專利名稱：一種具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具備同時檢測溫度和力信號的熒光壓電傳感器。
背景技術：
傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是人類感知自然界信息的第六感官。在工業(yè)上，它是實現自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。在自動化生產過程中，人們需要借助數量巨大，品種繁多的傳感器來監(jiān)視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產品達到最好的質量?，F代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和·信息處理(計算機技術)。作為三大基礎之一，傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器和力傳感器都已被廣泛用于工農業(yè)生產、科學研究和生活等領域。然而，由于溫度和力信號是兩個獨立的物理量，目前所用的溫度傳感器和力傳感是各自采用對溫度敏感的材料和對力敏感的不同材料，基于不同的設計原理，進行獨立設計的，它們對溫度和力信號也是獨立檢測的。由于傳感器都具備一定的體積，在環(huán)境中會占據一定的空間，這樣往往能檢測到空間某一位置的溫度信號，而由于該位置被溫度傳感器占據，而不能放置力傳感器，導致不能同時檢測該空間位置的力信號，反之亦然。也就是說，采用兩種獨立的傳感器，不能實現溫度信號和力信號在空間上和時間上同步檢測。然而，在很多物理和化學過程中，既要檢測同一空間上的溫度信號，又要監(jiān)控其力信號。尤其是，在一些特殊情況下如內燃機內的燃燒溫度以及內部壓力；核反應堆內部反應溫度和壓力；航天發(fā)動機尾焰溫度及反推力；炮管內壁溫度和管身熱張力等等。如果設計一種傳感器，能同時在空間上和時間上，檢測溫度信號和力信號，這無論在實現傳感器的多功能化，智能化，小型化，還是節(jié)約成本上，無疑都具有重要的實際應用價值。那么，要實現這種多功能傳感器，首先要解決的問題就是材料問題。分析發(fā)現，假如有一類材料能同時感應溫度和力這兩種信息，那么實現這種多功能傳感器就具有了可能性。本專利申請人所在的小組從事壓電材料的光電多功能化研究過程中發(fā)現在采用稀土元素摻雜改性的一類壓電材料的同時，還獲得了性能優(yōu)異的光致發(fā)光特性。如論文有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.中國發(fā)明專利(公開號:101928139A;公開號:101974331A;公開號:102154008A;公開號:102268256A;公開號:102276248A)。以上所研究的熒光壓電材料，其特點主要有兩點第一點，稀土摻雜后，壓電材料本身的壓電性能比未進行稀土摻雜的有所改進。第二點，摻雜稀土后，在提高壓電性能的同時，還使壓電材料獲得了性能優(yōu)異的熒光特性。理論上，這兩點特性就為開發(fā)同時檢測溫度和力信號的傳感器提供了可能性。因為一方面，壓電材料對其施加的力敏感，可以設計力的傳感器，現行的壓電傳感器(力傳感器)就是利用壓電材料這一特性制備而成的。高性能的壓電材料能設計出性能更優(yōu)異的壓電傳感器，而性能優(yōu)異的壓電傳感器具有靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等特點。另一方面，熒光材料的熒光壽命或者是熒光強度對所處于的環(huán)境溫度敏感，可以用來設計成熒光溫度傳感器，這也是現行的光纖溫度傳感器的設計思想。這種熒光溫度傳感器具有高靈敏度，高可靠性，長壽命，無損、在線、實時等優(yōu)點。因此，基于以上分析結合熒光壓電材料的特性，通過合理設計，制備同時檢測力信號和溫度信號的多功能傳感器是可行的。然而，到目前為止，并沒有專利和文獻資料顯示結合壓電體的壓電特性和熒光體特性來設計這一多功能化傳感器
