阅读说明：本技术 探测材料热膨胀系数的传感装置及系统 (Sensing device and system for detecting thermal expansion coefficient of material ) 是由 不公告发明人 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及探测材料热膨胀系数的传感装置及系统,主要涉及热膨胀测量领域。本申请提供的传感装置当需要测量该第一热膨胀材料层的热膨胀系数时,该传感装置在外界磁场的作用下,该第一磁性材料层产生热量,并将热量传递到该第一热膨胀材料层上,该第一热膨胀材料层在热量的作用下产生形变,该第一金属膜随着该第一热膨胀材料层的形变位置发生改变,使得该第一金属膜产生该局域电场改变对手性光的吸收情况,继而使得该传感装置出射光的光谱发生改变,通过检测出射光的圆二色光谱的峰值的移动情况,得到该第一金属膜对手性光的吸收情况,根据该第一金属膜对手性光的吸收情况得到该热膨胀材料的形变情况,进而得到该热膨胀材料的膨胀系数。(The invention relates to a sensing device and a sensing system for detecting the thermal expansion coefficient of a material, and mainly relates to the field of thermal expansion measurement. The present application provides a sensing device when it is desired to measure the coefficient of thermal expansion of the first layer of thermally expansive material, under the action of external magnetic field, the first magnetic material layer generates heat and transfers the heat to the first thermal expansion material layer, the first thermal expansion material layer deforms under the action of heat, the first metal film changes along with the deformation position of the first thermal expansion material layer, so that the first metal film generates the local electric field to change the absorption of chiral light, and further the spectrum of the light emitted from the sensing device is changed, by detecting the shift of the peak value of the circular dichroism spectrum of the emergent light, the absorption of the first metal film to the hand light is obtained, and obtaining the deformation condition of the thermal expansion material according to the absorption condition of the first metal film on the hand light, and further obtaining the expansion coefficient of the thermal expansion material.)

探测材料热膨胀系数的传感装置及系统

技术领域

本发明涉及热膨胀测量领域，主要涉及一种探测材料热膨胀系数的传感装置及系统。

背景技术

材料的热膨胀系数是材料的一个非常重要的物理特性。几乎任何工业设计都必须考虑材料的温度特性，而膨胀系数就是温度特性的重要方面(其它，如电阻温度系数、强度、硬度、刚度随温度变化的特性以及一些半导体的温度特性等)，热膨胀材料在很多行业有应用。

现有技术中，测量热膨胀一般是通过公式，或

进行计算得到，其中α为平均线膨胀系数，β为平均体积膨胀系数，L、V分别为待测材料原始长度(mm)和原始体积(mm3)，ΔL、ΔV分别为温度由t1(℃)上升到t2(℃)时待测材料的相对伸长和体积的变化量。在一般情况下，β≈3α，因此实用上采用线膨胀系数α来表示。

但是，上述方法还需测量待测材料原始长或者原始体积、待测材料的相对伸长和体积的变化量，易于在测量过程中引入人为误差，使得测量热膨胀系数的测量不准确。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测材料热膨胀系数的传感装置及系统，以解决现有技术中还需测量待测材料原始长或者原始体积、待测材料的相对伸长和体积的变化量，易于在测量过程中引入人为误差，使得测量热膨胀系数的测量不准确的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种探测材料热膨胀系数的传感装置，传感装置包括：基底层、金属层、第一测量端和第二测量端；金属层设置在基底层的一侧，第一测量端和第二测量端相对平行的设置在金属层远离基底层的一侧，且第一测量端包括第一磁性材料层、第一热膨胀材料层和第一金属膜，第一磁性材料层设置在金属层远离基底层的一侧，第一热膨胀材料层设置在第一磁性材料层远离基底的一侧，第一金属膜设置在第一热膨胀材料层远离基底的一侧，第一磁性材料层设置在金属层远离基底层的一侧，第二测量端包括第二磁性材料层和第二金属膜，第二磁性材料层设置在金属层远离基底层的一侧，第二金属膜设置在第二磁性材料层远离基底层的一侧。

