CN117647319A - 一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，包括有温度敏感机构、导热拉伸机构和发光可视机构，当温度变化时，温度敏感机构内的形状记忆温致收缩材料缩小并通过导热拉伸机构内的柔性拉伸带拉动发光可视机构内的柔性光子晶体，使得柔性光子晶体向柔性拉伸带方向倾斜，由于发光可视机构内推力杆的限位作用，使得柔性光子晶体内部的晶格间距发生改变，使得柔性光子晶体的衍射波长发生改变，从而呈现出变色现象。本发明无需布设线缆，采用形状记忆温致收缩材料带动柔性光子晶体发生形变，形变使得柔性光子晶体的衍射颜色发生变化，通过色彩即可准确掌握超重力模型内部的温度情况。
Description
技术领域
本发明涉及超重力技术领域，具体是一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置。
背景技术
目前，超重力模型试验逐渐应用于强化多相流传递及反应过程的新技术中。由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的缩尺特点，使得超重力技术在岩土、环保、材料生物化工等工业领域中有广阔的商业化应用前景。超重力模型试验可以缩小尺寸，缩短研究时间，因此被视为一种“革命性的工程工具”。
超重力技术具有典型的缩尺效应，常规的传感器件由于缩尺效应的存在，导致在超重力场的环境下尺寸会被放大若干倍，因此急需研发微小且精密的传感器件。
在超重力岩土模型试验中，温度作为重要的监测数据，采用温度传感器进行温度采集，由于现有温度传感器的线缆不可避免的需要布置在超重力岩土模型的内部，而线缆在岩土超重力环境中由于受到了缩尺效应，进而造成线缆对岩土本身产生了加固的作用，进而造成了对岩土土体本身结构产生了损伤，造成了超重力岩土模型本构关系产生了破坏，造成离心模型实验的失败。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，无需布设线缆，采用形状记忆温致收缩材料带动柔性光子晶体发生形变，形变使得柔性光子晶体的衍射颜色发生变化，通过色彩即可准确掌握超重力模型内部的温度情况。
本发明的技术方案为：
一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，包括有温度敏感机构、导热拉伸机构和发光可视机构；
所述的温度敏感机构包括有导热壳体和形状记忆温致收缩材料，形状记忆温致收缩材料定位于导热壳体内且与导热壳体导热接触；
所述的导热拉伸机构包括有隔热导管和柔性拉伸带，所述的隔热导管的一端与导热壳体一体化连接且两者相互连通，柔性拉伸带设置于隔热导管内，柔性拉伸带的其中一端与形状记忆温致收缩材料固定连接；
所述的发光可视机构包括有隔热壳体、多个推力柱和柔性光子晶体，隔热导管的另一端与隔热壳体一体化连接且两者相互连通，柔性光子晶体竖直设置于隔热壳体内且底面固定连接于隔热壳体的底面上，柔性光子晶体的内表面与柔性拉伸带的另一端固定连接，柔性光子晶体的外表面朝向隔热壳体，隔热壳体相对于柔性光子晶体外表面的部分为无色透明结构；隔热壳体内水平设置有多个推力柱，每个推力柱的外端均固定于隔热壳体上，多个推力柱的内端均水平朝向柔性光子晶体的内表面且沿柔性光子晶体的水平轴向均匀分布；
当温度变化，使得形状记忆温致收缩材料缩小，形状记忆温致收缩材料通过柔性拉伸带拉动柔性光子晶体，由于柔性光子晶体的底面固定于隔热壳体上，柔性光子晶体向柔性拉伸带方向倾斜，由于多个推力杆的限位作用，柔性光子晶体与推力杆接触限位的部分其外表面呈现凸起结构、未与推力杆接触限位的部分其外表面呈现凹陷结构，使得柔性光子晶体内部的晶格间距发生改变，使得柔性光子晶体的衍射波长发生改变，从而呈现出变色现象。
所述的导热壳体的内腔为圆形腔体，所述的形状记忆温致收缩材料为圆形板状结构，导热壳体的圆环形内壁上固定有一圈定位柱，形状记忆温致收缩材料设置于导热壳体内且与导热壳体导热接触，一圈定位柱均匀分布于形状记忆温致收缩材料的外周，每个定位柱均通过对应的弹性限位带与形状记忆温致收缩材料固定连接，使得形状记忆温致收缩材料定位于导热壳体内。
所述的形状记忆温致收缩材料是由形状记忆合金或碳纳米管/液晶弹性体制成。
所述的隔热导管内且沿隔热导管的轴向设置有一排限位导板，所述的柔性拉伸带依次穿过一排限位导板，从而限制柔性拉伸带在隔热导管内的径向位置。
