[发明专利]一种基于柔性光电纳米薄膜的非接触式位移传感器

说明书

本发明提供一种基于柔性光电纳米薄膜的非接触式位移传感器，将所述的位移传感器固定在所述的桥梁的跨中的表面，激光光源设置在所述的位移传感器的正下方，当所述的桥梁产生挠度后，所述的位移传感器随着桥梁一同发生位移，从而导致输出电流产生相应变化，可根据输出的电流信号反算得到激光传输距离的变化，即等同于桥梁挠度。相比其他传统挠度测量装置来说，基于柔性光电纳米薄膜的非接触式位移传感器具有结构简单、测量精度高、响应速度快、应用范围广、实时自动测量等优点。

技术领域

本发明涉及用于一种基于柔性光电纳米薄膜的非接触式位移传感器。

背景技术

梁是桥梁结构的重要承载构件，梁的挠度是评估其动力状态、衡量疲劳损伤、保证结构安全的重要参数。在现今的交通工程中，常采用的梁挠度测量方法主要有百分表测量法、精密水准仪测量法、全站仪测量法、连通管测量法、差分GPS观测法等。百分表测量法是利用齿轮转动机构所检测位置的位移值放大，并将检测的直线往返运动转换成指针的回转转动，以指示其位移数值，该方法设备简单，可进行多点测量，钢弦百分表测量法只能用于测量陆地上或北方冻结水面上的桥梁挠度，在高桥或有水的情况下无法使用，或必须搭建高台。精密水准仪测量法是利用水准仪和水准尺测定两点间高差的方法，由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点高程，由其水准尺读数的差值得到其相对挠度，但该方法只能测出相对数值，不能测出绝对数值。全站仪测量法是采用三角高程测量的方法，通过测量两点间的水平距离和竖直角求两点间的高差，这种测量方法简单，不受地形条件限制，但会存在因观测者的观测方式与经验不同带来的观测误差，即使进行静态测量也往往使得数据较为离散，无法做到实时、自动测量。连通管测量法是利用物理学上“连通器中处于同一水平平面上的静止液体的压强相同”的原理，在每个测点位置布置连通管，灌水(或其他有色液体)至标尺位置，当桥梁产生挠度时，水管中的水平液面仍然持平，但每个测点的相对水位会发生变化，通过读取变化值可得到桥梁的挠度，计算简单，且由于全封闭结构，不受桥梁现场高尘、高湿等环境条件影响，但该方法精度较低，只能用于低频或超低频桥梁静挠度检测，且不适用于跨径大、纵坡较大的桥梁。差分GPS观测法在需要的测点安放GPS移动站，通过GPS观测实时获取变形点相对于参考点的位置，可直接反映出测点的空间位置变化从而得到桥梁结构的挠度值，但其测量精度较低，一般只能达到厘米级，对于中小型桥梁的高精度挠度检测不适用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于柔性光电纳米薄膜的非接触式位移传感器，并且无需额外提供能源，能够将桥梁挠度转化为位移传感器的电能并以电信号的形式输出，同时还具备精度高、应用范围广、响应速度快、实时智能感知的特点。

一种基于柔性光电纳米薄膜的非接触式位移传感器，其特征在于，将所述的位移传感器固定在所述的桥梁的跨中的表面，激光光源设置在所述的位移传感器的正下方，当所述的桥梁产生挠度后，所述的位移传感器随着桥梁一同发生位移，从而导致输出电流产生相应变化，设所述的桥梁变形前，所述的激光光源与位移传感器的距离为L₁，输出电流为I₁，所述的桥梁变形后，所述的激光光源与位移传感器的距离为L₂，输出电流为I₂，则位移传感器输出电流与桥梁挠度的对应关系如下：

其中，ΔL(t)为挠度，L(t)为激光传输距离，e为单电子电荷量，ε是材料的介电常数，I(t)为输出电流，ΔI为出射光强与背景光强的差值，α和β分别为材料的光吸收系数与量子效率，k为空气中的衰减系数，n_i为本征载流子浓度，τ_n0和τ_p0分别为电子和空穴的寿命。

进一步地，根据基于柔性光电纳米薄膜的非接触式位移传感器，其特征在于，所述的激光光源的波长为680nm。

进一步地，根据基于柔性光电纳米薄膜的非接触式位移传感器，其特征在于，激光垂直照射在位移传感器上。

本发明的有益效果是：