CN110940443B - 基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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领域。
背景技术
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。经本申请发明人进一步研究发现：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。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术所述问题，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，本发明采用如下技术方案：
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，制备成相应尺寸的样品；安装测试时，通光方向与应力施加方向垂直；
(2)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，实现通过光信号读出时将相位变化信息转化为强度变化信息，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，由于两偏振片偏振方向垂直，当PLZT陶瓷3未被施加应力时，出射光被完全消光。当在PLZT透明陶瓷3上施加的待测应力增加时，由于PLZT透明陶瓷3的巨弹光效应，通过的线偏光的o光和e光分量的相位差将随外加应力的变化而变化，出射光将不再是线偏光，经第二偏振片5后就不能完全消光，在测量范围内从第二偏振片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；
(3)所示预应力夹具4既用于固定PLZT透明陶瓷3，又可施加一定的预应力，用于调节方向不同的待测拉应力或压应力和零点，当没有施加预应力时，通过夹具对PLZT透明陶瓷3施加待测压应力，使线偏光o光和e光分量的相位差将随待测压应力的变化而变化，偏振光的偏振态随之变化，从第二偏振片5出射的光强将随待测压应力的增加而增加，此时若待测压应力的方向改变，由压应力变为拉应力，在拉应力的作用下，同样由于PLZT透明陶瓷3的巨弹光效应，从第二偏振片5出射的光强也将随待测拉应力的增加而增加，这样无论是拉应力还是压应力，从第二偏振片5出射光强都将增加，待测的拉应力或压应力将不能通过相位或光强的变化被区分；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出射的光强不再为零，而是有一定的值，当有待测压应力时，待测压应力与预应力的方向相同，合力使加在PLZT透明陶瓷3上的应力是随待测压应力的增加而增加，使从第二偏振片5出射的光强随待测压应力的增加而增加，当外加待测拉应力时，待测拉应力与预应力的方向相反，合力将随外加拉应力的增加而减小，使加在PLZT透明陶瓷3上的合力随待测拉应力的增加而减小，从第二偏振片5出射的光强也随之减小，这样通过在PLZT透明陶瓷3施加预应力，使从第二偏振片5出射的光强随待测压应力的增加而增加，随待测拉应力的增加而减小，就可根据该光强的增减确定待测应力的性质是压应力或拉应力，根据光强变化的大小确定待测应力的大小；
(4)所述光电探测器6、检测转换与显示电路7共同完成检测显示，光电探测器6将第二偏振片5出射的光强转换为电流信号，要求选用的光电探测器的输出电流大小与光强成正比，检测转换与显示电路7将光电探测器6输出的电流信号进行电压转换、放大、采样、零点调整，定标后再显示，其中显示单元采用数字显示，为提高测试显示的精度，采样后的数/模(A/D)转换电路的位数越高越好；
(5)所述器件组成各部件对光源性质没有要求，测试时，只需要调节各部件的中心对准、使从第二偏振片5出射的光全部照射到光电探测器6的受光面上，或根据需要按比例分配部分光束照到光电探测器6的受光面上，并保证测试过程中比例不变即可。
本发明还提供了一种基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器的零点调节与定标方法，其特征在于：
根据电压V与加在PLZT透明陶瓷3上的力F关系
可知，V与F成非线性关系，电压是归一化值，加在PLZT透明陶瓷3上的力F与输出电压在一定范围内具有一一对应关系，为了既能测试压应力，又能测试拉应力，先在PLZT透明陶瓷3上加载一定大小的预应力F预，使输出的电压值达到最大值的50％，然后再预应力夹具上施加待测力F测，PLZT透明陶瓷3上受力F＝F预+F测。这样当F测为压力时，F测与F预的方向相同，PLZT透明陶瓷3上的F就增加，输出电压也增加，当F测为拉力时，F测与F预的方向相反，PLZT透明陶瓷3上的F就减小，输出电压也减小，所以预应力值加载点就是待测力F测的零点，该点对应的电压值经检测转换与显示电路7检测转换后，显示出待测力的值为零，即实现传感器的零点调节；
根据电压与加在PLZT透明陶瓷3上的力F关系
当F＝F预+F测时，则
据此关系就可对传感器定标。
进一步地，由于V与F间的非线性关系，为保证在整个测量范围内的误差和精度一致性，当加载预应力零点调节确定后，设计确定传感器的测量范围，应尽可能的在零点左右的近似线性范围内。
本发明的优点和有益效果是：
(1)本发明的力学传感器是基于PLZT透明陶瓷的巨弹光效应，利用光读出待测信息，是非接触式读出，能用于高温、强场等条件恶劣场所。