所述的一排限位导板沿隔热导管的轴向相互平行设置，相邻两个限位导板中，其中一个限位导板的顶端与隔热导管固定连接、其底端与隔热导管之间留有导向间隙，另一个限位导板的底端与隔热导管固定连接、其顶端与隔热导管之间留有导向间隙，所述的柔性拉伸带依次穿过每个限位导板和隔热导管之间的导向间隙，使得柔性拉伸带在隔热导管内形成蛇形弯折传导结构。
所述的柔性拉伸带选用耐高温隔热带。
所述的隔热壳体内的底面上固定设置有一排支撑块，柔性光子晶体的底面固定连接于一排支撑块上。
所述的导热壳体内邻近隔热导管的位置和隔热壳体内邻近隔热导管的位置均设置有两个竖直设置的限位柱，柔性拉伸带的两端分别穿过对应的两个限位柱之间后与形状记忆温致收缩材料、柔性光子晶体固定连接。
所述的柔性光子晶体包括有竖直设置的柔性聚合物衬底，柔性聚合物衬底的外表面上设置于微结构阵列，微结构阵列内部封装有光子晶体，柔性聚合物衬底的底面固定连接于隔热壳体的底面上，柔性聚合物衬底的内表面与柔性拉伸带的另一端固定连接。
所述的柔性光子晶体的衍射波长λ与晶格间距d的关系具体见下式(1)：
式(1)中，k4为柔性光子晶体弯折条件下的晶格调节系数；k1为柔性聚合物衬底的接触面积折减系数；k5为环境温度系数；nagv为柔性光子晶体的平均有效透光指数；θ为入射角度，为定值；m为衍射级数；k3柔性聚合物衬底的分型几何调节系数。
所述的晶格调节系数k4与应变σ之间为正相关线性关系，应变σ的计算公式见下式(2)：
σ＝ε×k1×k2×ΔT (2)；
式(2)中，ε为光子晶体的热膨胀系数；k1为柔性聚合物衬底的接触面积折减系数；k2为柔性聚合物衬底的弯曲折减系数；ΔT为环境温差。
本发明的优点：
(1)、本发明并不通过温度传感器采集并传输温度信息，即避免了线缆于模型土体中的布设，采用形状记忆温致收缩材料带动柔性光子晶体发生形变，形变使得柔性光子晶体的衍射颜色发生变化，温度和对应的色彩在温度采集前即进行过计算标定，通过色彩即可准确掌握超重力模型内部的温度情况，温度显示直观准确。
(2)、本发明温度敏感机构内的形状记忆温致收缩材料是由形状记忆合金或碳纳米管/液晶弹性体(CNT-LCEs材质)制成的形状记忆温致收缩材料，具有温度复原、形变恢复的特点，使得本发明可反复使用，实现不同温度的采集显示。
(3)、本发明温度敏感机构内设置有用于形状记忆温致收缩材料定位的定位柱和弹性限位带，对形状记忆温致收缩材料在导热壳体内的位置进行限位，且不影响形状记忆温致收缩材料的缩小变形，使得形状记忆温致收缩材料缩小时拉力分布均匀。
(4)、本发明在隔热导管内设置限位导板，避免柔性拉伸带在形状记忆温致收缩材料的带动下发生径向的位移，影响拉伸长度的计算，且通过限位导板的设置，将柔性拉伸带设置成蛇形弯折结构，避免了柔性拉伸带的形变，进一步保证形状记忆温致收缩材料形变量传递的准确性。
(5)、本发明为一体式封装结构，便于快速布设于超重力岩土模型的土体中，通过柔性光子晶体色彩的变化情况实现温度的采集。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明温度敏感机构的内部结构示意图。
图3是本发明发光可视机构的内部结构示意图。
图4是高铁路基缩尺模型的结构示意图。
附图标记：1-温度敏感机构，2-导热拉伸机构，3-发光可视机构，4-限位柱，11-导热壳体，12-形状记忆温致收缩材料，13-定位柱，14-弹性限位带，21-隔热导管21，22-限位导板，23-柔性拉伸带，31-隔热壳体，32-推力柱，33-支撑块，34-柔性聚合物衬底，35-微结构阵列，36-竖直导向板，5-高铁路基缩尺模型，6-低温模型箱，7-可视窗，8-液压激振设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1，一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，包括有温度敏感机构1、导热拉伸机构2和发光可视机构3；
见图2，温度敏感机构1包括有导热壳体11和形状记忆温致收缩材料12，形状记忆温致收缩材料12是由形状记忆合金或碳纳米管/液晶弹性体制成；导热壳体11的内腔为圆形腔体，形状记忆温致收缩材料12为圆形板状结构，导热壳体11的圆环形内壁上固定有一圈定位柱13，形状记忆温致收缩材料12设置于导热壳体11内且与导热壳体11导热接触，一圈定位柱13均匀分布于形状记忆温致收缩材料12的外周，每个定位柱13均通过对应的弹性限位带14与形状记忆温致收缩材料12固定连接，使得形状记忆温致收缩材料12定位于导热壳体11内；
