CN105203041B - 一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法，利用了宽带荧光发射谱谱带上选取的两个波段积分强度比随应变的变化。该方法用于应变测量时，在特定宽带荧光材料的发射光谱谱带的波长范围内选定两个合适的波段，直接测量或从光谱计算这两个波段的荧光发射积分强度，再得出这两个积分强度的比例，应变值与积分强度比数值的函数关系即为传感方程，未知应变下的荧光积分强度比数值是传感信号，输入到传感方程即得到待测应变值。进一步，可以由测得的应变值和材料机械强度数据推算应力的大小。本发明给出了一种传感应变的新方法，并举例论证了该方法测量应变的可行性。

Description

一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法

技术领域

本发明涉及一种应力应变的光学测量方法，尤其是一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法。

背景技术

荧光测量应变是应变传感领域的一类新兴技术。利用荧光材料的力敏特性进行应力应变传感具有光测技术的典型优点，如抗电磁干扰、非接触等。

现有压敏荧光光谱技术中，被监测的随应力或压力变化的信号是荧光峰值波长（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，也难以脱离光谱仪器设计成独立器件。

本发明给出一种基于宽带荧光的积分强度比测量应力应变的方法：选择合适的宽带荧光材料制备复合材料，选定有效的激发光源，在荧光光谱谱带范围内选取合适的两个波段，在恒定的温度下、一定应变范围内测量这两个波段的荧光发射积分强度之比，拟合积分强度比随应变变化的实测数据得到荧光强度比应变传感方程，测量未知应变时将对应的荧光积分强度比输入该应变传感方程即可。本发明可以检测微小的应变。考虑应力、应变、材料强度之间的确定关系，本发明也可以用于微小应力的测量。

发明内容

本发明目的在于：提出一种基于宽带荧光光谱的积分强度比传感应变的技术，便于脱离光谱仪形成独立器件，受测试系统分辨率的影响小，同时相对于现有的荧光压谱技术降低应力应变值的测量下限。

本发明的技术方案如下：宽带荧光积分强度比测量应变的方法，其特征在于方法步骤如下：

步骤一、将合适的宽带发光荧光粉混合到涂层材料的前驱物中，然后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，选用合适的激发光源、分光元件、探测器等，组成荧光应变传感系统，同时选定合适的两个波段，检测它们各自的荧光积分强度，计算强度比；

步骤三、在已知的恒定温度下，通过渐次改变标准样品的受力及变形来改变荧光涂层的应变，测量和记录已知应变条件下荧光复合材料的荧光积分强度比随应变的变化，拟合得到所述复合材料的积分强度比应变传感函数，传感函数不唯一，选取的任何一个波段不同，传感函数也不同；简便的做法是，两个被监测的波段分别在荧光谱带峰值的两侧；

步骤四、在与步骤三的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，用步骤二所用的激发光源激发荧光涂层，记录待测应变下步骤三所述的荧光积分强度比，代入由步骤三得到的传感函数，得到待测应变值；

步骤五、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，进一步可以得到应力传感方程。

本发明中步骤一可以用如下方案替代，直接制作形状规则的宽带发光荧光粉-涂层材料复合材料标准样品。

本发明中所使用的宽带荧光材料包括但不限于5d-4f跃迁稀土离子发光材料、过渡金属发光材料、半导体复合发光材料、有机发光材料。

本发明中涂层材料可以是基于所述宽带荧光材料的复合材料，还可以使用掺杂5d-4f跃迁稀土离子或过渡金属荧光离子的发光化合物。

本发明的积分强度比应变传感方法，还可用于但不限于荧光激发光谱、吸收光谱、透射光谱等光谱的应力应变传感应用。

本发明的实质是利用随应变而发生的荧光谱带移动及谱型变化。当应力施加于荧光材料引起应变时，导致归一化处理后荧光强度随波长的分布改变，在固定区间的两个被监测的波段，荧光积分强度分别上升、下降，强度比例随之而变，最终，两个波段荧光的强度比和应变值构成一个单调函数关系。利用宽带荧光积分强度比的方法传感应变，便于脱离光谱仪形成独立器件，受测试系统分辨率的影响小，应力应变值的测量下限低。

