實時監測、分析快速等優良特性，在醫藥、環境監測和食品安全等領域具有廣泛的應用前景，但是尚未有SPR技術應用于真空全壓力測量的文獻報道。

發明內容

針對于現有測量方法的缺陷，本發明提供一種真空全壓力測量方法，是為了解決現有的難以微型化、受外界溫度影響較大、以及定期校準等問題。本發明利用電介質理論中經典的克勞休斯-莫索締方程所得到的干空氣的真空度P與相對介電常數ε_r之間的對應關系，并結合SPR基本原理，提出一種基于SPR現象的真空全壓力測量方法，該方法具有良好的線性度及靈敏度，對實現基于物質本征物理性質復現真空量值的全壓力真空測量技術具有重要意義。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于克勞休斯-莫索締方程所得到的干空氣的真空度P與相對介電常數ε_r之間的對應關系式如下：

一種基于Kretschmann結構并以金膜作為金屬介質的三層結構角度調制型SPR傳感裝置。

上述方案中，關系式是在空氣為干空氣且其溫度恒定(即忽略濕度和溫度的變化對壓強的影響)的假設條件下(該假設符合真空計的某些實際工作環境)得出的。

上述方案中，關系式的得出過程為：

一、由克-莫方程引入摩爾極化的概念對一個確定的電介質得出密度與介電常數的關系為B為比例系數；ρ為密度；

二、進一步，引入氣態方程，在標準狀態下(溫度T₀＝273K，壓強P₀＝101.3kPa，空氣的密度ρ₀＝1.233k/mm³，相對介電常數ε_r＝1.0005548)，即可得出相對介電常數

上述方案中，對應關系式在克-莫方程適用范圍即倫茲有效場范圍(中低壓氣體電介質)中適用。

上述方案中，Kretschmann結構并以金膜作為金屬介質的三層結構角度調制型的P偏振光反射率R可用Fresnel公式表示為：

其中，d為金屬膜的厚度，ω為入射光頻率，θ_f代表入射角度。