见图2和图3，导热拉伸机构2包括有隔热导管21、一排限位导板22和柔性拉伸带23，隔热导管21的一端与导热壳体11一体化连接且两者相互连通，柔性拉伸带23选用耐高温隔热带，受热时基本不发生形变，柔性拉伸带23的其中一端与形状记忆温致收缩材料12固定连接；一排限位导板22沿隔热导管21的轴向相互平行设置，相邻两个限位导板22中，其中一个限位导板22的顶端与隔热导管21固定连接、其底端与隔热导管21之间留有导向间隙，另一个限位导板22的底端与隔热导管21固定连接、其顶端与隔热导管21之间留有导向间隙，柔性拉伸带23依次穿过每个限位导板22和隔热导管21之间的导向间隙，使得柔性拉伸带23在隔热导管21内形成蛇形弯折传导结构；
见图3，发光可视机构3包括有隔热壳体31、八个推力柱32、一排支撑块33和柔性光子晶体，柔性光子晶体包括有竖直设置的柔性聚合物衬底34，柔性聚合物衬底34的外表面上设置于微结构阵列35，微结构阵列35内部封装有光子晶体；隔热导管21的另一端与隔热壳体31一体化连接且两者相互连通，隔热壳体31与隔热导管21的连接口处固定设置有竖直导向板36，八个推力柱32水平设置且呈现上下两排结构，每个推力柱32的外端均固定于隔热壳体31或竖直导向板36上，一排支撑块33固定设置于隔热壳体31内的底面上，柔性聚合物衬底34的底面固定连接于一排支撑块33上，柔性拉伸带23的另一端穿过竖直导向板36后与柔性聚合物衬底34的内表面固定连接，柔性光子晶体的外表面朝向隔热壳体31，隔热壳体31相对于柔性光子晶体外表面的部分为无色透明结构，八个推力柱32的内端均水平朝向柔性聚合物衬底34的内表面且每排四个推力柱32均沿柔性聚合物衬底34的水平轴向均匀分布；
其中，导热壳体11内邻近隔热导管21的位置和隔热壳体31内邻近隔热导管21的位置均设置有两个竖直设置的限位柱4，柔性拉伸带23的两端分别穿过对应的两个限位柱4之间后与形状记忆温致收缩材料12、柔性光子晶体柔性聚合物衬底34的内表面固定连接。
当温度变化，使得形状记忆温致收缩材料12缩小，形状记忆温致收缩材料12通过柔性拉伸带23拉动柔性光子晶体，由于柔性光子晶体柔性聚合物衬底34的底面固定于隔热壳体31上，柔性光子晶体向柔性拉伸带23方向倾斜，由于推力杆32的限位作用，柔性光子晶体与推力杆32接触限位的部分其外表面呈现凸起结构、未与推力杆32接触限位的部分其外表面呈现凹陷结构，使得柔性光子晶体内部的晶格间距发生改变，使得柔性光子晶体的衍射波长发生改变，从而呈现出变色现象。
其中，柔性光子晶体的衍射波长λ与晶格间距d的关系具体见下式(1)：
式(1)中，k4为柔性光子晶体弯折条件下的晶格调节系数；k1为柔性聚合物衬底的接触面积折减系数；k5为环境温度系数；nagv为柔性光子晶体的平均有效透光指数；θ为入射角度，为定值；m为衍射级数；k3柔性聚合物衬底的分型几何调节系数。
晶格调节系数k4与应变σ之间为正相关线性关系，应变σ的计算公式见下式(2)：
σ＝ε×k1×k2×ΔT (2)；
式(2)中，ε为光子晶体的热膨胀系数；k1为柔性聚合物衬底的接触面积折减系数；k2为柔性聚合物衬底的弯曲折减系数；ΔT为环境温差。
超重力高速铁路缩尺模型试验：季节性冻土地区修建高速铁路对其冻融循环过程中轨道的平顺性有着苛刻严格的要求，由于使用足尺路基冻融试验需要耗费大量的财力和物力，因此采用缩尺高铁冻融试验在时间和金钱上具有较大的优势。
见图4，将高铁路基缩尺模型5放置在低温模型箱6中，并置于离心机的吊篮6里面；低温模型箱6的一侧设置有可视窗7，温度传感装置的温度敏感机构1和导热拉伸机构2埋入高铁路基缩尺模型5的路基中，发光可视机构3位于路基外部且邻近于可视窗7，柔性光子晶体的外表面朝向可视窗7，高铁路基缩尺模型5上的液压激振设备8进行激振，模拟高速铁路的运行过程，低温模型箱6外设置有朝向发光可视机构3的采集相机,通过视频影像的方式记录发光可视机构3颜色的变化情况，即可得知路基内部的温度变化情况。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (11)
1.一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：包括有温度敏感机构、导热拉伸机构和发光可视机构；
所述的温度敏感机构包括有导热壳体和形状记忆温致收缩材料，形状记忆温致收缩材料定位于导热壳体内且与导热壳体导热接触；
所述的导热拉伸机构包括有隔热导管和柔性拉伸带，所述的隔热导管的一端与导热壳体一体化连接且两者相互连通，柔性拉伸带设置于隔热导管内，柔性拉伸带的其中一端与形状记忆温致收缩材料固定连接；
