本发明专利技术公开了基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器，包括入射光源、第一偏振片、PLZT透明陶瓷、预应力夹具、第二偏振片、光电探测器、检测转换与显示电路。PLZT透明陶瓷是具有巨弹光效应的材料，第一偏振片与第二偏振片偏振方向相互垂直放置，且与加在PLZT透明陶瓷上力的方向成45º角，PLZT透明陶瓷上应力随外部施加的待测压力或拉力的变化而变化，光电探测器6和检测转换与显示电路7用于检测并显示随外部施加的待测应力大小。本发明专利技术力学传感器是非接触模式读出，力学传感测量对光强没有影响，抗干扰能力强，距离不受限制，可适于高温、强场等恶劣场所。结构紧凑、调节简单、成本低，应用方式灵活、广泛。
Mechanical sensor based on giant elastic optical effect of lead lanthanum zirconate titanate transparent ceramics
【技术实现步骤摘要】
基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器
本专利技术涉及基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器，具体为一种锆钛酸铅镧(PLZT)透明陶瓷具备巨弹光效应，从而应用特征制备力学传感器的方法，属弹光材料与传感器
技术介绍
力学传感器是能感受力学量并转换成可用输出信号的传感器。现有的力学传感器的种类繁多，包括：电阻应变片应力传感器、半导体应变片应力传感器、压阻式应力传感器、压电式应力传感器、电感式应力传感器、电容式应力传感器、谐振式应力传感器等。这些力学传感器的共同特点是传感器都由力敏元件(即弹性体，常见的材料有铝合金，合金钢和不锈钢等)、转换元件(最为常见的是电阻应变片、压阻片、压电片或电感电容)和电路部分构成，各部分按各自的特征和功能相互联结。从这些传感器的原理可知，构成传感器的各单元是不能分开的整体，导致传感器的体积较大，限制了其应用的拓展。特别是在一些不能直接接触、或应用于高温、强电场或强磁场等条件恶劣应用场所力学传感器，传感器受电路部分不能分开的限制，因此采用上述现有的这些力学传感器存在诸多的局限性，有时甚至无法实施。基于光透射、反射光强变化的力学传感器，可以实现非接触力学量传感，其基本原理是：在发射和接收光线之间放置一遮光片，外加应力通过控制遮光片的位移来制约遮光程度，实现对发射光光强进行调制，使接收的光强随应力的变化而变化。反射型则是通过应力改变反射光线角度，使反射接收到的光强随应力的变化而变化。但这类传感器发射光与接收光之间分开的距离不能太大，否则光强的变化易受环境的干扰而无法正常工作，非接触的距离受限、抗干扰能力差。另一类基于光纤的力学传感器是光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测力学参数的相互作用下，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测的力学参数。这类光纤力学传感器是也是接触型传感器，不能实现条件恶劣场所需要的非接触模式。PLZT(锆钛酸铅镧)透明陶瓷是一种钙钛矿结构的功能材料，20世纪70年代由美国G.H.Haertling和C.E.Land等人首先用热压法合成。研究表明，PLZT透明陶瓷具有电控双折射效应、电控光散射效应等电光效应。经本申请专利技术人进一步研究发现：PLZT透明陶瓷除具有电光特性外，还表现出巨弹光效应，其弹光系数比已知石英材料高近一个数量级，对力学量变化表现出更高的灵敏度和精度。利用PLZT透明陶瓷材料的巨弹光效应，即在外加应力作用下产生的双折射，当线偏光通过PLZT透明陶瓷材料时，出射的o光和e光的相位差将随外加应力的变化而变化，根据这种相位差与外加应力的关系，即可实现对外加应力等力学量高灵敏度和高精度的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对
技术介绍