可选地，该传感装置还包括第二热膨胀材料层，第二热膨胀材料层设置在第二磁性材料层和第二金属膜之间，且第二热膨胀材料层与第一热膨胀材料层的热膨胀材料不同。

可选地，该传感装置还包括第二热膨胀材料层，第二热膨胀材料层设置在金属层远离基底层的一侧，且处于第一测量端和第二测量端之间。

可选地，该第一金属膜和第二金属膜的材料均为贵金属材料。

可选地，该第一金属膜和第二金属膜均为600*600纳米阵列结构。

可选地，该第一金属膜和第二金属膜的长为300纳米，宽为100纳米，高为40nm。

可选地，该金属层的材料为贵金属材料。

第二方面，本申请提供一种探测材料热膨胀系数的传感系统，系统包括：磁场发生装置、光源、光谱仪和第一方面任意一项的传感装置，光源用于照射传感装置的第一金属膜和第二金属膜，磁场发生装置设置在传感装置周围，用于给传感装置提供可变磁场，光谱仪用于检测该传感装置出射光的光谱。

可选地，该光源为手性光源。

本发明的有益效果是：

本申请提供的传感装置包括：基底层、金属层、第一测量端和第二测量端；金属层设置在基底层的一侧，第一测量端和第二测量端相对平行的设置在金属层远离基底层的一侧，且第一测量端包括第一磁性材料层、第一热膨胀材料层和第一金属膜，第一磁性材料层设置在金属层远离基底层的一侧，第一热膨胀材料层设置在第一磁性材料层远离基底的一侧，第一金属膜设置在第一热膨胀材料层远离基底的一侧，第一磁性材料层设置在金属层远离基底层的一侧，第二测量端包括第二磁性材料层和第二金属膜，第二磁性材料层设置在金属层远离基底层的一侧，第二金属膜设置在第二磁性材料层远离基底层的一侧，当需要测量该第一热膨胀材料层的热膨胀系数时，该传感装置在外界磁场的作用下，该第一磁性材料层产生热量，并将热量传递到该第一热膨胀材料层上，该第一热膨胀材料层在热量的作用下产生形变，该第一金属膜随着该第一热膨胀材料层的形变位置发生改变，使得该第一金属膜产生该局域电场改变对手性光的吸收情况，继而使得该传感装置出射光的光谱发生改变，通过检测出射光的圆二色光谱的峰值的移动情况，得到该第一金属膜对手性光的吸收情况，根据该第一金属膜对手性光的吸收情况得到该热膨胀材料的形变情况，进而得到该热膨胀材料的膨胀系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为发明实施例提供的一种探测材料热膨胀系数的传感装置的结构示意图；

图2为发明实施例提供的另一种探测材料热膨胀系数的传感装置的结构示意图；

图3为发明实施例提供的另一种探测材料热膨胀系数的传感装置的结构示意图；

图4为第一热膨胀材料层和第二热膨胀材料层为同种膨胀材料的吸收光谱图；

图5为第一热膨胀材料层和第二热膨胀材料层不同种的膨胀材料的吸收光谱图。

标号：10-基底层；20-金属层；30-第一测量端；31-第一磁性材料层；32-第一热膨胀材料层；33-第一金属膜；40-第二测量端；41-第二磁性材料层；42-第二金属膜；43-第二热膨胀材料层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为发明实施例提供的一种探测材料热膨胀系数的传感装置的结构示意图；如图1所示，本申请提供一种探测材料热膨胀系数的传感装置，传感装置包括：基底层10、金属层20、第一测量端30和第二测量端40；金属层20设置在基底层10的一侧，第一测量端30和第二测量端40相对平行的设置在金属层20远离基底层10的一侧，且第一测量端30包括第一磁性材料层31、第一热膨胀材料层32和第一金属膜33，第一磁性材料层31设置在金属层20远离基底层10的一侧，第一热膨胀材料层32设置在第一磁性材料层31远离基底的一侧，第一金属膜33设置在第一热膨胀材料层32远离基底的一侧，第一磁性材料层31设置在金属层20远离基底层10的一侧，第二测量端40包括第二磁性材料层41和第二金属膜42，第二磁性材料层41设置在金属层20远离基底层10的一侧，第二金属膜42设置在第二磁性材料层41远离基底层10的一侧。

