一种基于铁电晶体相变特性的温控装置及温控方法
【专利摘要】一种基于铁电晶体相变特性的温控装置及温控方法，属于智能温控设备领域。解决了现有温控装置精确度差的问题。本发明对所采用的铁电晶体进行电极制备和极化操作，并将极化后的铁电晶体放入温度变化环境内并绘制铁电晶体的介电常数-温度曲线；将铁电晶体的介电常数-温度曲线存入计算机内，将所采用的铁电晶体置于待温控的装置内，采用激光器向铁电晶体发射光束，采用光电探测器采集经过铁电晶体的光强信号，将接收的光强信号转换为电信号后发送至计算机，计算机根据铁电晶体的介电常数-温度曲线获得当前待温控的装置内的温度信息；计算机根据温度信息向控温装置发送温控信号，实现基于铁电晶体相变特性的温度控制。本发明适用于控制温度使用。
【专利说明】一种基于铁电晶体相变特性的温控装置及温控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于智能温控设备领域。
【背景技术】
[0002]近几年，铁电晶体备受研宄领域的关注，其优异的光学性质表明该晶体在光学器件领域有巨大应用潜力。晶体发生相变会导致其光学性能的改变。铁电晶体处在居里温度以下时呈现铁电相，此时晶体内部的铁电畴会散射入射到晶体的光，其光学透过性能很差。当温度超过晶体的居里温度时，晶体呈现顺电相，晶体内部没有铁电畴结构的存在，当光入射到晶体时不会发生畴壁对光的散射现象，此时光学透过性最好，可用于制作光学器件。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决现有温控装置精确度差的问题，提出了一种基于铁电晶体相变特性的温控装置及温控方法。
[0004]本发明所述的一种基于铁电晶体相变特性的温控装置，该装置包括激光器、控温装置、铁电晶体、光电探测器、信号处理器和计算机；
[0005]单晶体置于控温装置内，控温装置的相对的两个侧壁相对开有两个透光孔，所述铁电晶体与两个透光孔位于同一条直线上，光电探测器和激光器分别位于控温装置的两侦牝且激光器的激光发射端口、铁电晶体和光电探测器的感光面位于同一条直线上，光电探测器的电信号输出端连接信号处理器的信号输入端，信号处理器的信号输出端连接计算机的光强信号输入端，计算机的控制信号输出端连接控温装置的温控信号输入端；
[0006]基于上述装置的一种基于铁电晶体相变特性的温控方法，该方法的具体步骤为:
[0007]步骤一、对所采用的铁电晶体进行电极制备和极化操作，并将极化后的铁电晶体放入温度变化环境内并绘制铁电晶体的介电常数-温度曲线；
[0008]步骤二、将铁电晶体的介电常数-温度曲线存入计算机内，将所采用的铁电晶体置于待温控的装置内，采用激光器向铁电晶体发射光束，采用光电探测器采集经过铁电晶体的光强信号，并将接收的光强信号转换为电信号后发送至信号处理器；
[0009]步骤三、信号处理器将经过处理后的信号发送至计算机，计算机根据铁电晶体的介电常数-温度曲线获得当前待温控的装置内的温度信息；
[0010]步骤四、计算机根据温度信息向控温装置发送温控信号，实现基于铁电晶体相变特性的温度控制。
[0011]本发明采用单晶体的温度的相变导致光学性能改变的特性，采用观点探测器探测经过晶体后的光强信号，计算机根据光强信号的强度获知装置内的温度信号，并根据实际需求控制控温装置进行加热或制冷，实现随温度的精确采集和控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明所述的一种基于铁电晶体相变特性的温控装置的结构示意图；
[0013]图2为钛酸钡晶体的介电常数-温度曲线图；
[0014]图3为钛酸钡单晶在温度为30°C时晶体内部畴结构示意图；
[0015]图4为钛酸钡单晶在温度为122°C时晶体内部畴结构示意图；
[0016]图5为钛酸钡单晶在温度为123°C时晶体内部畴结构示意图；
[0017]图6为钛酸钡单晶在不同温度下的透射率随波长变化曲线图。
