专利名称：一种具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具备同时检测温度和力信号的荧光压电传感器。
背景技术：
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器是人类感知自然界信息的第六感官。在工业上，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在自动化生产过程中，人们需要借助数量巨大，品种繁多的传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和·信息处理(计算机技术)。作为三大基础之一，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器和力传感器都已被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域。然而，由于温度和力信号是两个独立的物理量，目前所用的温度传感器和力传感是各自采用对温度敏感的材料和对力敏感的不同材料，基于不同的设计原理，进行独立设计的，它们对温度和力信号也是独立检测的。由于传感器都具备一定的体积，在环境中会占据一定的空间，这样往往能检测到空间某一位置的温度信号，而由于该位置被温度传感器占据，而不能放置力传感器，导致不能同时检测该空间位置的力信号，反之亦然。也就是说，采用两种独立的传感器，不能实现温度信号和力信号在空间上和时间上同步检测。然而，在很多物理和化学过程中，既要检测同一空间上的温度信号，又要监控其力信号。尤其是，在一些特殊情况下如内燃机内的燃烧温度以及内部压力；核反应堆内部反应温度和压力；航天发动机尾焰温度及反推力；炮管内壁温度和管身热张力等等。如果设计一种传感器，能同时在空间上和时间上，检测温度信号和力信号，这无论在实现传感器的多功能化，智能化，小型化，还是节约成本上，无疑都具有重要的实际应用价值。那么，要实现这种多功能传感器，首先要解决的问题就是材料问题。分析发现，假如有一类材料能同时感应温度和力这两种信息，那么实现这种多功能传感器就具有了可能性。本专利申请人所在的小组从事压电材料的光电多功能化研究过程中发现在采用稀土元素掺杂改性的一类压电材料的同时，还获得了性能优异的光致发光特性。如论文有①· J. Appl. Phys. 2012，111:104111;②· J. Alloy Comp.，2012，511 (1) :159 - 162;③·J. Appl. Phys. 2012, 111,046102;④.Mater. Sci. Eng. ,B, 2011, 176(18) 1513-1516;⑤·J. Appl. Phys. 2011，110，016102; (6). Adv. Mater.，2005，17(10) :1254-1258.中国发明专利(公开号:101928139A;公开号:101974331A;公开号:102154008A;公开号:102268256A;公开号:102276248A)。以上所研究的荧光压电材料，其特点主要有两点第一点，稀土掺杂后，压电材料本身的压电性能比未进行稀土掺杂的有所改进。第二点，掺杂稀土后，在提高压电性能的同时，还使压电材料获得了性能优异的荧光特性。理论上，这两点特性就为开发同时检测温度和力信号的传感器提供了可能性。因为一方面，压电材料对其施加的力敏感，可以设计力的传感器，现行的压电传感器(力传感器)就是利用压电材料这一特性制备而成的。高性能的压电材料能设计出性能更优异的压电传感器，而性能优异的压电传感器具有灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等特点。另一方面，荧光材料的荧光寿命或者是荧光强度对所处于的环境温度敏感，可以用来设计成荧光温度传感器，这也是现行的光纤温度传感器的设计思想。这种荧光温度传感器具有高灵敏度，高可靠性，长寿命，无损、在线、实时等优点。因此，基于以上分析结合荧光压电材料的特性，通过合理设计，制备同时检测力信号和温度信号的多功能传感器是可行的。然而，到目前为止，并没有专利和文献资料显示结合压电体的压电特性和荧光体特性来设计这一多功能化传感器
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器，在降低成本的同时，还提高现行传感器的功能，实现环境温度信号和力信号在时间上和空间上的闻灵敏度，闻可罪性，长寿命，无损，在线和同步检测。为了实现上述目的及其他相关目的，本实用新型采用以下技术方案—种具备同时检测温度信号和力信号的突光压电传感器，包括突光压电换能器，还包括与所述荧光压电换能器经导线连接的电信号检测器和与所述荧光压电换能器经光纤连接的温度信号检测装置，所述电信号检测器和温度信号检测装置分别经信号输出线与集成数据处理器相连，所述集成数据处理器与显示器相连接。所述集成数据处理器可采用现有的集成处理器或数据处理器均可。