CN114674470A - 一种基于碳量子点的透明压力探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力探测领域，具体涉及一种基于碳量子点的透明压力探测装置，包括基底、透明容器、复合传感材料、受力部、激光器，透明容器为筒状，透明容器置于基底上，透明容器的轴线沿基底的法线方向，复合传感材料设置在透明容器内，受力部置于复合传感材料的顶部，复合传感材料包括弹性材料和碳量子点，碳量子点掺杂在弹性材料中，激光器发出激光照射透明容器内的复合传感材料，复合传感材料产生荧光。压力改变了荧光的强度和中心波长，通过荧光强度和颜色变化实现压力探测。在本发明中，在透明容器的各个侧面方向应用肉眼均能粗略地识别压力的变化，具有应用方便、结果直观等优点，在压力探测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及压力探测领域，具体涉及一种基于碳量子点的透明压力探测装置。
背景技术
压力探测是将负载、重量、压力等力学量转换为其他电学物理量或光学物理量的传感器。压力探测在车辆、飞行器、工业过程、家用电器、环境监测等各个领域具有重要的应用。
能够实现压力探测的原理较多，常见的是压电式压力探测和应变片压力探测。压电式压力探测是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号，主要的压电材料有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。应变片压力探测是利用吸附在基体材料上的应变电阻随机械形变而产生电阻变化，从而实现压力至电阻的转换。另外，还有光纤压力探测器、光学谐振腔压力探测器等。
在现有这些压力探测器中，一方面，压力探测的结果不直观，难以应用肉眼实现粗略的判断；另一方面，将探测设备与转换出的信号连接时，需要特定设置的连接装置，只能在某个特定方向、位置连接探测器，当受到空间限制时，不便于应用。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种基于碳量子点的透明压力探测装置，包括基底、透明容器、复合传感材料、受力部、激光器，透明容器为筒状，透明容器置于基底上，透明容器的轴线沿基底的法线方向，复合传感材料设置在透明容器内，复合传感材料的高度小于透明容器的高度，受力部置于复合传感材料的顶部，复合传感材料包括弹性材料和碳量子点，碳量子点掺杂在弹性材料中，激光器发出激光照射透明容器内的复合传感材料。
更进一步地，透明容器的材料石英玻璃。
更进一步地，弹性材料为聚二甲基硅氧烷。
更进一步地，碳量子点的大于1纳米、小于5纳米。
更进一步地，基底的表面设有第一贵金属层。
更进一步地，受力部的底面设有第二贵金属层。
更进一步地，基底的材料为石英玻璃。
更进一步地，基底内设有空腔，激光器嵌入空腔内。
更进一步地，基底的表面为第一锥形，第一锥形伸入复合传感材料内。
更进一步地，受力部的底面为第二锥形，第二锥形伸入复合传感材料内。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于碳量子点的透明压力探测装置，包括基底、透明容器、复合传感材料、受力部、激光器，透明容器为筒状，透明容器置于基底上，透明容器的轴线沿基底的法线方向，复合传感材料设置在透明容器内，复合传感材料的高度小于透明容器的高度，受力部置于复合传感材料的顶部，复合传感材料包括弹性材料和碳量子点，碳量子点掺杂在弹性材料中，激光器发出激光照射透明容器内的复合传感材料。应用时，待测压力作用到受力部，受力部压迫复合传感材料。激光器发出的激光照射复合传感材料，复合传感材料产生荧光。压力改变了荧光的强度和中心波长，通过荧光强度和颜色变化实现压力探测。在本发明中，在透明容器的各个侧面方向应用肉眼均能粗略地识别压力的变化，具有应用方便、结果直观等优点，在压力探测领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种基于碳量子点的透明压力探测装置的示意图。
图2是又一种基于碳量子点的透明压力探测装置的示意图。
图3是再一种基于碳量子点的透明压力探测装置的示意图。
图4是再一种基于碳量子点的透明压力探测装置的示意图。