本发明的有益效果：本发明提供了一种应变传感的新方法-宽带荧光积分强度比法。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，本发明便于制作独立功能器件，不要求测试设备具备高分辨率、应变的测量下限得到降低。

附图说明

图1为典型的宽带荧光光谱（以某Ce³⁺掺杂荧光材料为例），激发光使用中心波长为405nm的激光。图中光谱强度已经归一化。

图2为选定两个波段，它们的积分强度比随压应力的变化。

具体实施方式

本发明的技术部分描述了一种从荧光材料发光谱带上选取两个波段，利用它们的积分强度比测量应变的方法。具体实施过程如下（以某Ce³⁺掺杂荧光材料的荧光用于应力应变传感为例）：

步骤一、将所选宽带发光荧光粉与涂层材料前驱物的混合物固化成型为均质薄片，作为标准样品。

步骤二、选择中心波长405nm的激光作为激发光源，用一台测量范围在可见光波段、分辨率0.5nm的光纤光谱仪作为探测设备，测量和记录荧光复合材料的荧光光谱，以室温、零外压条件下的光谱图上的峰值波长为限，分别取该波长两侧的光谱谱带区间，检测两个波段各自的积分强度。

步骤三、在稳定的室温环境中，渐次改变施加在标准样品一个表面上的推力，荧光复合材料的应变依次随之改变，两个波段的分界波长保持不变，测量和记录受控应变条件下荧光复合材料的荧光积分强度比随应变的变化，拟合可以得到所述复合材料的荧光积分强度比应变传感函数，拟合曲线的切线斜率对应于应变传感灵敏度。如图2所示，传感曲线是单调的，但在小应力范围内近似线性。

传感曲线不唯一，根据实际需要还可以选择其它成对波段、检测它们的荧光积分强度比并按上述方式拟合出传感方程。

步骤四、置于未知应变环境中的所述荧光复合材料，用中心波长405nm的激发光激发该材料，测量它的荧光光谱，两个波段的分界波长保持不变，计算荧光积分强度比，代入步骤三得到的对应传感方程中即得待测应变值。

应力、应变、材料强度这三者之间有确定的关系式联系，应变传感和应力传感均通过以上所述步骤实现。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方式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Eu²⁺）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。

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。

上述步骤二里面的光谱仪可以用其它具有分光、探测能力的元件组合代替，例如用宽带滤色片分离出需要监测积分强度的两个波段、用两个半导体光电管分别测量它们的光强，然后用功能电路记录应变传感曲线和显示实测应变数据。

Claims (5)

1.一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法，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有效的激发条件、在荧光发射光谱谱带上选取合适的两个波段分别测量或计算各自的积分强度，在一定应变范围内记录两个波段的积分强度比，拟合所测强度比随应变值的变化得到应变传感函数，测量未知应变时将对应的荧光积分强度比输入该应变传感函数；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，选用合适的激发光源、分光元件、探测器组成荧光应变传感系统，同时选定合适的两个波段检测它们的荧光积分强度比；

步骤三、在已知的恒定温度下，渐次改变标准样品的受力及变形，改变荧光涂层的应变，测量和记录已知应变条件下荧光复合材料的荧光积分强度比随应变的变化，拟合得到所述复合材料的荧光积分强度比应变传感函数，应变传感函数不唯一，选取的任何一个波段不同，应变传感函数也不同；

步骤四、在与步骤三的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，用步骤二所用的激发光源激发荧光涂层，记录待测应变下步骤三所述的荧光积分强度比，代入由步骤三得到的应变传感函数，得到待测应变值；

步骤五、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，进一步可以得到应力传感方程。

2.根据权利要求1所述的一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法，其特征在于：步骤一用如下步骤代替，直接制作形状规则的宽带发光荧光粉-涂层材料复合材料标准样品。

3.根据权利要求1所述的一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法，其特征在于：所使用的宽带荧光材料为5d-4f跃迁稀土离子发光材料、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所述的一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法，其特征在于：涂层材料为基于所述宽带荧光材料的复合材料或使用掺杂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1所述的一种宽带荧光积分强度比测量应变的方法，其特征在于：本方法可用于荧光发射、激发光谱、吸收光谱、透射光谱的应变传感。