實用新型內容
本實用新型的目的在于提供一種具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器，在降低成本的同時，還提高現行傳感器的功能，實現環(huán)境溫度信號和力信號在時間上和空間上的聞靈敏度，聞可罪性，長壽命，無損，在線和同步檢測。為了實現上述目的及其他相關目的，本實用新型采用以下技術方案—種具備同時檢測溫度信號和力信號的突光壓電傳感器，包括突光壓電換能器，還包括與所述熒光壓電換能器經導線連接的電信號檢測器和與所述熒光壓電換能器經光纖連接的溫度信號檢測裝置，所述電信號檢測器和溫度信號檢測裝置分別經信號輸出線與集成數據處理器相連，所述集成數據處理器與顯示器相連接。所述集成數據處理器可采用現有的集成處理器或數據處理器均可。進一步的，作為一種實施方式，所述熒光壓電換能器包括熒光壓電體，所述熒光壓電體的上下表面均鍍有電極，所述電極通過焊接電極與所述導線連接；所述熒光壓電體上未鍍電極的一端面連接有光纖導入通道，所述光纖導入通道與所述熒光壓電體經連接套固定連接；所述熒光壓電體上未鍍電極的另一端面鍍有絕緣反射層；所述絕緣反射層具有反光或隔離光線的特性，還具有絕緣特性。進一步的，作為另一種實施方式，所述熒光壓電換能器包括熒光壓電體，所述熒光壓電體的上下表面均鍍有電極，所述電極通過焊接電極與所述導線連接；所述熒光壓電體上未鍍電極的區(qū)域連接有光纖導入通道，所述光纖導入通道與所述熒光壓電體經連接套固定連接；所述熒光壓電體上未鍍電極的兩個端面均鍍有絕緣反射層；所述絕緣反射層具有反光或隔離光線的特性，還具有絕緣特性。進一步的，所述光纖包括依次連接的高溫光纖、光纖耦合器和低溫光纖，所述高溫光纖與所述熒光壓電換能器連接，所述低溫光纖與所述溫度信號檢測裝置連接。進一步的，所述溫度信號檢測裝置包括光電探測器和激發(fā)光源，所述溫度信號檢測裝置包括光電探測器和激發(fā)光源，所述低溫光纖的光導入端口依次與聚光鏡和激發(fā)光源相連接，所述低溫光纖的光導出端口依次與濾光鏡和光電探測器相連接，所述光電探測器經相應的信號輸出線與所述集成數據處理器連接；所述激發(fā)光源通過聚光鏡將激發(fā)光導入所述低溫光纖的光導入端口，所述低溫光纖的光導出端口通過濾光鏡將導出的發(fā)射光導入光電探測器。本實用新型所述電極為耐高溫電極，其最高使用溫度可在壓電換能器中熒光壓電體的壓電材料的居里溫度Tc以上；進一步的，所述電極具有良好的反射光線的特性。本實用新型的與熒光壓電體連接的導線具有耐高溫特性，其耐高溫也可在壓電材料的居里溫度Tc以上。本實用新型的與導線相連的電信號檢測器，與電信號檢測器相連的是集成數據處理器，與集成數據處理器相連的是顯示器，顯示器顯示測試環(huán)境的力信號。與此同時，所述的熒光壓電換能器還設有與之連接的光纖引入通道，光纖引入通道內插入高溫光纖，高溫光纖通過光纖耦合器連接低溫光纖，低溫光纖的一端有兩個端口引出一個為光導入端口，另一個為光導出端口 ；所述光導入端口有發(fā)光光源(LED)通過聚光鏡導入激發(fā)光，光導出端口通過濾光鏡導出發(fā)射光，光導出端口與光電探測器連接。光電·探測器與集成數據處理器連接，與集成數據處理器連接的是顯示器。顯示器顯示測試環(huán)境的溫度信號。所述的集成數據處理器同時與電信號檢測器和光電探測器連接，并將處理結果輸送給與集成數據處理器連接的顯示器上進行顯示，該顯示器可顯示測試環(huán)境的力信號和測試環(huán)境的溫度信號。本實用新型的具備同時檢測溫度和力信號的熒光壓電傳感器，包含有熒光壓電換能器，該熒光壓電換能器由一類多功能材料制成，該類材料是同時具有熒光特性和壓電特性的多功能材料，該多功能材料既是具有壓電特性的熒光材料，又是具有熒光特性的壓電材料，可采用現有技術中時具有該多功能的材料即可。