CN105181016A - 一种用宽带荧光光谱传感应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用宽带荧光光谱传感应变的方法，该方法在利用荧光材料的宽带光谱实现应变测量时，将荧光谱带数据沿波数分布先后作强度积分和谱带中分处理，得到荧光谱带的重心波数数值，用该重心数值表征谱带的位置，进而获取谱带重心与应变的传感函数关系。本发明解释了谱带重心的物理含义，并举例论证了谱带重心法测量应变的可行性。进一步，可以由应变值和材料机械强度数值推算应力的大小。

Description

一种用宽带荧光光谱传感应变的方法

技术领域

本发明涉及应力应变的光学测量方法，具体为一种用宽带荧光光谱传感应变的方法。

背景技术

用敏感材料的荧光特征传感应力应变的技术具有光测技术的典型优点，包括免疫电磁干扰、可以非接触测量等。现有压敏荧光光谱技术中，被监测的随应力或压力变化的物理量是荧光峰值波长（或波数）位置，其灵敏度较小，且微小的峰值波长移动不仅仅需要超高分辨率的光谱仪器才能观测到，还需要峰值波长的移动量足够大。换言之，传统的压敏荧光光谱方法难以测量微小的应力应变。

本发明提出一种基于荧光谱带位置的应变传感方法：以混合了宽带发光荧光粉的复合物涂层为压敏材料，用重心波数描述荧光材料宽带光谱的谱带位置，在恒定温度下标定出谱带重心与应变大小的关系函数，作为传感方程，待测应变对应的荧光光谱谱带重心数值即为传感信号。本发明兼容传统的荧光峰值波长传感，当荧光峰相对其峰值位置两侧对称分布时，谱带的重心与峰值位置重合。本发明使微小的应力应变数值也可以通过荧光光谱观测。

发明内容

本发明目的在于提供一种用宽带荧光光谱传感应变的方法，该方法不改变光谱测试系统的硬件配置，仅通过定义新的光谱特征参数-谱带重心，代替峰值波数位置用于应变传感，使测试系统的有效分辨率得以减小，微小的应力应变数值也可以被检测得到。

本发明的技术方案为：一种用宽带荧光光谱传感应变的方法，它包括基于合适的宽带荧光材料制备复合材料，在恒定的温度下选定激发条件测量荧光复合材料的荧光光谱，求取光谱谱带的重心波数，拟合所得的重心波数随复合材料应变变化而移动的数据规律，得到应变传感方程；其特征在于方法步骤如下：

步骤一、将宽带发光荧光粉混合到涂层材料的前驱物中，涂覆在标准样品表面，固化后形成涂层复合材料；

步骤二、根据荧光涂层复合材料的发光特性，选用合适的激发光波长、分光元件、探测元件，搭建光谱测试系统；

步骤三、在已知的恒定温度下，通过渐次控制标准样品的受力及变形，改变荧光涂层的应变，测量和记录荧光复合材料的系列荧光光谱；

步骤四、计算系列荧光光谱的谱带重心波数，拟合得到标定所述复合材料的应变～重心波数传感曲线及传感方程；

步骤五、在与标定过程相同的温度下，所述荧光涂层复合材料发生未知应变时，用步骤一所用的激发光激发荧光涂层，测量它的荧光光谱并计算出谱带的重心波数值，代入由步骤四所得到的传感方程，即得到待测应变值；

步骤六、根据标准样品的机械强度、应力、应变三者之间的材料特性关系，进一步可以得到待测应力值。

本发明所述步骤四中计算系列荧光光谱的谱带重心波数具体方法是：将所测光谱记录为光强随单色光波数的分布，在光谱全谱带范围内作积分；用谱带上邻近重心波数的实测数据点作线性插值运算，从而得到准确的重心波数位置，该位置将谱带均分为左右相等的两个局部积分面积。

本发明所使用的荧光材料具有宽的荧光谱带；荧光材料的种类包括但不限于5d-4f跃迁稀土离子掺杂的无机材料、过渡金属离子掺杂的宽带发光材料、半导体复合发光材料、有机荧光材料等。

本发明所述涂层材料，还可以不使用复合材料，而使用直接掺杂5d-4f跃迁稀土离子或过渡金属荧光离子的发光化合物。

本发明所述计算系列荧光光谱的谱带重心波数的方法，还可用于但不限于荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等光谱的分析。

本发明的实质是利用一种固体物理效应来传感，即发光材料晶格参数受应力影响而改变时，发光材料的系列激发态能级的平均能量值随之发生变化。如果荧光谱带在荧光峰两侧对称分布，此时谱带重心与峰值位置重合，本发明则转化为与常规的压敏荧光光谱技术兼容，但因为计算重心时的积分操作起到了累加消除随机噪声的作用，因此，与传统的压敏荧光光谱技术相比，本传感方法的信噪比更高，同时能测量更小的应力应变。

本发明的有益效果：本发明提供了一种应变的光测方法-荧光谱带重心移动法。本发明与峰值波长作为传感信号的传统的压敏荧光光谱技术相比，能显著提高测量精度、降低应变的测量下限。