该第一测量端30和第二测量端40均设置在该金属层20上方，该基底层10设置在该金属层20的下方，该第一测量端30和第二测量端40均为长方体棱柱，且该第一测量端30和第二测量端40相对平行设置，该第一测量端30和第二测量端40在于该基底层10垂直的面上的投影位置均不相同，该第一测量端30包括第一磁性材料层31、第一热膨胀材料层32和第一金属膜33，该第一磁性材料层31固定设置在该金属层20的上方，该第一热膨胀材料放置在该第一磁性材料层31上方，该第一金属膜33放置在该第一磁性材料层31上方，一般的，该第一磁性材料层31、第一热膨胀材料层32和第一金属膜33之间为不固定连接，即该第一热膨胀材料层32和第一金属膜33均可以拆卸替换，在一次测量热膨胀系数结束之后，可以将该第一热膨胀材料替换为别的热膨胀材料，继续测量热膨胀系数，该第二测量端40包括第二磁性材料层41和第二金属膜42，该第二磁性材料层41和第二金属膜42之间也是不固定连接，即该第二金属膜42可以拆卸，该第一磁性材料层31和第二磁性材料层41的材料和几何参数均一致，该第一金属膜33和第二金属膜42的材料和几何参数均一致，当需要测量该第一热膨胀材料层32的热膨胀系数时，该传感装置在外界磁场的作用下，该第一磁性材料层31产生热量，并将热量传递到该第一热膨胀材料层32上，该第一热膨胀材料层32在热量的作用下产生形变，该第一金属膜33随着该第一热膨胀材料层32的形变位置发生改变，使得该第一金属膜33产生该局域电场改变对手性光的吸收情况，继而使得该传感装置出射光的光谱发生改变，通过检测出射光的圆二色光谱的峰值的移动情况，得到该第一金属膜33对手性光的吸收情况，根据该第一金属膜33对手性光的吸收情况得到该热膨胀材料的形变情况，进而得到该热膨胀材料的膨胀系数，由于第一测量端30设置有第一热膨胀材料层32，第二测量端40没有设置有热膨胀材料层，并且第一测量端30和第二测量端40除过第一热膨胀材料层32之外的所有材料也会受热膨胀，为了区分其他结构受热膨胀还是第一热膨胀材料层32受热膨胀，则使用第一测量端30和第二测量端40进行对比，使用第一测量端30的检测光谱和第二测量端40的检测光谱进行相减，就可以得到该第一热膨胀材料层32单独的热膨胀对光谱的影响。

图2为第一热膨胀材料层和第二热膨胀材料层为同种膨胀材料的吸收光谱图；图3为第一热膨胀材料层和第二热膨胀材料层不同种的膨胀材料的吸收光谱图，如图2和图3所示，另外，第一次在传感装置外周加载磁场，第二次在传感装置外周不加载磁场，将第一次外加磁场时的光谱进行相减，并且通过改变外加磁场的大小，通过谱线的移动，以及谱线峰值的变化对热膨胀材料的膨胀特性进行反应，其中，图2为第一热膨胀材料层32和第二热膨胀材料层43为同种膨胀材料的情况，图3为第一热膨胀材料层32和第二热膨胀材料层43不同种的膨胀材料的情况，由于不同种膨胀材料的膨胀量不同，结构产生了高度差，吸收谱显示出现了新的共振模式，通过探测新共振模式的共振峰的位置，以及强度探测材料的膨胀系数，其中，图2中，横坐标表示波长，纵坐标表示归一化的吸收功率，当波长为730nm时，在左旋圆偏光的照射下730nm处吸收出现谷，而在右旋圆偏光的照射下730nm处出现吸收峰，左旋圆偏光和右旋圆偏光的吸收差异导致了在730nm处出现了大的圆二色信号(CD),CD的信号大，便于探测，所以探测的灵敏度也就相应的会增高。图3中，在波长为710nm和745nm时出现共振模式，和图二相比，当金属膜下面的热膨胀材料改变时，由于不同材料的热膨胀系数不同，所以第一金属膜和第二金属膜出现高度差，在光谱图中反应为出现了一个新的模式。通过探测新共振模式的共振峰的位置，以及强度来探测改变的材料的膨胀系数。

