[發明專利]基于鋯鈦酸鉛鑭透明陶瓷巨彈光效應的力學傳感器

有效

• 申請號: 201910998117.6
• 申請日: 2019-10-21
• 公開（公告）號: CN110940443B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 王龍海;陳銘;胡峰銓;王世敏;鄭克玉;衛銳;楊貝貝;明新華
• 申請（專利權）人: 湖北大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 武漢帥丞知識產權代理有限公司 42220
• 代理人: 朱必武;王玉

1.基于鋯鈦酸鉛鑭透明陶瓷巨彈光效應的力學傳感器，包括：入射光源(1)、第一偏振片(2)、PLZT透明陶瓷(3)、預應力夾具(4)、第二偏振片(5)、光電探測器(6)、檢測轉換與顯示電路(7)；所述入射光源(1)代表入射光，所述第一偏振片(2)與第二偏振片(5)偏振方向相互垂直放置，且與加在PLZT透明陶瓷(3)上力的方向成45度角；所述PLZT透明陶瓷(3)與待測應力部位接觸，當待測應力變化時，加載在PLZT透明陶瓷(3)上的應力也隨之變化，同時出射光偏振狀態也隨之變化，進而使穿過第二偏振片(5)的光強發生變化，再由光電探測器(6)和檢測轉換與顯示電路(7)完成檢測與顯示，實現對待測應力的檢測；所述預應力夾具(4)既用于固定PLZT透明陶瓷(3)，又可施加一定的預應力，預應力夾具(4)用于適應方向不同的待測拉應力或壓應力和零點調節；其特征在于：

所述PLZT透明陶瓷(3)是具有巨彈光效應的材料，PLZT透明陶瓷(3)中通光方向與應力施加方向垂直；

所述第一偏振片(2)與第二偏振片(5)的偏振方向垂直，并與加在PLZT透明陶瓷(3)上力的方向成45度角，入射光源(1)產生的入射光，經第一偏振片(2)后，光的偏振方向沿第一偏振片(2)方向，通過PLZT透明陶瓷(3)的出射光，經第二偏振片(5)后輸出至光電探測器(6)接收，設定第二偏振片(5)出射的光強包括線偏光o光和e光分量，第二偏振片(5)出射的光強將隨線偏光o光和e光分量相位差的變化而變化，實現將光的相位變化信息轉換成強度變化信息；

所述預應力夾具(4)用于固定PLZT透明陶瓷(3)，并對PLZT透明陶瓷(3)施加一定的預應力，當通過預應力夾具(4)對PLZT透明陶瓷(3)施加預應力后，此時待測外加應力為零，但在預應力作用下，從第二偏振片(5)出射的光強不為零，當預應力夾具(4)外部再施加待測的壓應力時，從第二偏振片(5)出射的光強隨待測壓應力的增加而增加，當預應力夾具(4)外部施加待測的拉應力時，從第二偏振片(5)出射的光強隨待測拉應力的增加而減小；

所述光電探測器(6)用于將第二偏振片(5)出射的光強轉換為電流信號，光電探測器(6)的輸出電流大小與第二偏振片(5)出射的光強成正比，所述檢測轉換與顯示電路(7)用于對光電探測器(6)輸出的電流信號進行電壓轉換、放大、采樣、零點調整，定標后再數字顯示施加在預應力夾具(4)上的待測應力的大小。

2.如權利要求1所述基于鋯鈦酸鉛鑭透明陶瓷巨彈光效應的力學傳感器，其特征在于：所述入射光源(1)與第一偏振片(2)以及PLZT透明陶瓷(3)、第二偏振片(5)、光電探測器(6)之間，沿入射光源方向在工作中中心對準；從第二偏振片(5)出射的光全部照射到光電探測器(6)的受光面上；或者是從第二偏振片(5)出射的光按比例分配部分光束照到光電探測器(6)的受光面上。

3.根據權利要求1所述基于鋯鈦酸鉛鑭透明陶瓷巨彈光效應的力學傳感器的零點調節與定標方法，其特征在于：

設定：加載在PLZT透明陶瓷(3)上的力F與輸出電壓V的關系式為：

公式(1)中：A為無量綱的線性放大倍數，α為比例系數，量綱為：安培/坎德拉，R為電阻，單位為Ω，I₀為入射至PLZT透明陶瓷(3)的線偏光的光強，單位為坎德拉，n₀為不加應力時的折射率，Π₁₁為在應力σ作用下沿x₁主軸方向對應的彈光系數，量綱為：m²/N，λ為光波長，單位為nm，w為PLZT透明陶瓷的長度，單位為mm，F的單位為N，V的單位為伏特；

公式(1)中，V與F成非線性關系，電壓是歸一化值，加在PLZT透明陶瓷(3)上的力F與輸出電壓在一定范圍內具有一一對應關系，先在PLZT透明陶瓷(3)上加載一定大小的預應力F_預，使輸出的電壓值達到最大值的50％，然后再在預應力夾具上施加待測力F_測，PLZT透明陶瓷(3)上受力為：F＝F_預+F_測；當F_測為壓力時，F_測與F_預的方向相同，PLZT透明陶瓷(3)上的F就增加，輸出電壓也增加，當F_測為拉力時，F_測與F_預的方向相反，PLZT透明陶瓷(3)上的F就減小，輸出電壓也減小，據此認定預應力值加載點就是待測力F_測的零點，該點對應的電壓值經檢測轉換與顯示電路(7)檢測轉換后，顯示出待測力的值為零，即實現傳感器的零點調節；

當F＝F_預+F_測時，參考公式(1)，則有：

根據公式(2)，即完成對傳感器的定標。