[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

本發明公開了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、第一偏振片、PLZT透明陶瓷、預應力夾具、第二偏振片、光電探測器、檢測轉換與顯示電路。PLZT透明陶瓷是具有巨彈光效應的材料，第一偏振片與第二偏振片偏振方向相互垂直放置，且與加在PLZT透明陶瓷上力的方向成45o角，PLZT透明陶瓷上應力隨外部施加的待測壓力或拉力的變化而變化，光電探測器6和檢測轉換與顯示電路7用于檢測并顯示隨外部施加的待測應力大小。本發明力學傳感器是非接觸模式讀出，力學傳感測量對光強沒有影響，抗干擾能力強，距離不受限制，可適于高溫、強場等惡劣場所。結構緊湊、調節簡單、成本低，應用方式靈活、廣泛。

技術領域

本發明涉及基于鋯鈦酸鉛鑭透明陶瓷巨彈光效應的力學傳感器，具體為一種鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)透明陶瓷具備巨彈光效應，從而應用特征制備力學傳感器的方法，屬彈光材料與傳感器技術領域。

背景技術

力學傳感器是能感受力學量并轉換成可用輸出信號的傳感器。現有的力學傳感器的種類繁多，包括：電阻應變片應力傳感器、半導體應變片應力傳感器、壓阻式應力傳感器、壓電式應力傳感器、電感式應力傳感器、電容式應力傳感器、諧振式應力傳感器等。這些力學傳感器的共同特點是傳感器都由力敏元件(即彈性體，常見的材料有鋁合金，合金鋼和不銹鋼等)、轉換元件(最為常見的是電阻應變片、壓阻片、壓電片或電感電容)和電路部分構成，各部分按各自的特征和功能相互聯結。從這些傳感器的原理可知，構成傳感器的各單元是不能分開的整體，導致傳感器的體積較大，限制了其應用的拓展。特別是在一些不能直接接觸、或應用于高溫、強電場或強磁場等條件惡劣應用場所力學傳感器，傳感器受電路部分不能分開的限制，因此采用上述現有的這些力學傳感器存在諸多的局限性，有時甚至無法實施。

基于光透射、反射光強變化的力學傳感器，可以實現非接觸力學量傳感，其基本原理是：在發射和接收光線之間放置一遮光片，外加應力通過控制遮光片的位移來制約遮光程度，實現對發射光光強進行調制，使接收的光強隨應力的變化而變化。反射型則是通過應力改變反射光線角度，使反射接收到的光強隨應力的變化而變化。但這類傳感器發射光與接收光之間分開的距離不能太大，否則光強的變化易受環境的干擾而無法正常工作，非接觸的距離受限、抗干擾能力差。另一類基于光纖的力學傳感器是光源入射的光束經由光纖送入調制器，在調制器內與外界被測力學參數的相互作用下，使光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化，成為被調制的光信號，再經過光纖送入光電器件、經解調器后獲得被測的力學參數。這類光纖力學傳感器是也是接觸型傳感器，不能實現條件惡劣場所需要的非接觸模式。

PLZT(鋯鈦酸鉛鑭)透明陶瓷是一種鈣鈦礦結構的功能材料，20世紀70年代由美國G.H.Haertling和C.E.Land等人首先用熱壓法合成。研究表明，PLZT透明陶瓷具有電控雙折射效應、電控光散射效應等電光效應。經本申請發明人進一步研究發現：PLZT透明陶瓷除具有電光特性外，還表現出巨彈光效應，其彈光系數比已知石英材料高近一個數量級，對力學量變化表現出更高的靈敏度和精度。利用PLZT透明陶瓷材料的巨彈光效應，即在外加應力作用下產生的雙折射，當線偏光通過PLZT透明陶瓷材料時，出射的o光和e光的相位差將隨外加應力的變化而變化，根據這種相位差與外加應力的關系，即可實現對外加應力等力學量高靈敏度和高精度的測量。

發明內容

本發明的目的是針對背景技術所述問題，設計一種基于鋯鈦酸鉛鑭透明陶瓷巨彈光效應的力學傳感器，是在發現PLZT(鋯鈦酸鉛鑭)透明陶瓷具有巨彈光效應的基礎上，針對現有傳感器的不足，為實現非接觸和惡劣條件下的力學測量，利用PLZT(鋯鈦酸鉛鑭)透明陶瓷具有巨彈光效應這一特征，利用該材料在應力下對光相位的調制特性開發出一種非接觸式讀出的力學傳感器，具有體積小、精度高、抗干擾能力強、環境適應性強等特點，應用前景廣闊。