所述问题，设计一种基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器，是在发现PLZT(锆钛酸铅镧)透明陶瓷具有巨弹光效应的基础上，针对现有传感器的不足，为实现非接触和恶劣条件下的力学测量，利用PLZT(锆钛酸铅镧)透明陶瓷具有巨弹光效应这一特征，利用该材料在应力下对光相位的调制特性开发出一种非接触式读出的力学传感器，具有体积小、精度高、抗干扰能力强、环境适应性强等特点，应用前景广阔。石英或锆钛酸铅镧(PLZT)透明陶瓷类具有弹光效应的材料，在外加力作用下材料的折射率发生变化，设晶体的三个主轴为x1、x2、x3，当晶体沿x1方向施加单向应力σ时，折射率椭球由旋转球变成了椭球，主轴仍为x1、x2、x3，相应的三个主折射率为：公式(1)中n0为不加应力时的折射率，Π11、Π12、Π13分别为在应力σ作用下的三个主轴方向对应的弹光系数。对于各向同性的透明陶瓷而言，当应力σ沿x1方向时，垂直x1方向的x2和x3是等价的，所以有：Π12＝Π13，则n2＝n3。当与x1方向成45度线偏振光沿x2或x3方向通过各向同性的PLZT透明陶瓷样品时，在应力σ作用下，n1与n2＝n3将不相同，偏振光在这两个方向传播速度不同，产生双折射现象，折射率差出射偏振光的偏振态发生变化。若光通过的距离为l，则o光和e光的相位差δ为：将PLZT透明陶瓷置于两正交偏振片之间，且入射线偏光与加在PLZT透明陶瓷上力的方向成45度，若入射PLZT透明陶瓷的线偏光的光强为I0，在不考虑PLZT透明陶瓷和偏振片插损时，则经偏振片后的透射光强I为：公式(2)和(3)中，λ是光的波长，l和w分别是PLZT透明陶瓷长和宽，则底面积S＝lw，应力σ＝F/lw，光垂直宽度方向入射，则通过PLZT透明陶瓷的距离就是l。对于光电探测器，其输出电流i在饱和之前，与光强成正比，即i＝αI，α为比例系数。该电流经电阻R转化成电压信号，并进行线性放大A倍后的电压为V，则:V＝AiR＝AαRI(4)将计算光强的公式(3)代入公式(4)，即可得到显示电压和所加力F的关系：公式(1)至公式(5)中，V的单位为伏特，A为无量纲的线性放大倍数，α为比例系数，量纲为：安培/坎德拉，R为电阻，单位为Ω，I0为入射至PLZT透明陶瓷的线偏光的光强，单位为坎德拉，n0为不加应力时的折射率，Π11、Π12、Π13分别为在应力σ作用下的三个主轴方向对应的弹光系数，量纲为：m2/N，λ为光波长，单位为nm，w为PLZT透明陶瓷的长度，单位为mm，F的单位为N；根据该公式(5)可知，如果不限定力F的范围，转化输出电压V将周期变化，F与V将不是单值关系，因此，为保证测量的单值对应关系，必须限定力F的范围，使在测量范围内，F与V有一一对应的确定关系。从公式(5)中不难发现，在器件尺寸、光电探测器、转化电路等参数相同的情况下，弹光系数越大，输出电压越大，也就是说，传感器对力的变化将越敏感，测量精度也越高，因此，采用具有巨弹光系数的PLZT透明陶瓷，即可实现高灵敏度、高精度的力学传感。为达到上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器，包括：入射光源1、第一偏振片2、PLZT透明陶瓷3、预应力夹具4、第二偏振片5、光电探测器6、检测转换与显示电路7；所述入射光源1代表入射光，也就是传感信息的读出光，第一偏振片2与第二偏振片5偏振方向相互垂直放置，且与加在PLZT透明陶瓷3上力的方向成45°角，PLZT透明陶瓷3与待测应力部位接触，当待测应力变化时，使加载在PLZT透明陶瓷3上应力的也随之变化，出射光偏振状态也随之变化，使穿过第二偏振片5的光强发生变化，再由光电探测器6和检测转换与显示电路7完成检测显示，实现对待测应力的检测；预应力夹具4既用于固定PLZT透明陶瓷3，又可施加一定的预应力，用于适应方向不同的待测拉应力或压应力和零点调节；其特征在于：(1)所述的PLZT透明陶瓷3是具有巨弹光效应的材料，弹光系数越大，材料对力变化越敏感，测量精度和待测力变化频率的范围就可能越高；根据实际使用中测量范围，将制备的PLZT透明陶瓷进行切割和光学抛光，制备成本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器，包括：入射光源(1)、第一偏振片(2)、PLZT透明陶瓷(3)、预应力夹具(4)、第二偏振片(5)、光电探测器(6)、检测转换与显示电路(7)；所述入射光源(1)代表入射光，所述第一偏振片(2)与第二偏振片(5)偏振方向相互垂直放置，且与加在PLZT透明陶瓷(3)上力的方向成45度角；所述PLZT透明陶瓷(3)与待测应力部位接触，当待测应力变化时，加载在PLZT透明陶瓷(3)上应力的也随之变化，同时出射光偏振状态也随之变化，进而使穿过第二偏振片(