一種寬帶熒光積分強度比測量應變的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應力應變的光學測量方法，尤其是一種寬帶熒光積分強度比測量應變的方法。
【背景技術】
[0002]熒光測量應變是應變傳感領域的一類新興技術。利用熒光材料的力敏特性進行應力應變傳感具有光測技術的典型優點，如抗電磁干擾、非接觸等。
[0003]現有壓敏熒光光譜技術中，被監測的隨應力或壓力變化的信號是熒光峰值波長(或波數)位置，其靈敏度較小，且微小的峰值波長移動不僅僅需要超高分辨率的光譜儀器才能觀測到，還需要峰值波長的移動量足夠大。換言之，傳統的壓敏熒光光譜方法難以測量微小的應力應變，也難以脫離光譜儀器設計成獨立器件。
[0004]本發明給出一種基于寬帶熒光的積分強度比測量應力應變的方法:選擇合適的寬帶熒光材料制備復合材料，選定有效的激發光源，在熒光光譜譜帶范圍內選取合適的兩個波段，在恒定的溫度下、一定應變范圍內測量這兩個波段的熒光發射積分強度之比，擬合積分強度比隨應變變化的實測數據得到熒光強度比應變傳感方程，測量未知應變時將對應的熒光積分強度比輸入該應變傳感方程即可。本發明可以檢測微小的應變。考慮應力、應變、材料強度之間的確定關系，本發明也可以用于微小應力的測量。
【發明內容】
[0005]本發明目的在于:提出一種基于寬帶熒光光譜的積分強度比傳感應變的技術，便于脫離光譜儀形成獨立器件，受測試系統分辨率的影響小，同時相對于現有的熒光壓譜技術降低應力應變值的測量下限。
[0006]本發明的技術方案如下:寬帶熒光積分強度比測量應變的方法，其特征在于方法步驟如下:
步驟一、將合適的寬帶發光熒光粉混合到涂層材料的前驅物中，然后涂覆在標準樣品表面，固化后形成涂層復合材料；
步驟二、根據熒光涂層復合材料的發光特性，選用合適的激發光源、分光元件、探測器等，組成熒光應變傳感系統，同時選定合適的兩個波段，檢測它們各自的熒光積分強度，計算強度比；
步驟三、在已知的恒定溫度下，通過漸次改變標準樣品的受力及變形來改變熒光涂層的應變，測量和記錄已知應變條件下熒光復合材料的熒光積分強度比隨應變的變化，擬合得到所述復合材料的積分強度比應變傳感函數，傳感函數不唯一，選取的任何一個波段不同，傳感函數也不同；簡便的做法是，兩個被監測的波段分別在熒光譜帶峰值的兩側；
步驟四、在與步驟三的標定過程相同的溫度下，所述熒光涂層復合材料發生未知應變時，用步驟二所用的激發光源激發熒光涂層，記錄待測應變下步驟三所述的熒光積分強度比，代入由步驟三得到的傳感函數，得到待測應變值； 步驟五、根據標準樣品的機械強度、應力、應變三者之間的材料特性關系，進一步可以得到應力傳感方程。
[0007]本發明中步驟一可以用如下方案替代，直接制作形狀規則的寬帶發光熒光粉-涂層材料復合材料標準樣品。
[0008]本發明中所使用的寬帶熒光材料包括但不限于5d_4f躍迀稀土離子發光材料、過渡金屬發光材料、半導體復合發光材料、有機發光材料。
[0009]本發明中涂層材料可以是基于所述寬帶熒光材料的復合材料，還可以使用摻雜5d-4f躍迀稀土離子或過渡金屬熒光離子的發光化合物。
[0010]本發明的積分強度比應變傳感方法，還可用于但不限于熒光激發光譜、吸收光譜、透射光譜等光譜的應力應變傳感應用。
[0011]本發明的實質是利用隨應變而發生的熒光譜帶移動及譜型變化。當應力施加于熒光材料引起應變時，導致歸一化處理后熒光強度隨波長的分布改變，在固定區間的兩個被監測的波段，熒光積分強度分別上升、下降，強度比例隨之而變，最終，兩個波段熒光的強度比和應變值構成一個單調函數關系。利用寬帶熒光積分強度比的方法傳感應變，便于脫離光譜儀形成獨立器件，受測試系統分辨率的影響小，應力應變值的測量下限低。
[0012]本發明的有益效果:本發明提供了一種應變傳感的新方法-寬帶熒光積分強度比法。與峰值波長作為傳感信號的傳統的壓敏熒光光譜技術相比，本發明便于制作獨立功能器件，不要求測試設備具備高分辨率、應變的測量下限得到降低。
【附圖說明】
[0013]圖1為典型的寬帶熒光光譜(以某Ce3+摻雜熒光材料為例)，激發光使用中心波長為405nm的激光。圖中光譜強度已經歸一化。
[0014]圖2為選定兩個波段，它們的積分強度比隨壓應力的變化。
【具體實施方式】
[0015]
本發明的技術部分描述了一種從熒光材料發光譜帶上選取兩個波段，利用它們的積分強度比測量應變的方法。具體實施過程如下(以某Ce3+摻雜熒光材料的熒光用于應力應變傳感為例):
步驟一、將所選寬帶發光熒光粉與涂層材料前驅物的混合物固化成型為均質薄片，作為標準樣品。
[0016]步驟二、選擇中心波長405nm的激光作為激發光源，用一臺測量范圍在可見光波段、分辨率0.5nm的光纖光譜儀作為探測設備，測量和記錄熒光復合材料的熒光光譜，以室溫、零外壓條件下的光譜圖上的峰值波長為限，分別取該波長兩側的光譜譜帶區間，檢測兩個波段各自的積分強度。