图4为发明实施例提供的另一种探测材料热膨胀系数的传感装置的结构示意图，如图4所示，可选地，该传感装置还包括第二热膨胀材料层43，第二热膨胀材料层43设置在第二磁性材料层41和第二金属膜42之间，且第二热膨胀材料层43与第一热膨胀材料层32的热膨胀材料不同。

该第二热膨胀材料层43放置在该第二磁性材料层41和第二金属膜42之间，并且该第二膨胀材料层与第一热膨胀材料层32的热膨胀材料不同，此时，不需要具体计算热膨胀系数，可以通过第一热膨胀材料层32和第二热膨胀材料层43的光谱差异就可以直接判断那种材料的热膨胀率高，即热膨胀系数较大，如此可以简单的区分两种热膨胀材料，及简单的确定两种热膨胀材料的热膨胀系数的大小。

图5为发明实施例提供的另一种探测材料热膨胀系数的传感装置的结构示意图，如图5所示，可选地，该传感装置还包括第二热膨胀材料层43，第二热膨胀材料层43设置在金属层20远离基底层10的一侧，且处于第一测量端30和第二测量端40之间。

将该第二热膨胀材料层43设置在该第一测量端30和第二测量端40之间的金属层20上，通过该第二热膨胀材料层43与第一金属膜33和第二金属膜42之间的距离，调节第一金属膜33和第二金属膜42之间的耦合情况，通过第一金属膜33与第二金属膜42和第二热膨胀材料层43之间的耦合情况，得到该第二热膨胀材料的热膨胀系数。

可选地，该第一金属膜33和第二金属膜42的材料均为贵金属材料。

该第一金属膜33和第二金属膜42的材料均为贵金属材料，可以为贵金属材料中的一种贵金属单质，也可以为多种贵金属混合形成的混合贵金属材料，在此不做具体限定，若该第一金属膜33和第二金属膜42为混合贵金属材料，则混合贵金属材料的各种贵金属的混合比例根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。

可选地，该第一金属膜33和第二金属膜42均为600*600纳米阵列结构。

可选地，该第一金属膜33和第二金属膜42的长为300纳米，宽为100纳米，高为40nm。

可选地，该金属层20的材料为贵金属材料。

该金属层20的材料可以为贵金属材料中的一种贵金属单质，也可以为多种贵金属混合形成的混合贵金属材料，在此不做具体限定，若该金属层20为混合贵金属材料，则混合贵金属材料的各种贵金属的混合比例根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。

本申请提供的传感装置包括：基底层10、金属层20、第一测量端30和第二测量端40；金属层20设置在基底层10的一侧，第一测量端30和第二测量端40相对平行的设置在金属层20远离基底层10的一侧，且第一测量端30包括第一磁性材料层31、第一热膨胀材料层32和第一金属膜33，第一磁性材料层31设置在金属层20远离基底层10的一侧，第一热膨胀材料层32设置在第一磁性材料层31远离基底的一侧，第一金属膜33设置在第一热膨胀材料层32远离基底的一侧，第一磁性材料层31设置在金属层20远离基底层10的一侧，第二测量端40包括第二磁性材料层41和第二金属膜42，第二磁性材料层41设置在金属层20远离基底层10的一侧，第二金属膜42设置在第二磁性材料层41远离基底层10的一侧，当需要测量该第一热膨胀材料层32的热膨胀系数时，该传感装置在外界磁场的作用下，该第一磁性材料层31产生热量，并将热量传递到该第一热膨胀材料层32上，该第一热膨胀材料层32在热量的作用下产生形变，该第一金属膜33随着该第一热膨胀材料层32的形变位置发生改变，使得该第一金属膜33产生该局域电场改变对手性光的吸收情况，继而使得该传感装置出射光的光谱发生改变，通过检测出射光的圆二色光谱的峰值的移动情况，得到该第一金属膜33对手性光的吸收情况，根据该第一金属膜33对手性光的吸收情况得到该热膨胀材料的形变情况，进而得到该热膨胀材料的膨胀系数。

本申请提供一种探测材料热膨胀系数的传感系统，系统包括：磁场发生装置、光源、光谱仪和上述任意一项的传感装置，光源用于照射传感装置的第一金属膜33和第二金属膜42，磁场发生装置设置在传感装置周围，用于给传感装置提供可变磁场，光谱仪用于检测该传感装置出射光的光谱。

可选地，该光源为手性光源。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。