一种手持式可调控SPR传感器装置

技术领域

本发明涉及表面等离子共振传感器技术领域，尤其是涉及一种手持式可调控SPR传感器装置。

背景技术

表面等离子共振(Surface Plasma Resonance)技术因灵敏度高，成本较低成为近年来迅速发展起来的技术，表面等离子共振技术是通过测量样品折射率变化来检测样本的成分和浓度的一项技术，可以在SPR传感器芯片上或者SPR传感器探头上修饰敏感层使得传感器只对某种物质敏感，或者改变金属膜层厚度来控制折射率测量范围。

SPR传感器分为角度调制、波长调制、强度调制和相位调制。目前，表面等离子共振现象的测量方式大多数采用波长调制型和角度调制型，角度调制方法需要测量装置非常精密，要有精确的步进电机带动角度的调整，一般体积比较大；而若采用波长调制需要光谱仪，价格相对昂贵；相位调制方法测量的装置会十分的复杂。相对以上三种测量方式，光强度调制型测试系统具有结构简单，成本低的优势，并且没有使用复杂的角度控制装置及光谱仪，易于实现仪器的小型化。

专利申请公布号CN102252999A所发明的光纤SPR探头，只能进行单一范围物质的检测，如需测量其他的项目，则需要更换另一套设备，并且测得数据需要在计算机上观察，不方便野外测试等特定场景。因此，亟需一种将SPR传感器与探测装置集成于一个设备形成探测检测一体化手持式传感器。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种手持式可调控SPR传感器装置，该SPR传感器探头组部分通过在设备尖端套接一个可旋转式的装置，通过旋转的方式更改SPR传感表面，以低成本的方式对拥有不同折射率范围的项目进行测量，并且该传感器内置STM32单片机，将探测器测得数据直接显示在液晶显示屏上，方便观察。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种手持式可调控SPR传感器装置，包括探头组件、壳体、分别设置于壳体内的入射组件、信号采集组件和主控芯片，以及设置于壳体表面的显示屏，所述的探头组件包括探头外壳、反光镜和金属薄膜，所述的探头外壳包括相互活动连接的锥形头部和柱状尾部，所述的柱状尾部设置于壳体侧面，所述的反光镜和金属薄膜设置于锥形头部内侧面，且相互垂直形成SPR传感组，所述的入射组件和信号采集组件与探头外壳连接，且分别正对反光镜和金属薄膜，所述的主控芯片分别与信号采集组件和显示屏连接；

使用时，将该装置的探头组件设置于待检测环境介质中，所述的入射组件正对反光镜射入偏振激光，该偏振激光经反射镜反射到能够激发SPR的金属薄膜，当满足SPR激发条件时，改变光强度大小，所述的金属薄膜产生表面等离子共振现象，并将光反射至信号采集组件，所述的信号采集组件获取金属薄膜反射的光并发送至主控芯片进行计算，最后将计算得到的环境介质折射率通过显示屏显示。

进一步地，所述的反光镜和金属薄膜设置多个，两两相对分别设置于锥形头部内侧面，且相互垂直形成多组SPR传感组，所述的锥形头部能够沿柱状尾部的轴线转动，用于将不同的SPR传感组旋转至入射组件和信号采集组件正对的位置。

更进一步地，所述的多组SPR传感组中，每一组金属薄膜的折射率范围互不相同；

使用时，根据需要旋转锥形头部，切换不同折射率范围的SPR传感组。

进一步地，所述的锥形头部包括相互连接的圆锥形尖端和圆柱形连接部，所述的柱状尾部为圆柱形尾部，所述的圆柱形连接部与圆柱形尾部相互连接。

更进一步地，所述的圆柱形连接部的侧面开设环形凹槽，所述的圆柱形尾部的侧面开设环形凸起，所述的环形凸起卡设于环形凹槽内，用于实现锥形头部的转动。

进一步地，所述的入射组件射入的偏振激光与柱状尾部的侧壁平行，与反光镜之间的夹角为45°。

进一步地，该装置还包括电源和开关，所述的电源和开关分别与主控芯片连接。

进一步地，所述的入射组件包括偏振激光光源、入射光纤和入射光纤夹头，所述的入射光纤夹头设置于柱状尾部正对反光镜处，所述的偏振激光光源与主控芯片连接，所述的入射光纤分别与偏振激光光源和入射光纤夹头连接。