本實用新型的具有熒光特性和壓電特性的多功能材料的熒光特性，其具有壓電特性的熒光材料源于材料的摻雜離子發(fā)光，或自身發(fā)光，或有缺陷導致的發(fā)光，發(fā)光的物理過程基于一個能量高的激發(fā)光子引起一個能量低的發(fā)射光子的發(fā)光形式；兩個或多個能量低的激發(fā)光子引起一個能量高的發(fā)射光子的發(fā)光形式；一個能量高的激發(fā)光子引起兩個或多個能量低的發(fā)射光子的形式。其具有熒光特性的壓電材料是源于晶格不對稱性引起壓電性的壓電材料。所述的具有熒光特性和壓電特性的多功能材料的壓電特性是源于晶體的不對稱性或弱對稱性的壓電形式。本實用新型所用的具有熒光特性和壓電特性的多功能材料的物質形式為陶瓷體、單晶體、或薄膜體；優(yōu)選為單晶體材料。本實用新型所用的熒光壓電傳感器含有高溫絕緣涂層和高溫絕緣反射涂層，絕緣層防止壓電材料短路和漏電，高溫絕緣反射涂層將壓電熒光體發(fā)出的光信號反射到光纖接收端，并有效的防止兩電極的電接觸，同時防止短路和漏電。本實用新型所述的一種具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器能同時檢測溫度信號和力信號。提高現行傳感器的功能，實現環(huán)境溫度信號和力信號在時間上和空間上同步檢測，在內燃機內，核反應堆，航天發(fā)動機，兵器等多領域應用。

圖I實施例I所示的本發(fā)明中同時檢測溫度和力信號的熒光壓電傳感器結構示意圖。圖2實施例I所示的本發(fā)明的一種實施方式的熒光壓電換能器的結構示意圖。圖3實施例2所示的本發(fā)明中同時檢測溫度和力信號的熒光壓電傳感器結構示意圖。[0025]圖4實施例2所示的本發(fā)明的另一種實施方式中的熒光壓電換能器的結構示意圖。
具體實施方式
以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本實用 新型的其他優(yōu)點及功效。實施例I :如圖I所示的一種具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器，包含有熒光壓電換能器1，與之連接的是導線2和光纖。與導線2相連的是電信號檢測器3，電信號檢測器通過信號輸出線4與集成數據處理器5相連，與集成數據處理器5相連的是顯示器
6。顯示器可顯示測試環(huán)境的力信號。與此同時，所述的熒光壓電換能器還設有與之連接的光纖，所述光纖分為高溫光纖2’和低溫光纖4’，高溫光纖2’和低溫光纖4’通過光纖耦合器3’連接。低溫光纖4’遠離光纖I禹合器3’的一端有兩個端口引出一個為光導入端口，另一個為光導出端口 ；所述光導入端口有發(fā)光光源(LED) 6’通過聚光鏡5’導入激發(fā)光,光導出端口通過濾光鏡7’導出發(fā)射光，光導出端口與光電探測器8’連接。光電探測器通過信號輸出線9’與集成數據處理器5連接，與集成數據處理器連接的是顯示器6。顯示器顯示測試環(huán)境的溫度信號。如圖2所示熒光壓電換能器包括熒光壓電體1-1，在熒光壓電體的上下表面鍍有電極1-2，電極1-2通過焊接電極1-3與導線2連接，與熒光壓電體未鍍電極的一端面連接的還有光纖導入通道1-6，光纖導入通道1-6與熒光壓電體通過連接套1-5固定。熒光壓電體的另一端面鍍有反射層1-7，所述反射層具有反光或隔離光線的特性，還具有絕緣特性。實施例2:如圖3所示的一種具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器。包含有I熒光壓電換能器，與之連接的有導線2和光纖。與導線相連的電信號檢測器3，電信號檢測器通過信號輸出線4與集成數據處理器5相連，與集成數據處理器相連的是顯示器6。顯示器可顯示測試環(huán)境的力信號。與此同時，所述的熒光壓電換能器還設有與之連接的光纖，分為高溫光纖2’和低溫光纖4’,高溫光纖2’和低溫光纖4’通過光纖稱合器3’連接。低溫光纖4’ 4’遠離光纖率禹合器3’的一端有兩個端口引出一個為光導入端口，另一個為光導出端口 ；所述光導入端口有發(fā)光光源(LED) 6’通過聚光鏡5’導入激發(fā)光,光導出端口通過濾光鏡7’導出發(fā)射光，光導出端口與光電探測器8’連接。