5)的光强发生变化，再由光电探测器(6)和检测转换与显示电路(7)完成检测与显示，实现对待测应力的检测；所述预应力夹具(4)既用于固定PLZT透明陶瓷(3)，又可施加一定的预应力，预应力夹具(4)用于适应方向不同的待测拉应力或压应力和零点调节；其特征在于：/n所述PLZT透明陶瓷(3)是具有巨弹光效应的材料，PLZT透明陶瓷(3)中通光方向与应力施加方向垂直；/n所述第一偏振片(2)与第二偏振片(5)的偏振方向垂直，并与加在PLZT透明陶瓷(3)上力的方向成45度角，入射光源(1)产生的入射光，经第一偏振片(2)后，光的偏振方向沿第一偏振片(2)方向，通过PLZT透明陶瓷(3)的出射光，经第二偏振片(5)后输出至光电探测器(6)接收，设定第二偏振片(5)出射的光强包括线偏光o光和e光分量，第二偏振片(5)出射的光强将随线偏光o光和e光分量相位差的变化而变化，实现将光的相位变化信息转换成强度变化信息；/n所述预应力夹具(4)用于固定PLZT透明陶瓷(3)，并对PLZT透明陶瓷(3)施加一定的预应力，当通过预应力夹具(4)对PLZT透明陶瓷(3)施加预应力后，此时待测外加应力为零，但在预应力作用下，从第二偏振片(5)出射的光强不为零，当预应力夹具(4)外部再施加待测的压应力时，从第二偏振片(5)出射的光强随待测压应力的增加而增加，当预应力夹具(4)外部施加待测的拉应力时，从第二偏振片(5)出射的光强随待测拉应力的增加而减小；/n所述光电探测器(6)用于将第二偏振片(5)出射的光强转换为电流信号，光电探测器(6)的输出电流大小与第二偏振片(5)出射的光强成正比，所述检测转换与显示电路(7)用于对光电探测器(6)输出的电流信号进行电压转换、放大、采样、零点调整，定标后再数字显示施加在预应力夹具(4)上的待测应力的大小。/n...
【技术特征摘要】
1.基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器，包括：入射光源(1)、第一偏振片(2)、PLZT透明陶瓷(3)、预应力夹具(4)、第二偏振片(5)、光电探测器(6)、检测转换与显示电路(7)；所述入射光源(1)代表入射光，所述第一偏振片(2)与第二偏振片(5)偏振方向相互垂直放置，且与加在PLZT透明陶瓷(3)上力的方向成45度角；所述PLZT透明陶瓷(3)与待测应力部位接触，当待测应力变化时，加载在PLZT透明陶瓷(3)上应力的也随之变化，同时出射光偏振状态也随之变化，进而使穿过第二偏振片(5)的光强发生变化，再由光电探测器(6)和检测转换与显示电路(7)完成检测与显示，实现对待测应力的检测；所述预应力夹具(4)既用于固定PLZT透明陶瓷(3)，又可施加一定的预应力，预应力夹具(4)用于适应方向不同的待测拉应力或压应力和零点调节；其特征在于：
所述PLZT透明陶瓷(3)是具有巨弹光效应的材料，PLZT透明陶瓷(3)中通光方向与应力施加方向垂直；
所述第一偏振片(2)与第二偏振片(5)的偏振方向垂直，并与加在PLZT透明陶瓷(3)上力的方向成45度角，入射光源(1)产生的入射光，经第一偏振片(2)后，光的偏振方向沿第一偏振片(2)方向，通过PLZT透明陶瓷(3)的出射光，经第二偏振片(5)后输出至光电探测器(6)接收，设定第二偏振片(5)出射的光强包括线偏光o光和e光分量，第二偏振片(5)出射的光强将随线偏光o光和e光分量相位差的变化而变化，实现将光的相位变化信息转换成强度变化信息；
所述预应力夹具(4)用于固定PLZT透明陶瓷(3)，并对PLZT透明陶瓷(3)施加一定的预应力，当通过预应力夹具(4)对PLZT透明陶瓷(3)施加预应力后，此时待测外加应力为零，但在预应力作用下，从第二偏振片(5)出射的光强不为零，当预应力夹具(4)外部再施加待测的压应力时，从第二偏振片(5)出射的光强随待测压应力的增加而增加，当预应力夹具(4)外部施加待测的拉应力时，从第二偏振片(5)出射的光强随待测拉应力的增加而减小；
所述光电探测器(6)用于将第二偏振片(5)出射的光强转换为电流信号，光电探测器(6)的输出电流大小与第二偏振片(5)出射...
【专利技术属性】
技术研发人员：王龙海，陈铭，胡峰铨，王世敏，郑克玉，卫锐，杨贝贝，明新华，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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