进一步地，所述的信号采集组件包括依次连接的反射光纤夹头、反射光纤、探测器和滤波放大电路，所述的反射光纤夹头设置于柱状尾部正对金属薄膜处，所述的滤波放大电路与主控芯片相互连接。

优选地，所述的主控芯片为STM32主控芯片，所述的显示屏为液晶显示屏。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明更改SPR传感器的传统检测模式，将探头传感组与检测组设计为一体化，形成手持式SPR传感器，将装置放入待测环境介质中，直接可以在该传感器装置自带的液晶显示屏上观察到数据，无需连接计算机进行数据显示，方可以脱离实验室，便携带；

2)本发明可以通过旋转锥形头部更改SPR传感所需不同折射率需要的金属薄膜，通过外力辅助旋转换面选取不同条件的镀膜和修饰，可以形成不同的探头组，不需考虑更换SPR传感部分的金属薄膜而产生的光纤耦合的问题，且通过设计环形凹槽和环形凸起互相嵌套式旋转结构，无需精密复杂的转动装置就就可更换SPR传感组，操作方便，进行多元化的即时实施测量，可即时测量污水、空气中的各种污染物的浓度；

3)本发明使用强度调制方式，整套装置无需昂贵仪器，成本较低，制备过程简单，可实现量产化，同时该传感器结构简单，可制小型化，检测过程稳定；

4)本发明传感器内嵌电池，通过充电使用，可以脱离实验室，运用到野外测量或者实际工业等环境。

附图说明

图1为本发明专利的内部结构示意图；

图2为本发明专利锥形头部的仰视图；

图3为本发明专利的SPR传感探头尖端旋转结构示意图；

图4为本发明专利的整体结构图。

其中，1、偏振激光光源，2、入射光纤，3、入射光纤夹头，4、反光镜，5、金属薄膜，6、反射光纤夹头，7、反射光纤，8、探测器，9、滤波放大电路，10、主控芯片，11、开关，12、电源，13、显示屏，14、壳体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-图4所示，本发明公开了一种手持式可调控SPR传感器装置，可分为包括入射单元、传感单元和数据采集单元，具体包括探头组件、壳体14、分别设置于壳体14内的入射组件、信号采集组件和主控芯片10，以及设置于壳体14表面的显示屏13，探头组件包括探头外壳、反光镜4和金属薄膜5，探头外壳包括相互活动连接的锥形头部和柱状尾部，柱状尾部设置于壳体14侧面，反光镜4和金属薄膜5设置于锥形头部内侧面，且相互垂直形成SPR传感组，入射组件和信号采集组件与探头外壳连接，且分别正对反光镜4和金属薄膜5，主控芯片10分别与信号采集组件和显示屏13连接。

如图2所示，反光镜4和金属薄膜5设置多个，两两相对分别设置于锥形头部内侧面，且相互垂直形成多组SPR传感组，锥形头部能够沿柱状尾部的轴线转动，用于将不同的SPR传感组旋转至入射组件和信号采集组件正对的位置，且多组SPR传感组中，每一组金属薄膜5的折射率范围互不相同，使用时，可根据需要旋转锥形头部，切换不同折射率范围的SPR传感组。本实施例中，一共设置四组SPR传感组，每个反光镜4和金属薄膜5的角度均为45°。

如图3所示，锥形头部包括相互连接的圆锥形尖端和圆柱形连接部，柱状尾部为圆柱形尾部，圆柱形连接部与圆柱形尾部相互连接，圆柱形连接部的侧面开设环形凹槽，圆柱形尾部的侧面开设环形凸起，环形凸起卡设于环形凹槽内，用于实现锥形头部的转动。