所述的发光可视机构包括有隔热壳体、多个推力柱和柔性光子晶体，隔热导管的另一端与隔热壳体一体化连接且两者相互连通，柔性光子晶体竖直设置于隔热壳体内且底面固定连接于隔热壳体的底面上，柔性光子晶体的内表面与柔性拉伸带的另一端固定连接，柔性光子晶体的外表面朝向隔热壳体，隔热壳体相对于柔性光子晶体外表面的部分为无色透明结构；隔热壳体内水平设置有多个推力柱，每个推力柱的外端均固定于隔热壳体上，多个推力柱的内端均水平朝向柔性光子晶体的内表面且沿柔性光子晶体的水平轴向均匀分布；
当温度变化，使得形状记忆温致收缩材料缩小，形状记忆温致收缩材料通过柔性拉伸带拉动柔性光子晶体，由于柔性光子晶体的底面固定于隔热壳体上，柔性光子晶体向柔性拉伸带方向倾斜，由于多个推力杆的限位作用，柔性光子晶体与推力杆接触限位的部分其外表面呈现凸起结构、未与推力杆接触限位的部分其外表面呈现凹陷结构，使得柔性光子晶体内部的晶格间距发生改变，使得柔性光子晶体的衍射波长发生改变，从而呈现出变色现象。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的导热壳体的内腔为圆形腔体，所述的形状记忆温致收缩材料为圆形板状结构，导热壳体的圆环形内壁上固定有一圈定位柱，形状记忆温致收缩材料设置于导热壳体内且与导热壳体导热接触，一圈定位柱均匀分布于形状记忆温致收缩材料的外周，每个定位柱均通过对应的弹性限位带与形状记忆温致收缩材料固定连接，使得形状记忆温致收缩材料定位于导热壳体内。
3.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的形状记忆温致收缩材料是由形状记忆合金或碳纳米管/液晶弹性体制成。
4.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的隔热导管内且沿隔热导管的轴向设置有一排限位导板，所述的柔性拉伸带依次穿过一排限位导板，从而限制柔性拉伸带在隔热导管内的径向位置。
5.根据权利要求4所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的一排限位导板沿隔热导管的轴向相互平行设置，相邻两个限位导板中，其中一个限位导板的顶端与隔热导管固定连接、其底端与隔热导管之间留有导向间隙，另一个限位导板的底端与隔热导管固定连接、其顶端与隔热导管之间留有导向间隙，所述的柔性拉伸带依次穿过每个限位导板和隔热导管之间的导向间隙，使得柔性拉伸带在隔热导管内形成蛇形弯折传导结构。
6.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的柔性拉伸带选用耐高温隔热带。
7.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的隔热壳体内的底面上固定设置有一排支撑块，柔性光子晶体的底面固定连接于一排支撑块上。
8.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的导热壳体内邻近隔热导管的位置和隔热壳体内邻近隔热导管的位置均设置有两个竖直设置的限位柱，柔性拉伸带的两端分别穿过对应的两个限位柱之间后与形状记忆温致收缩材料、柔性光子晶体固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的柔性光子晶体包括有竖直设置的柔性聚合物衬底，柔性聚合物衬底的外表面上设置于微结构阵列，微结构阵列内部封装有光子晶体，柔性聚合物衬底的底面固定连接于隔热壳体的底面上，柔性聚合物衬底的内表面与柔性拉伸带的另一端固定连接。
10.根据权利要求9所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的柔性光子晶体的衍射波长λ与晶格间距d的关系具体见下式(1)：
式(1)中，k4为柔性光子晶体弯折条件下的晶格调节系数；k1为柔性聚合物衬底的接触面积折减系数；k5为环境温度系数；nagv为柔性光子晶体的平均有效透光指数；θ为入射角度，为定值；m为衍射级数；k3柔性聚合物衬底的分型几何调节系数。
11.根据权利要求10所述的一种适用于超重力离心环境下的温度传感装置，其特征在于：所述的晶格调节系数k4与应变σ之间为正相关线性关系，应变σ的计算公式见下式(2)：
σ＝ε×k1×k2×ΔT (2)；
式(2)中，ε为光子晶体的热膨胀系数；k1为柔性聚合物衬底的接触面积折减系数；k2为柔性聚合物衬底的弯曲折减系数；ΔT为环境温差。
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