图中：1、基底；2、透明容器；3、复合传感材料；4、受力部；5、第一贵金属层；6、第二贵金属层；7、空腔；8、第一锥形。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本发明提供了一种基于碳量子点的透明压力探测装置，包括基底1、透明容器2、复合传感材料3、受力部4、激光器。如图1所示，透明容器2为筒状，透明容器2可以为圆筒形，也可以为方筒形。透明容器2的材料石英玻璃，减少对紫外光的吸收。透明容器2置于基底1上，透明容器2的轴线沿基底1的法线方向。基底1的材料可以为普通玻璃、石英玻璃、硅等材料。复合传感材料3设置在透明容器内，复合传感材料3部分地填充透明容器。复合传感材料3的高度小于透明容器2的高度。受力部4置于复合传感材料3的顶部。受力部4的边缘不和透明容器2的边缘接触，以减少二者之间的摩擦。当透明容器2为圆形时，受力部4为圆形；当透明容器2为方形时，受力部4为方形。复合传感材料3包括弹性材料和碳量子点。弹性材料为透明弹性材料，优选地，弹性材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。碳量子点的大于1纳米、小于5纳米。碳量子点掺杂在弹性材料中。优选地，碳量子点均匀地掺杂在弹性材料中。激光器发出激光，激光照射透明容器2内的复合传感材料3。具体地，激光器发出紫外光或近紫外光，应用紫外光或近紫外光激发碳量子点产生可见光波段的荧光。
碳量子点的主要形式包括碳点(Carbon dots)和石墨烯量子点(Graphenequantum dots)。本发明所述的碳量子点包括碳点和石墨烯量子点。碳量子点在紫外光的照射下可以实现下转换光致发光，即碳量子点被高能量的短波长光激发后，发出两个或者多个低能量的长波长的光子。碳量子点的下转换荧光具有良好的光稳定性及热稳定性，为本发明流速的准确、直观探测奠定了基础。近年来，研究者开发出许多中制备碳量子点的技术，这些技术采用不同的水热反应工艺，成本低，为本发明实现低成本的直观压力探测做好了铺垫。
应用时，待测压力作用到受力部4的顶部，受力部4压迫复合传感材料3。激光器设置在透明容器2的侧面。激光器发出的激光从透明容器2的侧面照射复合传感材料3，复合传感材料3中的碳量子点产生荧光。其中，压力改变了相邻碳量子点之间的距离，改变了碳量子点的表面电子态，从而改变了碳量子点的发射荧光的中心波长，另外，压力还改变了整个复合传感材料3的密度和折射率，从而改变了从透明容器2出射的荧光强度。总之，压力改变了荧光的强度和中心波长，通过荧光强度和颜色变化实现压力探测。在本发明中，在透明容器2的各个侧面均可应用肉眼粗略地识别压力的变化，具有应用方便、结果直观等优点，在压力探测领域具有良好的应用前景。另外，为了准确地测量荧光强度变化和中心波长的移动，也可以在透明容器外设置光探测器和光谱仪。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，基底1的表面设有第一贵金属层5。受力部4的底面设有第二贵金属层6。此时，激光器还是设置在透明容器2的侧面，入射光从透明容器2的侧面照射复合传感材料3。第一贵金属层5和第二贵金属层6能够反射从碳量子点散射发出的荧光，经过一次或多次反射后，这些荧光只能从透明容器2的侧面出射。因此，增强了从透明容器2侧面出射荧光的强度，减低了观察或探测难度。第一贵金属层5和第二贵金属层6的厚度大于30纳米、小于100纳米，以便于反射荧光和减少贵金属材料的使用量。
实施例3
在实施例1的基础上，基底1的材料为石英玻璃，也就是说基底很少地吸收紫外光和近紫外光。基底1还可以为其他对紫外线和近紫外线吸收少的材料，在此不作限制。激光器设置在基底1的下表面。激光器发出激光，激光穿过基底1，从透明容器2的底部照射复合传感材料3。在透明容器2的侧面观察或探测荧光。此时，激光器被基底1与观测区隔离，也给观察或探测提供了更多的空间，更便于在狭小空间应用。更进一步地，透明容器2的表面为轻微扭曲状，以便于本发明设置在特殊形状空间内。透明容器2的轻微扭曲，激发光仍能够在复合传感材料3中的激发碳量子点散射荧光。
实施例4
在实施例3的基础上，如图3所示，基底1内设有空腔7，空腔7置于复合传感材料3的底部，激光器嵌入空腔7内。激光器发出激光，从复合传感材料3的底部照射复合传感材料3。将激光器设置在基底1内，提高了系统的集成度，也对激光器提供了更好的防护，免除了周围环境对激光器的干扰或污染。另外，因为激光器设置在了底部，在透明容器2的侧面流出了更多的空间，以便于从不同角度观测或设置光探测器。