该装置还包括电源12和开关11，电源12和开关11分别与主控芯片10连接。入射组件包括偏振激光光源1、入射光纤2和入射光纤夹头3，入射光纤夹头3设置于柱状尾部正对反光镜4处，偏振激光光源1与主控芯片10连接，入射光纤2分别与偏振激光光源1和入射光纤夹头3连接。信号采集组件包括依次连接的反射光纤夹头6、反射光纤7、探测器8和滤波放大电路9，反射光纤夹头6设置于柱状尾部正对金属薄膜5处，滤波放大电路9与主控芯片10相互连接。其中，主控芯片10为STM32主控芯片，显示屏13为液晶显示屏，电源12为可充电电源。

该手持式可更换SPR传感探头组件具有位于装置尖端的锥形结构，相对的两个斜面为一组，每组SPR传感组的两个表面互相垂直，其中一个表面设置反射镜4作为反射表面使用，相对的表面镀上不同厚度的金属或者在金属上修饰不同的敏感层作为SPR反应层，用以实现对待测物质的检测。

本发明专利手持式可更换SPR传感器，配以偏振激光光远1及测试系统共同使用，通过下述方式实现测量：保证该SPR传感器的入射光源传播方向与探头组装置侧壁平行。每个SPR传感表面与反射表面保持90°的夹角，入射光源入射进探头尖端，光束经反射表面反射翻转90°到SPR传感表面形成等离子共振，经探测器检测输出光强度受折射率变化影响的数据，由STM32单片机控制，在自带的液晶显示屏上显示。探头前端具有旋转装置，通过旋转更换SPR传感区不同的条件的镀膜或者修饰，实现对不同项目的检测。

使用时，将该装置的探头组件设置于待检测环境介质中，入射组件正对反光镜4射入偏振激光，入射组件射入的偏振激光与柱状尾部的侧壁平行，与反光镜4之间的夹角为45°，该偏振激光经反射镜4反射到能够激发SPR的金属薄膜5，当满足SPR激发条件时，改变光强度大小，金属薄膜5产生表面等离子共振现象，并将光反射至信号采集组件，信号采集组件获取金属薄膜5反射的光并发送至主控芯片10进行计算，最后将计算得到的环境介质折射率通过显示屏13显示。

将探头插入待测液体中时，偏振激光光源1发出的光由光纤夹头3入射到棱锥结构的SPR探头中经过反射镜4反射到能激发SPR的金属薄膜5，当满足SPR激发条件时，改变反射光强度，经反射由另外一个光纤夹头6进入光电转换电路，光电转换电路由同轴探测器及滤波放大电路组成。信号经数据采集后，由STM32主控芯片10控制，在液晶显示屏13上显示。装置设置配有可充电电源12和开关11，将装置插入猜测液体中，拨开开关后，经STM32主控芯片10控制为激光器和光电转换电路提供电源，启动该SPR传感器开始检测。

本发明中，该SPR传感器探头部分，镀金属薄膜5的作用是产生表面等离子共振现象，当入射光从光纤传到金属薄膜5的时候，某个特定波长的光会与金属-环境介质表面的等离子体波产生共振，这个特定波长的光将被吸收；当光被反射经探测器和计算机分析后就可以观察到在该波长处出现一个共振吸收峰，该特定波长的位置就取决于环境介质的折射率，这就是SPR传感器的测量原理。而金属薄膜5的厚度、长度和镀膜质量以及修饰物，是决定传感器质量的重要因素。如图3所示，该SPR传感器棱锥部分的SPR探头有可旋转的前端，每旋转45度，就可以切换一种折射率范围的金属薄膜5，形成SRP传感组。

在本实施例中，该SPR传感器探头部分，前端旋转结构与侧壁互相嵌套，口径吻合，实现两个截面之间良好的嵌套，从而免去了繁琐的口径对接。该SPR传感器探头可量产化，测量具有便捷化，又不影响传感器的灵敏度和正常使用；该探头更换方便，通过外力辅助旋转换面选取不同条件的镀膜和修饰，可以形成不同的探头组，方面进行多元化的即时实施测量，可实施即时测量污水、空气中的各种污染物的浓度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。