进一步的，作为一种实施方式，所述荧光压电换能器包括荧光压电体，所述荧光压电体的上下表面均镀有电极，所述电极通过焊接电极与所述导线连接；所述荧光压电体上未镀电极的一端面连接有光纤导入通道，所述光纤导入通道与所述荧光压电体经连接套固定连接；所述荧光压电体上未镀电极的另一端面镀有绝缘反射层；所述绝缘反射层具有反光或隔离光线的特性，还具有绝缘特性。进一步的，作为另一种实施方式，所述荧光压电换能器包括荧光压电体，所述荧光压电体的上下表面均镀有电极，所述电极通过焊接电极与所述导线连接；所述荧光压电体上未镀电极的区域连接有光纤导入通道，所述光纤导入通道与所述荧光压电体经连接套固定连接；所述荧光压电体上未镀电极的两个端面均镀有绝缘反射层；所述绝缘反射层具有反光或隔离光线的特性，还具有绝缘特性。进一步的，所述光纤包括依次连接的高温光纤、光纤耦合器和低温光纤，所述高温光纤与所述荧光压电换能器连接，所述低温光纤与所述温度信号检测装置连接。进一步的，所述温度信号检测装置包括光电探测器和激发光源，所述温度信号检测装置包括光电探测器和激发光源，所述低温光纤的光导入端口依次与聚光镜和激发光源相连接，所述低温光纤的光导出端口依次与滤光镜和光电探测器相连接，所述光电探测器经相应的信号输出线与所述集成数据处理器连接；所述激发光源通过聚光镜将激发光导入所述低温光纤的光导入端口，所述低温光纤的光导出端口通过滤光镜将导出的发射光导入光电探测器。本实用新型所述电极为耐高温电极，其最高使用温度可在压电换能器中荧光压电体的压电材料的居里温度Tc以上；进一步的，所述电极具有良好的反射光线的特性。本实用新型的与荧光压电体连接的导线具有耐高温特性，其耐高温也可在压电材料的居里温度Tc以上。本实用新型的与导线相连的电信号检测器，与电信号检测器相连的是集成数据处理器，与集成数据处理器相连的是显示器，显示器显示测试环境的力信号。与此同时，所述的荧光压电换能器还设有与之连接的光纤引入通道，光纤引入通道内插入高温光纤，高温光纤通过光纤耦合器连接低温光纤，低温光纤的一端有两个端口引出一个为光导入端口，另一个为光导出端口 ；所述光导入端口有发光光源(LED)通过聚光镜导入激发光，光导出端口通过滤光镜导出发射光，光导出端口与光电探测器连接。光电·探测器与集成数据处理器连接，与集成数据处理器连接的是显示器。显示器显示测试环境的温度信号。所述的集成数据处理器同时与电信号检测器和光电探测器连接，并将处理结果输送给与集成数据处理器连接的显示器上进行显示，该显示器可显示测试环境的力信号和测试环境的温度信号。本实用新型的具备同时检测温度和力信号的荧光压电传感器，包含有荧光压电换能器，该荧光压电换能器由一类多功能材料制成，该类材料是同时具有荧光特性和压电特性的多功能材料，该多功能材料既是具有压电特性的荧光材料，又是具有荧光特性的压电材料，可采用现有技术中时具有该多功能的材料即可。本实用新型的具有荧光特性和压电特性的多功能材料的荧光特性，其具有压电特性的荧光材料源于材料的掺杂离子发光，或自身发光，或有缺陷导致的发光，发光的物理过程基于一个能量高的激发光子引起一个能量低的发射光子的发光形式；两个或多个能量低的激发光子引起一个能量高的发射光子的发光形式；一个能量高的激发光子引起两个或多个能量低的发射光子的形式。其具有荧光特性的压电材料是源于晶格不对称性引起压电性的压电材料。所述的具有荧光特性和压电特性的多功能材料的压电特性是源于晶体的不对称性或弱对称性的压电形式。本实用新型所用的具有荧光特性和压电特性的多功能材料的物质形式为陶瓷体、单晶体、或薄膜体；优选为单晶体材料。本实用新型所用的荧光压电传感器含有高温绝缘涂层和高温绝缘反射涂层，绝缘层防止压电材料短路和漏电，高温绝缘反射涂层将压电荧光体发出的光信号反射到光纤接收端，并有效的防止两电极的电接触，同时防止短路和漏电。本实用新型所述的一种具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器能同时检测温度信号和力信号。提高现行传感器的功能，实现环境温度信号和力信号在时间上和空间上同步检测，在内燃机内，核反应堆，航天发动机，兵器等多领域应用。
图I实施例I所示的本发明中同时检测温度和力信号的荧光压电传感器结构示意图。图2实施例I所示的本发明的一种实施方式的荧光压电换能器的结构示意图。图3实施例2所示的本发明中同时检测温度和力信号的荧光压电传感器结构示意图。[0025]图4实施例2所示的本发明的另一种实施方式中的荧光压电换能器的结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用 新型的其他优点及功效。实施例I :如图I所示的一种具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器，包含有荧光压电换能器1，与之连接的是导线2和光纤。与导线2相连的是电信号检测器3，电信号检测器通过信号输出线4与集成数据处理器5相连，与集成数据处理器5相连的是显示器