附图说明

图1为本发明一种典型的宽带荧光光谱（以Eu²⁺掺杂荧光粉与硅树脂复合材料为例，已经以峰值强度为基准作了归一化处理），激发波长为405nm。

图2为本发明施加压力使范例样品压应变，样品荧光谱带重心随之变化（虚线）的实验数据图。峰值波数位置在所测应变范围内（实线）观察不到明显变化。

具体实施方式

本发明技术内容部分描述了一种利用荧光光谱的谱带重心波数位置测量应变的方法。该方法使用的测试系统可以基于常见的光栅光谱仪实现。以一种Eu²⁺掺杂无机氧化物材料的温度特性为例，具体描述如下：

用工作于可见光波段、分辨率0.5nm的光谱仪测量含Eu²⁺掺杂荧光粉复合材料的发射光谱，蓝紫光波段可以激发出红色荧光发射，在激发光波段内任意取用405nm作为激发光波长。

将荧光复合材料的前驱物涂覆在标准样品上，例如，在规则金属板上形成薄涂层；或将荧光复合材料制作成形状规则的标准样品，例如，注射成型为片状圆柱体。

在稳定的室温下，渐次设置改变荧光复合材料的应变，例如，渐次增大推力沿复合材料圆片轴向压缩复合材料，测量和记录该材料的一系列荧光发射光谱如图1所示。

对任何一幅实测荧光光谱，在全谱带范围内作积分，对谱带上邻近重心的数据点作线性插值运算得到准确的重心波数位置。该谱带位置两侧的荧光光谱积分面积均等。

拟合荧光材料荧光谱带重心位置与应变值的数据关系，得到数据曲线（虚线）如图2所示。峰值波数随应变发生的移动（实线）也绘制于图中作为比较。谱带重心应变传感能给出明确的标定所述荧光材料的应变传感方程，而相比之下，峰值位置传感应变的拟合精度低，看不出明显的变化趋势，不能实用。

未知应变量的所述荧光复合材料，用与标定过程中相同波长的激发光激发该荧光材料，测量它的荧光光谱并计算出谱带的重心数值，代入上述的应变传感方程，即得到待测应变值。

将应变值代入应力、应变、材料强度这三者的关系式，可得应力值。所测应力是外应力和残余应力之和。

其它可以用于所述应变传感的典型宽带荧光材料还包括但不限于：其它5d-4f跃迁的稀土离子（如Ce³⁺）掺杂荧光材料、过渡金属掺杂荧光材料、半导体发光材料和有机发光材料等。还可以直接使用掺杂了所述荧光离子的化合物代替所述的荧光复合材料。

其它可以应用所述技术方案的光谱类型还包括但不限于：荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等。

Claims (5)

1.一种用宽带荧光光谱传感应变的方法，它包括基于合适的宽带荧光材料制备复合材料，在恒定的温度下选定激发条件测量荧光复合材料的荧光光谱，求取光谱谱带的重心波数，拟合所得的重心波数随复合材料应变变化而移动的数据规律，得到应变传感方程；其特征在于方法步骤如下：

步骤一、将宽带发光荧光粉混合到涂层材料的前驱物中，涂覆在标准样品表面，固化后形成涂层复合材料；

步骤二、根据荧光涂层复合材料的发光特性，选用合适的激发光波长、分光元件、探测元件，搭建光谱测试系统；

步骤三、在已知的恒定温度下，通过渐次控制标准样品的受力及变形，改变荧光涂层的应变，测量和记录荧光复合材料的系列荧光光谱；

步骤四、计算系列荧光光谱的谱带重心波数，拟合得到标定所述复合材料的应变～重心波数传感曲线及传感方程；

步骤五、在与标定过程相同的温度下，所述荧光涂层复合材料发生未知应变时，用步骤一所用的激发光激发荧光涂层，测量它的荧光光谱并计算出谱带的重心波数值，代入由步骤四所得到的传感方程，即得到待测应变值；

步骤六、根据标准样品的机械强度、应力、应变三者之间的材料特性关系，进一步可以得到待测应力值。

2.根据权利要求1所述的一种用宽带荧光光谱传感应变的方法，其特征在于：步骤四中计算系列荧光光谱的谱带重心波数具体方法是：将所测光谱记录为光强随单色光波数的分布，在光谱全谱带范围内作积分；用谱带上邻近重心波数的实测数据点作线性插值运算，从而得到准确的重心波数位置，该位置将谱带均分为左右相等的两个局部积分面积。

3.根据权利要求1所述的一种用宽带荧光光谱传感应变的方法，其特征在于：所述宽带荧光材料，包括但不限于5d-4f跃迁的稀土离子发光材料、过渡金属发光材料、半导体复合发光材料、有机发光材料。

4.根据权利要求1所述的一种用宽带荧光光谱传感应变的方法，其特征在于：所述涂层材料，还可以使用直接掺杂5d-4f跃迁稀土离子或过渡金属荧光离子的发光化合物。

5.根据权利要求2所述的一种用宽带荧光光谱传感应变的方法，其特征在于：所述计算系列荧光光谱的谱带重心波数的方法，还可用于但不限于荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等光谱的分析。