(2)本发明的力学传感器是基于PLZT透明陶瓷的巨弹光效应，具有高灵敏度、高精度的特点。
(3)本发明的力学传感器是通过改变光的相位实现力学测量，力学传感测量对光强没有影响，所以抗干扰能力强，读出距离不受限制。
(4)本发明使用的PLZT透明陶瓷制备容易，各向同性，没有光轴，性能稳定。器件结构紧凑、读出光路简单易调节，成本低，应用范围广。
附图说明
图1是本申请发明人测得的PLZT透明陶瓷与石英材料在相同测试条件下显示出的弹光系数响应曲线图；可以看出，图1中PLZT透明陶瓷的弹光系数比石英高近一个数量级，说明PLZT透明陶瓷具有巨弹光效应；
图2是本发明基于PLZT透明陶瓷弹光效应的力学传感器光路示意图实施例一，本图中偏振片与预应力夹具分开安装；
图3是本发明基于PLZT透明陶瓷弹光效应的力学传感器光路示意图实施例发二，本图中偏振片与预应力夹具组合安装
图4是采用图2所述结构进行测试时，归一化电压与预应力加载值调整参考点图。
附图中的标记说明：
图2和图3中：1—入射光源、2—第一偏振片、3—PLZT透明陶瓷、4—预应力夹具、5—第二偏振片、6—光电探测器、7—检测转换与显示电路。
图2和图3中，点划线或虚线“→”代表光线,“—”代表导线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。
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，设定透明陶瓷类晶体的三个主轴为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度的线偏振光沿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，具有巨弹光系数的PLZT透明陶瓷可实现高灵敏度、高精度的力学传感。
基于上原理，参考附图1，本发明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。以下分二个具体实施例进行详细说明。
实施例一：偏振片与预应力夹具分开安装
参见图2，基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器制备、调节与标定，采用如下步骤：
⑴PLZT电控光散透明陶瓷制备
所述PLZT透明陶瓷3采用G.H.Haertling和C.E.Land等人报道的热压烧结法制备，Pb、La比为92％:8％，Zr、Ti比为65％:35％。制备PLZT透明陶瓷时，先抽真空，再通氧热压烧结，确保制备出的陶瓷透明均匀，并具有非常大的弹光系数。烧结制备成透明陶瓷坯体后，根据实际使用中通光面积和应力测量范围的大小，将PLZT透明陶瓷制备成相应尺寸的样品，并进行光学抛光。最后根据工作源的波长，在通光的PLZT透明陶瓷样品表面，用真空蒸镀法蒸镀减反膜。本实施例制备得到的PLZT透明陶瓷3实测的弹光系数比石英高近一个数量级，所以具有巨弹光效应，实测结果如附图1所示。
⑵预应力夹具的设计制备
预应力夹具的作用有固定PLZT透明陶瓷3、在PLZT透明陶瓷3上加载一定大小的应力、待测力学量的受力点等。为调节方便，在预应力夹具4夹板之间用弹簧施加预应力，弹簧与可调螺丝相连，调节螺丝可改变弹簧的长度，从而改变预应力的大小。
⑶器件光学部分各元件选取、安装和调节
本实施例的安装固定支架根据各部分元件尺寸设计，用3D打印机打印。打印好支架后，将步骤⑴制备的PLZT透明陶瓷3置于步骤⑵制备的预应力夹具4中，再将预应力夹具4、各光学部分元件依次安装到支架相应位置上，通光调试。正常情况下只要按设计尺寸3D打印支架，各部分元件不需要调节；在不安装PLZT透明陶瓷时，通过第二偏振片5的出射光被完全消光，输出光功率最小。若第二偏振片5不能完全消光，或需要调节光路中的元件后才能输出最小光功率，说明设计的3D打印支架尺寸、方向需要调整，安装后的第一偏振片2与第二偏振片5偏振方向不相互垂直。根据调节的实验参数，重新设计3D打印支架的尺寸、方向，直到光路输出完全消光，输出的光功率达到最小为止。入射光源1采用波长为650nm的红光激光二极管，光功率5mW，输出光束越小越好。
⑷检测转换与显示电路7
本实施例检测转换与显示电路7以单片机为核心构成，将所述光电探测器6安装到对应的光束输出处，对出射光进行取样，光电探测器型号用Thorlabs硅光电二极管FDS100。光电探测器6将光束转换为电流信号，其输出的电流信号大小与光功率成正比。光电探测器6输出的电流信号经电阻R转换成电压信号，经运算放大器放大后由单片机自带的A/D转换电路采样转换成数字信号，最后定标、计算出应力数据，并显示出来。
⑸零点调节与定标
根据电压V与加在PLZT透明陶瓷3上的力F关系
可知，V与F成非线性关系，如图3所示，图中电压是归一化值，由图可知加在PLZT透明陶瓷3上的力F与输出电压在一定范围内具有很好的一一对应关系。为了既能测试压应力，又能测试拉应力，先在PLZT透明陶瓷3上加载一定大小的预应力F预，使输出的电压值达到最大值的50％，然后再预应力夹具上施加待测力F测，PLZT透明陶瓷3上受力F＝F预+F测。这样当F测为压力时，F测与F预的方向相同，PLZT透明陶瓷3上的F就增加，输出电压也增加。当F测为拉力时，F测与F预的方向相反，PLZT透明陶瓷3上的F就减小，输出电压也减小。所以预应力值加载点就是待测力F测的零点，该点对应的电压值经检测转换与显示电路7检测转换后，显示出待测力的值为零，即实现传感器的零点调节。
根据电压与加在PLZT透明陶瓷3上的力F关系
当F＝F预+F测时，则
据此关系就可对传感器定标。
