| 【中文题名】 | 光纤倏逝波生物传感器系统中关键器件理论分析与优化设计 |
| 【英文题名】 | Theoretical Analysis and Optimization Design of Pivotal Components in the Evanescent Wave-based Optical Fiber Biosensors |
| 【学科专业】 | 光学工程 |
| 【论文级别】 | 硕士论文 |
| 【投稿时间】 | 2007-10-18 |
| 【中关键词】 | 生物传感器,光纤,倏逝波,光纤连接器,光电探测器,前置放大电路 |
| 【英关键词】 | biosensor,fiber,evanescent wave,fiber connector,photoelectric detector,pre-amplifier, |
| 【分类导航】 | 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>生物传感器、医学传感器 |
| 【论文摘要】 |
本文针对光纤生物传感器在生化战剂侦检、战场环境监测、生物反恐等军事领域的应用需求,基于课题组已构建的光纤倏逝场生物传感器实验研究平台,对全光纤结构的倏逝场光纤生物传感器系统中的基础理论与基本技术问题展开了更深层次的理论与实验研究。
首先对全光纤结构的倏逝波生物传感器实验室样机进行了全面的实验测试,获得了大量的实验数据,据此对系统的探测灵敏度、探测精度等性能参数进行了详细的分析。分析结果表明,系统对光纤探针标记的荧光染料浓度检测可达0.001μmol/L,满足实际生物物质检测中高精度的要求。在此基础上,本文对实验室样机的整体性能进行了分析和评价,提出了工程化、实用化方面的改进设想和方案。
光纤连接器是传感器系统中连接激发光纤、信号光纤和光纤探针的装置,也是光纤倏逝波生物传感器的关键器件之一,其性能直接影响着整个系统的探测灵敏度和性能稳定性。论文采用几何光学理论建立光纤连接器的分析模型,采用重叠面积积分的方法计算了连接器的信号耦合效率,在此基础上对激发光端面反射产生的本底光噪声进行分析,得到了定量的分析结果。基于现有实验系统设计了验证性实验,实验结果表明,光纤连接器结构的改进能够有效地增... |
| 【论文题纲】 |
|
摘要 |
10-11 |
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ABSTRACT |
11-13 |
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第一章 绪论 |
13-16 |
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1.1 课题研究背景与意义 |
13-14 |
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1.2 国内外研究现状 |
14 |
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1.3 论文主要内容 |
14-16 |
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第二章 全光纤结构倏逝波生物传感器系统实验 |
16-24 |
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2.1 实验系统 |
16-19 |
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2.1.1 实验系统 |
16-18 |
|
2.1.2 实验准备 |
18-19 |
|
2.2 实验结果及分析 |
19-22 |
|
2.2.1 荧光染料浓度检测与分析 |
19-21 |
|
2.2.2 系统稳定性测试 |
21-22 |
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2.3 实验小结 |
22-24 |
|
2.3.1 系统评价 |
22-23 |
|
2.3.2 改进方案 |
23-24 |
|
第三章 光纤连接器性能分析与优化设计 |
24-34 |
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3.1 光纤连接器结构 |
24 |
|
3.2 信号耦合效率 |
24-28 |
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3.2.1 信号耦合效率公式推导 |
24-26 |
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3.2.2 信号光纤排列方式对耦合效率影响 |
26-27 |
|
3.2.3 端面距离对信号耦合效率的影响分析 |
27-28 |
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3.3 本底光噪声分析 |
28-30 |
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3.3.1 本底光噪声功率 |
28-29 |
|
3.3.2 端面距离对本底光噪声的影响 |
29-30 |
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3.4 实验结果及讨论 |
30-33 |
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3.4.1 光纤连接器实验 |
30-31 |
|
3.4.2 实验结果分析 |
31-33 |
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3.5 光纤连接器优化设计方案 |
33-34 |
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第四章 小型光电检测器件应用于光纤生物传感系统的可行性研究 |
34-60 |
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4.1 光电探测器接收调制信号光功率分析 |
34-35 |
|
4.1.1 调制信号光功率推算 |
34-35 |
|
4.1.2 光电二极管探测器 |
35 |
|
4.2 耦合系统设计分析 |
35-38 |
|
4.2.1 耦合系统结构 |
35-36 |
|
4.2.2 结构参数计算 |
36-38 |
|
4.2.3 透过率计算 |
38 |
|
4.3 APD 探测器的理论模型、输出噪声与信噪比 |
38-42 |
|
4.3.1 APD 探测器输出的信号光电流 |
39 |
|
4.3.2 APD 探测器输出的噪声电流 |
39-40 |
|
4.3.3 APD 探测器输出的电流信噪比 |
40-41 |
|
4.3.4 讨论 |
41-42 |
|
4.4 前置放大电路的设计与分析 |
42-49 |
|
4.4.1 前置放大电路 |
43-47 |
|
4.4.2 讨论 |
47-49 |
|
4.5 APD 偏压电路的设计 |
49-51 |
|
4.5.1 温度传感电路 |
49-50 |
|
4.5.2 电压变换电路 |
50 |
|
4.5.3 可调直流电压源 |
50-51 |
|
4.5.4 偏压电路参数的讨论 |
51 |
|
4.6 APD 光电二极管探测单元 |
51-52 |
|
4.6.1 APD 光电二极管探测单元结构 |
52 |
|
4.6.2 APD 光电二极管探测单元性能 |
52 |
|
4.7 PIN 光电二极管探测单元 |
52-55 |
|
4.7.1 耦合系统设计与分析 |
53-54 |
|
4.7.2 前置放大电路噪声分析 |
54-55 |
|
4.7.3 PIN 光电探测单元性能 |
55 |
|
4.8 光电探测单元器件误差与干扰讨论 |
55-57 |
|
4.8.1 器件误差影响 |
55-56 |
|
4.8.2 电路制作考虑与要求 |
56-57 |
|
4.9 传感系统使用不同光电探测器的对比分析 |
57-60 |
|
4.9.1 探测精度与响应度 |
57-58 |
|
4.9.2 成本与制造工艺 |
58 |
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4.9.3 本章小结 |
58-60 |
|
第五章 传感器系统中的电路改进 |
60-66 |
|
5.1 激发光源信号调制电路 |
60-62 |
|
5.1.1 信号发生电路 |
60-61 |
|
5.1.2 调制电路 |
61 |
|
5.1.3 恒流源驱动电路 |
61 |
|
5.1.4 慢启动电路 |
61-62 |
|
5.1.5 电路改进分析 |
62 |
|
5.2 数据采集卡接口电路 |
62-66 |
|
5.2.1 数据采集卡参数 |
62-63 |
|
5.2.2 信号调理方法 |
63 |
|
5.2.3 采集卡接口电路原理图 |
63-64 |
|
5.2.4 电路改进分析 |
64-66 |
|
第六章 总结 |
66-68 |
|
致谢 |
68-69 |
|
参考文献 |
69-72 |
|
作者攻读硕士学位期间取得的学术成果 |
72 |
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| 【DOI】 | LunWen.ID:2.2008.385305 |