【具体实施方式】
[0018]【具体实施方式】一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于铁电晶体相变特性的温控装置，该装置包括激光器1、控温装置2、铁电晶体3、光电探测器4、信号处理器5和计算机6 ;
[0019]单晶体3置于控温装置2内，控温装置2的相对的两个侧壁相对开有两个透光孔，所述铁电晶体3与两个透光孔位于同一条直线上，光电探测器4和激光器I分别位于控温装置2的两侧，且激光器I的激光发射端口、铁电晶体3和光电探测器4的感光面位于同一条直线上，光电探测器4的电信号输出端连接信号处理器5的信号输入端，信号处理器5的信号输出端连接计算机6的光强信号输入端，计算机6的控制信号输出端连接控温装置2的温控信号输入端。
[0020]【具体实施方式】二、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于铁电晶体相变特性的温控装置的进一步说明，铁电晶体3包括弛豫铁电晶体和非弛豫铁电晶体。
[0021]所述弛豫铁电晶体包括(1-x)PMN-xPT晶体(x 彡 0.35)、(l-x-y)PIN-yPMN-xPT 晶体(X彡0.35，x+y ( I)和(1-x)PZN-xPT晶体(x彡0.09);非弛豫铁电晶体BaT13晶体和以其为母体的掺杂BaT13晶体，铁电晶体3材料可以分为以PMNT、PZNT等晶体为代表的她豫铁电晶体和以LiNb03，BaTi03等晶体为代表的非她豫铁电晶体两大类。铁电晶体因材料的不同居里温度也各异，我们可以根据实际需要来选择应用的晶体。
[0022]【具体实施方式】三、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于铁电晶体相变特性的温控装置的进一步说明，激光器I的波长范围为450-1000nm。
[0023]【具体实施方式】四、本实施方式是基于【具体实施方式】一所述的一种基于铁电晶体相变特
[0024]性的温控装置的温控方法，该方法的具体步骤为:
[0025]步骤一、对所采用的铁电晶体3进行电极制备和极化操作，并将极化后的铁电晶体3放入温度变化环境内并绘制铁电晶体3的介电常数-温度曲线；
[0026]步骤二、将铁电晶体3的介电常数-温度曲线存入计算机6内，将所采用的铁电晶体3置于待温控的装置内，采用激光器I向铁电晶体3发射光束，采用光电探测器4采集经过铁电晶体3的光强信号，并将接收的光强信号转换为电信号后发送至信号处理器5 ;
[0027]步骤三、信号处理器5将经过处理后的信号发送至计算机6，计算机根据铁电晶体3的介电常数-温度曲线获得当前待温控的装置内的温度信息；
[0028]步骤四、计算机6根据温度信息向控温装置2发送温控信号，实现基于铁电晶体相变特性的温度控制。
[0029]具体实施例:选取钛酸钡单晶为例，结合图2、图3、图4、图5和图6说明本实施例，本实施例方法如下:
[0030]步骤A、钛酸钡样品通过劳埃定向仪进行精确定向，测试仪的精度达到±0.5°，晶体的晶向为[100]LX [OlOJffX [001]τ，然后把晶体切割成10X10X0.6mm的样品。通过石蜡将定向切割好的晶体固定在平整的磨具表面，依次使用粒径为10 μπι和5 μπι的刚玉粉在玻璃盘上进行粗磨，在显微镜下进行观察，确保晶体表面没有明显的划痕，然后使用1.5 μπι的刚玉粉在玻璃盘上进行细磨，再次通过显微镜进行观察，直到单晶表面均匀、平整为止。最后对单晶进行抛光，抛光之前对研磨后的磨具及单晶进行超声清洗，确保抛光的过程中没有混入较大的刚玉颗粒。然后使用粒径为0.25 μπι的金刚石悬浮液在抛光胶盘上对单晶表面进行细致抛光，通过高倍光学显微镜观察晶体表面直到满足光学测试要求；
[0031]步骤B、在晶体上制备金电极，极化后在60_180°C之间测量其介电常数-温度曲线。根据测量数据作单晶介温曲线，如图2所示，其四方向-立方相的相变转换温度Ττ_。=123。。(居里温度TT_C)；