参考附图3，由于V与F间的非线性关系，为保证在整个测量范围内的误差和精度一致性，当加载预应力零点调节确定后，设计确定传感器的测量范围，应尽可能的在零点左右的近似线性范围内。
⑹本实例中器件输出电压与应力的关系是用中心波长为650nm的红光激光二极管进行测试，光束直径0.2mm，功率5mW。PLZT透明陶瓷3尺寸为6*6*6mm，第一偏振片2与第二偏振片5通光面尺寸为6*6mm。光电探测器型号用Thorlabs硅光电二极管FDS100，电压放大器采用高共模印制比的差分运算放大器，电压变化范围为0～5V，单片机选用带A/D转换的ST89C51，图3将输出电压归一化处理后表示的输出电压与应力关系图，应力大小等于加在器件上压力除以器件中PLZT透明陶瓷3底面积。入射光源1与第一偏振片2、第二偏振片5与光电探测器6接近安装，且与预应力夹具4和PLZT透明陶瓷3之间的安装距离没有限制。
本实施例一中，采用分体安装方式，读出光的距离可调，预应力夹具4与PLZT透明陶瓷3可置于高温、强场等恶劣环境中，而光源、偏振片和电路等不必承受恶劣条件，使该传感器具有广泛的适应性。
实施例二：偏振片与预应力夹具分开安装
参见图2，基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器的制备、调节与标定的实施例二与实施例一不同之处在于：仅是将第一偏振片2与第二偏振片5同预应力夹具4组合安装在一起。这种组合安装可使读出光路调节更为简单，不需要反复调节安装固定支架，只要调节入射光源1、PLZT透明陶瓷3、光电探测器6中心对齐即可。其它部分结构及步骤与实施例一相同。
本实施例二中，预应力夹具4与PLZT透明陶瓷3同安装固定支架设计成一个整体，整个传感器结构紧凑，但与实施例一相比较，本实施例中，读出光的距离不可调。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Claims (3)
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)上的应力也随之变化，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。
2.如权利要求1所述基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器，其特征在于：所述入射光源(1)与第一偏振片(2)以及PLZT透明陶瓷(3)、第二偏振片(5)、光电探测器(6)之间，沿入射光源方向在工作中中心对准；从第二偏振片(5)出射的光全部照射到光电探测器(6)的受光面上；或者是从第二偏振片(5)出射的光按比例分配部分光束照到光电探测器(6)的受光面上。
3.根据权利要求1所述基于锆钛酸铅镧透明陶瓷巨弹光效应的力学传感器的零点调节与定标方法，其特征在于：
设定：加载在PLZT透明陶瓷(3)上的力F与输出电压V的关系式为：
公式(1)中：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(3)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为在应力σ作用下沿x1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，V的单位为伏特；
公式(1)中，V与F成非线性关系，电压是归一化值，加在PLZT透明陶瓷(3)上的力F与输出电压在一定范围内具有一一对应关系，先在PLZT透明陶瓷(3)上加载一定大小的预应力F预，使输出的电压值达到最大值的50％，然后再在预应力夹具上施加待测力F测，PLZT透明陶瓷(3)上受力为：F＝F预+F测；当F测为压力时，F测与F预的方向相同，PLZT透明陶瓷(3)上的F就增加，输出电压也增加，当F测为拉力时，F测与F预的方向相反，PLZT透明陶瓷(3)上的F就减小，输出电压也减小，据此认定预应力值加载点就是待测力F测的零点，该点对应的电压值经检测转换与显示电路(7)检测转换后，显示出待测力的值为零，即实现传感器的零点调节；
当F＝F预+F测时，参考公式(1)，则有：
根据公式(2)，即完成对传感器的定标。
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN1676330A (zh) * | 2004-04-02 | 2005-10-05 | 松下电器产业株式会社 | 压电元件、喷墨头、角速度传感器及喷墨式记录装置 |
| CN102531595A (zh) * | 2011-12-23 | 2012-07-04 | 常州大学 | 一种铁酸钴与锆钛酸铅镧0-3复合多铁陶瓷的制备方法 |
| CN105181604A (zh) * | 2015-05-11 | 2015-12-23 | 福州大学 | 一种多角度入射单发椭偏测量方法 |
| CN106291964A (zh) * | 2016-09-28 | 2017-01-04 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于plzt薄膜阵列的波长选择装置及方法 |
| CN108519689A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-09-11 | 湖北大学 | 一种基于plzt电控光散射效应的可调光衰减器 |
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