[0017]步驟三、在穩定的室溫環境中，漸次改變施加在標準樣品一個表面上的推力，熒光復合材料的應變依次隨之改變，兩個波段的分界波長保持不變，測量和記錄受控應變條件下熒光復合材料的熒光積分強度比隨應變的變化，擬合可以得到所述復合材料的熒光積分強度比應變傳感函數，擬合曲線的切線斜率對應于應變傳感靈敏度。如圖2所示，傳感曲線是單調的，但在小應力范圍內近似線性。
[0018]傳感曲線不唯一，根據實際需要還可以選擇其它成對波段、檢測它們的熒光積分強度比并按上述方式擬合出傳感方程。
[0019]步驟四、置于未知應變環境中的所述熒光復合材料，用中心波長405nm的激發光激發該材料，測量它的熒光光譜，兩個波段的分界波長保持不變，計算熒光積分強度比，代入步驟三得到的對應傳感方程中即得待測應變值。
應力、應變、材料強度這三者之間有確定的關系式聯系，應變傳感和應力傳感均通過以上所述步驟實現。所測應力是外應力和殘余應力之和。
[0020]其它可以用于所述應變傳感方式的典型寬帶熒光材料還包括但不限于:其它5d-4f躍迀的稀土離子(如Eu2+)摻雜熒光材料、過渡金屬摻雜熒光材料、半導體發光材料和有機發光材料等。
[0021]其它可以應用所述技術方案的光譜類型還包括但不限于:熒光激發光譜、吸收光譜、透射光譜等。
[0022]上述步驟二里面的光譜儀可以用其它具有分光、探測能力的元件組合代替，例如用寬帶濾色片分離出需要監測積分強度的兩個波段、用兩個半導體光電管分別測量它們的光強，然后用功能電路記錄應變傳感曲線和顯示實測應變數據。
【主權項】
1.一種寬帶熒光積分強度比測量應變的方法，包括基于合適的寬帶熒光材料制備復合材料、在恒定的溫度下選定有效的激發條件、在熒光發射光譜譜帶上選取合適的兩個波段分別測量或計算各自的積分強度，在一定應變范圍內記錄兩個波段的積分強度比，擬合所測強度比隨應變值的變化得到應變傳感方程，測量未知應變時將對應的熒光積分強度比輸入該應變傳感方程；其特征在于方法步驟如下: 步驟一、將寬帶發光熒光粉混合到涂層材料的前驅物中，涂覆在標準樣品表面，固化后形成涂層復合材料； 步驟二、根據熒光涂層復合材料的發光特性，選用合適的激發光源、分光元件、探測器組成熒光應變傳感系統，同時選定合適的兩個波段檢測它們的熒光積分強度比； 步驟三、在已知的恒定溫度下，漸次改變標準樣品的受力及變形，改變熒光涂層的應變，測量和記錄已知應變條件下熒光復合材料的熒光積分強度比隨應變的變化，擬合得到所述復合材料的熒光積分強度比應變傳感函數，傳感函數不唯一，選取的任何一個波段不同，傳感函數也不同； 步驟四、在與步驟三的標定過程相同的溫度下，所述熒光涂層復合材料發生未知應變時，用步驟二所用的激發光源激發熒光涂層，記錄待測應變下步驟三所述的熒光積分強度比，代入由步驟三得到的傳感函數，得到待測應變值； 步驟五、根據標準樣品的機械強度、應力、應變三者之間的材料特性關系，進一步可以得到應力傳感方程。2.根據權利要求1所述的一種寬帶熒光積分強度比測量應變的方法，其特征在于:步驟一用如下步驟代替，直接制作形狀規則的寬帶發光熒光粉-涂層材料復合材料標準樣品O3.根據權利要求1所述的一種寬帶熒光積分強度比測量應變的方法，其特征在于:所使用的寬帶熒光材料包括但不限于5d-4f躍迀稀土離子發光材料、過渡金屬發光材料、半導體復合發光材料、有機發光材料。4.根據權利要求1所述的一種寬帶熒光積分強度比測量應變的方法，其特征在于:涂層材料可以是基于所述寬帶熒光材料的復合材料，還可以使用摻雜5d-4f躍迀稀土離子或過渡金屬熒光離子的發光化合物。5.根據權利要求1所述的一種寬帶熒光積分強度比測量應變的方法，其特征在于:本方法不限于熒光發射，還可用于激發光譜、吸收光譜、透射光譜等光譜的應變傳感。
【專利摘要】本發明涉及一種寬帶熒光積分強度比測量應變的方法，利用了寬帶熒光發射譜譜帶上選取的兩個波段積分強度比隨應變的變化。該方法用于應變測量時，在特定寬帶熒光材料的發射光譜譜帶的波長范圍內選定兩個合適的波段，直接測量或從光譜計算這兩個波段的熒光發射積分強度，再得出這兩個積分強度的比例，應變值與積分強度比數值的函數關系即為傳感方程，未知應變下的熒光積分強度比數值是傳感信號，輸入到傳感方程即得到待測應變值。進一步，可以由測得的應變值和材料機械強度數據推算應力的大小。本發明給出了一種傳感應變的新方法，并舉例論證了該方法測量應變的可行性。
【IPC分類】G01L1/24, G01B11/16
【公開號】CN105203041
【申請號】CN201510602938
【發明人】張巍巍, 李朝, 高益慶, 何興道
【申請人】南昌航空大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年9月21日