[發明專利]一種基于柔性光電納米薄膜的非接觸式位移傳感器

有效

• 申請號: 201911384616.2
• 申請日: 2019-12-28
• 公開（公告）號: CN111156903B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 張鶴;沈昕昳;王莉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/16;B82Y40/00;B82Y15/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發明提供一種基于柔性光電納米薄膜的非接觸式位移傳感器，將所述的位移傳感器固定在所述的橋梁的跨中的表面，激光光源設置在所述的位移傳感器的正下方，當所述的橋梁產生撓度后，所述的位移傳感器隨著橋梁一同發生位移，從而導致輸出電流產生相應變化，可根據輸出的電流信號反算得到激光傳輸距離的變化，即等同于橋梁撓度。相比其他傳統撓度測量裝置來說，基于柔性光電納米薄膜的非接觸式位移傳感器具有結構簡單、測量精度高、響應速度快、應用范圍廣、實時自動測量等優點。

技術領域

本發明涉及用于一種基于柔性光電納米薄膜的非接觸式位移傳感器。

背景技術

梁是橋梁結構的重要承載構件，梁的撓度是評估其動力狀態、衡量疲勞損傷、保證結構安全的重要參數。在現今的交通工程中，常采用的梁撓度測量方法主要有百分表測量法、精密水準儀測量法、全站儀測量法、連通管測量法、差分GPS觀測法等。百分表測量法是利用齒輪轉動機構所檢測位置的位移值放大，并將檢測的直線往返運動轉換成指針的回轉轉動，以指示其位移數值，該方法設備簡單，可進行多點測量，鋼弦百分表測量法只能用于測量陸地上或北方凍結水面上的橋梁撓度，在高橋或有水的情況下無法使用，或必須搭建高臺。精密水準儀測量法是利用水準儀和水準尺測定兩點間高差的方法，由水準原點或任一已知高程點出發，沿選定的水準路線逐站測定各點高程，由其水準尺讀數的差值得到其相對撓度，但該方法只能測出相對數值，不能測出絕對數值。全站儀測量法是采用三角高程測量的方法，通過測量兩點間的水平距離和豎直角求兩點間的高差，這種測量方法簡單，不受地形條件限制，但會存在因觀測者的觀測方式與經驗不同帶來的觀測誤差，即使進行靜態測量也往往使得數據較為離散，無法做到實時、自動測量。連通管測量法是利用物理學上“連通器中處于同一水平平面上的靜止液體的壓強相同”的原理，在每個測點位置布置連通管，灌水(或其他有色液體)至標尺位置，當橋梁產生撓度時，水管中的水平液面仍然持平，但每個測點的相對水位會發生變化，通過讀取變化值可得到橋梁的撓度，計算簡單，且由于全封閉結構，不受橋梁現場高塵、高濕等環境條件影響，但該方法精度較低，只能用于低頻或超低頻橋梁靜撓度檢測，且不適用于跨徑大、縱坡較大的橋梁。差分GPS觀測法在需要的測點安放GPS移動站，通過GPS觀測實時獲取變形點相對于參考點的位置，可直接反映出測點的空間位置變化從而得到橋梁結構的撓度值，但其測量精度較低，一般只能達到厘米級，對于中小型橋梁的高精度撓度檢測不適用。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出一種基于柔性光電納米薄膜的非接觸式位移傳感器，并且無需額外提供能源，能夠將橋梁撓度轉化為位移傳感器的電能并以電信號的形式輸出，同時還具備精度高、應用范圍廣、響應速度快、實時智能感知的特點。

一種基于柔性光電納米薄膜的非接觸式位移傳感器，其特征在于，將所述的位移傳感器固定在所述的橋梁的跨中的表面，激光光源設置在所述的位移傳感器的正下方，當所述的橋梁產生撓度后，所述的位移傳感器隨著橋梁一同發生位移，從而導致輸出電流產生相應變化，設所述的橋梁變形前，所述的激光光源與位移傳感器的距離為L₁，輸出電流為I₁，所述的橋梁變形后，所述的激光光源與位移傳感器的距離為L₂，輸出電流為I₂，則位移傳感器輸出電流與橋梁撓度的對應關系如下：

其中，ΔL(t)為撓度，L(t)為激光傳輸距離，e為單電子電荷量，ε是材料的介電常數，I(t)為輸出電流，ΔI為出射光強與背景光強的差值，α和β分別為材料的光吸收系數與量子效率，k為空氣中的衰減系數，n_i為本征載流子濃度，τ_n0和τ_p0分別為電子和空穴的壽命。

進一步地，根據基于柔性光電納米薄膜的非接觸式位移傳感器，其特征在于，所述的激光光源的波長為680nm。

進一步地，根據基于柔性光電納米薄膜的非接觸式位移傳感器，其特征在于，激光垂直照射在位移傳感器上。

本發明的有益效果是：