实施例5
在实施例4的基础上，受力部4的底面设有第二贵金属层6。激光器从复合传感材料3的底部照射复合传感材料3，然后激发光部分地照射到受力部4的底面。在受力部4的底面设置第二贵金属层6，第二贵金属层6反射激发光，使得复合传感材料3处于更强的光场中，激发出更强的荧光；另一方面，如上所述，第二贵金属层6还能够反射荧光，这也增强了荧光的出射强度。
实施例6
在实施例5的基础上，如图4所示，基底1的表面为第一锥形8，第一锥形8伸入复合传感材料3内,。第一锥形8的材料与基底1的材料相同。激光器发出的激光沿着第一锥形8传播，由于锥形的会聚作用，更多激发光传播至复合传感材料3内部，从而激发复合传感材料3产生更强的荧光。另外，因为第一锥形8的材料石英玻璃，石英玻璃具有较高的硬度。在压力作用下，石英玻璃难以发生形变。第一锥形8减少了复合传感材料3在水平方向上的截面积，在同等压力作用下，复合传感材料3能够发生更多的形变，从而实现更高灵敏度的压力探测。
实施例7
在实施例6的基础上，受力部4的底面为第二锥形，第二锥形伸入复合传感材料3内。此时，第二锥形的表面还设有第二贵金属层6。由于第二贵金属层6为倾斜状，有利于第二贵金属层6将激发光和荧光向外侧方向反射，从而激发轴线外侧的碳量子点发光、在透明容器2外观察或探测到更强的荧光。
更进一步地，复合传感材料3内还掺杂有贵金属颗粒。贵金属颗粒的材料为金，贵金属颗粒为棒状。棒状贵金属颗粒的轴向与透明容器2的轴线平行，也就是与激发光的方向平行。这样一来，棒状贵金属颗粒中的表面等离激元振动弱，激发光更容易穿过这些贵金属颗粒，照射到更多的碳量子点上。当荧光照射到棒状贵金属颗粒，棒状贵金属颗粒散射荧光时，在棒的中垂面具有更强的散射强度，这利于在透明容器2外侧观测荧光。
最后，需要说明的是，第一贵金属层5和第二贵金属层6还可以为其他能够反射紫外光、近紫外光、短波长可见光的材料，这些能够实现本发明上述构思的材料均在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于，包括基底、透明容器、复合传感材料、受力部、激光器，所述透明容器为筒状，所述透明容器置于所述基底上，所述透明容器的轴线沿所述基底的法线方向，所述复合传感材料设置在所述透明容器内，所述复合传感材料的高度小于所述透明容器的高度，所述受力部置于所述复合传感材料的顶部，所述复合传感材料包括弹性材料和碳量子点，所述碳量子点掺杂在所述弹性材料中，所述激光器发出激光照射所述透明容器内的所述复合传感材料。
2.如权利要求1所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述透明容器的材料石英玻璃。
3.如权利要求1所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷。
4.如权利要求1所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述碳量子点的大于1纳米、小于5纳米。
5.如权利要求1所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述基底的表面设有第一贵金属层。
6.如权利要求1所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述受力部的底面设有第二贵金属层。
7.如权利要求6所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述基底的材料为石英玻璃。
8.如权利要求7所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述基底内设有空腔，所述激光器嵌入所述空腔内。
9.如权利要求8所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述基底的表面为第一锥形，所述第一锥形伸入所述复合传感材料内。
10.如权利要求9所述的基于碳量子点的透明压力探测装置，其特征在于：所述受力部的底面为第二锥形，所述第二锥形伸入所述复合传感材料内。
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