6。显示器可显示测试环境的力信号。与此同时，所述的荧光压电换能器还设有与之连接的光纤，所述光纤分为高温光纤2’和低温光纤4’，高温光纤2’和低温光纤4’通过光纤耦合器3’连接。低温光纤4’远离光纤I禹合器3’的一端有两个端口引出一个为光导入端口，另一个为光导出端口 ；所述光导入端口有发光光源(LED) 6’通过聚光镜5’导入激发光,光导出端口通过滤光镜7’导出发射光，光导出端口与光电探测器8’连接。光电探测器通过信号输出线9’与集成数据处理器5连接，与集成数据处理器连接的是显示器6。显示器显示测试环境的温度信号。如图2所示荧光压电换能器包括荧光压电体1-1，在荧光压电体的上下表面镀有电极1-2，电极1-2通过焊接电极1-3与导线2连接，与荧光压电体未镀电极的一端面连接的还有光纤导入通道1-6，光纤导入通道1-6与荧光压电体通过连接套1-5固定。荧光压电体的另一端面镀有反射层1-7，所述反射层具有反光或隔离光线的特性，还具有绝缘特性。实施例2:如图3所示的一种具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器。包含有I荧光压电换能器，与之连接的有导线2和光纤。与导线相连的电信号检测器3，电信号检测器通过信号输出线4与集成数据处理器5相连，与集成数据处理器相连的是显示器6。显示器可显示测试环境的力信号。与此同时，所述的荧光压电换能器还设有与之连接的光纤，分为高温光纤2’和低温光纤4’,高温光纤2’和低温光纤4’通过光纤稱合器3’连接。低温光纤4’ 4’远离光纤率禹合器3’的一端有两个端口引出一个为光导入端口，另一个为光导出端口 ；所述光导入端口有发光光源(LED) 6’通过聚光镜5’导入激发光,光导出端口通过滤光镜7’导出发射光，光导出端口与光电探测器8’连接。光电探测器通过信号输出线9’与集成数据处理器5连接，与集成数据处理器连接的是显示器6。显示器显示测试环境的温度信号。如图4所示荧光压电换能器包括荧光压电体2-1，在荧光压电体的上下表面镀有电极2-2，其中一端面留有一区域未镀电极。电极通过焊接电极2-3与导线2连接，荧光压电体，留有未镀电极的区域与光纤导入通道2-6连接，光纤导入通道与荧光压电体通过连接套2-5固定。荧光压电体上未镀电极的另外两端面均镀有绝缘反射层2-7，所述反射层具有反光或隔离光线的特性，还具有绝缘特性。上述实施例仅为本实用新型的简易构型而已，上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用 新型的权利要求所涵盖。
权利要求1.一种具备同时检测温度信号和力信号的突光压电传感器，其特征在于，包括突光压电换能器，还包括与所述荧光压电换能器经导线连接的电信号检测器和与所述荧光压电换能器经光纤连接的温度信号检测装置，所述电信号检测器和温度信号检测装置分别经信号输出线与集成数据处理器相连，所述集成数据处理器与显示器相连接。
2.如权利要求I所述的具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器，其特征在于，所述荧光压电换能器包括荧光压电体，所述荧光压电体的上下表面均镀有电极，所述电极通过焊接电极与所述导线连接；所述荧光压电体上未镀电极的一端面连接有光纤导入通道，所述光纤导入通道与所述荧光压电体经连接套固定连接；所述荧光压电体上未镀电极的另一端面镀有绝缘反射层。
3.如权利要求I所述的具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器，其特征在于，所述荧光压电换能器包括荧光压电体，所述荧光压电体的上下表面均镀有电极，所述电极通过焊接电极与所述导线连接；所述荧光压电体上未镀电极的区域连接有光纤导入通道，所述光纤导入通道与所述荧光压电体经连接套固定连接；所述荧光压电体上未镀电极 的两个端面均镀有绝缘反射层。
4.如权利要求I所述的具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器，其特征在于，所述光纤包括依次连接的高温光纤、光纤耦合器和低温光纤，所述高温光纤与所述荧光压电换能器连接，所述低温光纤与所述温度信号检测装置连接。
5.如权利要求4所述的具备同时检测温度信号和力信号的荧光压电传感器，其特征在于，所述温度信号检测装置包括光电探测器和激发光源，所述低温光纤的光导入端口依次与聚光镜和激发光源相连接，所述低温光纤的光导出端口依次与滤光镜和光电探测器相连接，所述光电探测器经相应的信号输出线与所述集成数据处理器连接。
专利摘要本实用新型涉及一种具备同时检测温度和力信号的荧光压电传感器。该传感器包含有荧光压电换能器。荧光压电换能器为一类同时具有荧光特性和压电特性的多功能材料制备而成。利用荧光特性中的荧光寿命或荧光强度和环境温度的关系，来感知环境温度信号；与此同时利用压电特性中力和电的关系来感知并探测环境的力信号。荧光压电换能器通过光纤和导线分别与光信号检测器和电信号检测器相连。检测到的光信号和电信号由集成数据处理器统一进行换算，换算成温度信号和力信号后由显示器输出。该传感器是一种多功能传感器，具备能同时检测温度和力信号。在降低成本的同时，还增加现行传感器的功能，能实现高灵敏度、高可靠性、长寿命、无损和在线检测。
文档编号G01L1/16GK202793643SQ20122046163
公开日2013年3月13日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者王旭升, 彭登峰, 邹华, 李艳霞 申请人:同济大学