光電探測器通過信號輸出線9’與集成數據處理器5連接，與集成數據處理器連接的是顯示器6。顯示器顯示測試環(huán)境的溫度信號。如圖4所示熒光壓電換能器包括熒光壓電體2-1，在熒光壓電體的上下表面鍍有電極2-2，其中一端面留有一區(qū)域未鍍電極。電極通過焊接電極2-3與導線2連接，熒光壓電體，留有未鍍電極的區(qū)域與光纖導入通道2-6連接，光纖導入通道與熒光壓電體通過連接套2-5固定。熒光壓電體上未鍍電極的另外兩端面均鍍有絕緣反射層2-7，所述反射層具有反光或隔離光線的特性，還具有絕緣特性。上述實施例僅為本實用新型的簡易構型而已，上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新型。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用 新型的權利要求所涵蓋。
權利要求1.一種具備同時檢測溫度信號和力信號的突光壓電傳感器，其特征在于，包括突光壓電換能器，還包括與所述熒光壓電換能器經導線連接的電信號檢測器和與所述熒光壓電換能器經光纖連接的溫度信號檢測裝置，所述電信號檢測器和溫度信號檢測裝置分別經信號輸出線與集成數據處理器相連，所述集成數據處理器與顯示器相連接。
2.如權利要求I所述的具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器，其特征在于，所述熒光壓電換能器包括熒光壓電體，所述熒光壓電體的上下表面均鍍有電極，所述電極通過焊接電極與所述導線連接；所述熒光壓電體上未鍍電極的一端面連接有光纖導入通道，所述光纖導入通道與所述熒光壓電體經連接套固定連接；所述熒光壓電體上未鍍電極的另一端面鍍有絕緣反射層。
3.如權利要求I所述的具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器，其特征在于，所述熒光壓電換能器包括熒光壓電體，所述熒光壓電體的上下表面均鍍有電極，所述電極通過焊接電極與所述導線連接；所述熒光壓電體上未鍍電極的區(qū)域連接有光纖導入通道，所述光纖導入通道與所述熒光壓電體經連接套固定連接；所述熒光壓電體上未鍍電極 的兩個端面均鍍有絕緣反射層。
4.如權利要求I所述的具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器，其特征在于，所述光纖包括依次連接的高溫光纖、光纖耦合器和低溫光纖，所述高溫光纖與所述熒光壓電換能器連接，所述低溫光纖與所述溫度信號檢測裝置連接。
5.如權利要求4所述的具備同時檢測溫度信號和力信號的熒光壓電傳感器，其特征在于，所述溫度信號檢測裝置包括光電探測器和激發(fā)光源，所述低溫光纖的光導入端口依次與聚光鏡和激發(fā)光源相連接，所述低溫光纖的光導出端口依次與濾光鏡和光電探測器相連接，所述光電探測器經相應的信號輸出線與所述集成數據處理器連接。
專利摘要本實用新型涉及一種具備同時檢測溫度和力信號的熒光壓電傳感器。該傳感器包含有熒光壓電換能器。熒光壓電換能器為一類同時具有熒光特性和壓電特性的多功能材料制備而成。利用熒光特性中的熒光壽命或熒光強度和環(huán)境溫度的關系，來感知環(huán)境溫度信號；與此同時利用壓電特性中力和電的關系來感知并探測環(huán)境的力信號。熒光壓電換能器通過光纖和導線分別與光信號檢測器和電信號檢測器相連。檢測到的光信號和電信號由集成數據處理器統(tǒng)一進行換算，換算成溫度信號和力信號后由顯示器輸出。該傳感器是一種多功能傳感器，具備能同時檢測溫度和力信號。在降低成本的同時，還增加現行傳感器的功能，能實現高靈敏度、高可靠性、長壽命、無損和在線檢測。
文檔編號G01L1/16GK202793643SQ20122046163
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權日2012年9月11日
發(fā)明者王旭升, 彭登峰, 鄒華, 李艷霞 申請人:同濟大學