[0032]步骤C、米用偏光显微镜检测晶体的电畴状态，偏光显微镜的上偏光镜和下偏光镜呈正交配置下，如果一束自然光从下偏光镜入射之后，将会转化为P-P振动方向的偏振光，当显微镜的载物台不放置任何晶体材料，偏振光透过空气进入上偏光镜，在正交配置下，上偏光镜的振动方向A-A，所以只有A-A方向的偏振光才能通过，因此从下偏振光出来的P-P振动方向的光都无法通过上偏光镜，所以显微镜的视野里呈现黑暗状态，即出现消光。在不同温度下用偏光显微镜对样品进行观察，发现温度上升到123°C时消光，时晶体铁电畴消失;
[0033]实现温控步骤:钛酸钡晶体置于温控箱内，温控箱上有透射率很高的光学窗口 ；激光器发出的激光能通过温控箱的光学窗口和晶体到达激光接收器。光接收器接收到的光信号通过信号处理器转换成数字信号传入计算机，处理后的信号反馈到温控箱，其中温控箱中钛酸钡晶体所在位置的温度即为温控箱内温控装置的工作温度。当温控箱内温度到达或高于123°C时，晶体呈现顺电相，晶体内部没有铁电畴结构的存在，当光入射到晶体时不会发生畴壁对光的散射现象，故此时光学透过性能最好，其光学通过率在50%以上，此时光信号转换成的数字信号到达计算机后产生的反馈信号作用于温控箱里的温控装置，实现温度降低和温控箱工作状态的关闭。当温控箱温度降到123°C以下时晶体呈现铁电相，晶体内部的铁电畴会散射入射到单晶的光，其光学透过率在50 %以下，即不到一半的光能通过晶体到达光接收器，此时光信号转换成的数字信号到达计算机后产生的反馈信号作用于温控箱里的温控装置，实现温度升高和系统工作状态的开启。123°C以后光透射率大幅提升，如图6所示。
【权利要求】
1.一种基于铁电晶体相变特性的温控装置，其特征在于，该装置包括激光器(I)、控温装置(2)、铁电晶体(3)、光电探测器(4)、信号处理器(5)和计算机(6); 单晶体⑶置于控温装置⑵内，控温装置⑵的相对的两个侧壁相对开有两个透光孔，所述铁电晶体(3)与两个透光孔位于同一条直线上，光电探测器(4)和激光器(I)分别位于控温装置(2)的两侧，且激光器(I)的激光发射端口、铁电晶体(3)和光电探测器(4)的感光面位于同一条直线上，光电探测器⑷的电信号输出端连接信号处理器(5)的信号输入端，信号处理器(5)的信号输出端连接计算机(6)的光强信号输入端，计算机(6)的控制信号输出端连接控温装置(2)的温控信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁电晶体相变特性的温控装置，其特征在于，铁电晶体(3)包括弛豫铁电晶体和非弛豫铁电晶体。
3.基于权利要求1所述的一种基于铁电晶体相变特性的温控装置的温控方法，其特征在于， 步骤一、对所采用的铁电晶体(3)进行电极制备和极化操作，并将极化后的铁电晶体(3)放入温度变化环境内并绘制铁电晶体(3)的介电常数-温度曲线； 步骤二、将铁电晶体(3)的介电常数-温度曲线存入计算机(6)内，将所采用的铁电晶体(3)置于待温控的装置内，采用激光器(I)向铁电晶体(3)发射光束，采用光电探测器(4)采集经过铁电晶体(3)的光强信号，并将接收的光强信号转换为电信号后发送至信号处理器(5); 步骤三、信号处理器(5)将经过处理后的信号发送至计算机￠)，计算机根据铁电晶体(3)的介电常数-温度曲线获得当前待温控的装置内的温度信息； 步骤四、计算机(6)根据温度信息向控温装置(2)发送温控信号，实现基于铁电晶体相变特性的温度控制。
【文档编号】G05D23/27GK104460772SQ201410765392
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】吴丰民, 张景云, 陈春天, 贺训军, 杨彬, 高敏, 姜久兴, 孙恩伟, 曹文武 申请人:哈尔滨理工大学