一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置及溫控方法
【專利摘要】一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置及溫控方法，屬于智能溫控設(shè)備領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有溫控裝置精確度差的問題。本發(fā)明對所采用的鐵電晶體進(jìn)行電極制備和極化操作，并將極化后的鐵電晶體放入溫度變化環(huán)境內(nèi)并繪制鐵電晶體的介電常數(shù)-溫度曲線；將鐵電晶體的介電常數(shù)-溫度曲線存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，將所采用的鐵電晶體置于待溫控的裝置內(nèi)，采用激光器向鐵電晶體發(fā)射光束，采用光電探測器采集經(jīng)過鐵電晶體的光強(qiáng)信號，將接收的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)鐵電晶體的介電常數(shù)-溫度曲線獲得當(dāng)前待溫控的裝置內(nèi)的溫度信息；計(jì)算機(jī)根據(jù)溫度信息向控溫裝置發(fā)送溫控信號，實(shí)現(xiàn)基于鐵電晶體相變特性的溫度控制。本發(fā)明適用于控制溫度使用。
【專利說明】一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置及溫控方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于智能溫控設(shè)備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]近幾年，鐵電晶體備受研宄領(lǐng)域的關(guān)注，其優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)表明該晶體在光學(xué)器件領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力。晶體發(fā)生相變會(huì)導(dǎo)致其光學(xué)性能的改變。鐵電晶體處在居里溫度以下時(shí)呈現(xiàn)鐵電相，此時(shí)晶體內(nèi)部的鐵電疇會(huì)散射入射到晶體的光，其光學(xué)透過性能很差。當(dāng)溫度超過晶體的居里溫度時(shí)，晶體呈現(xiàn)順電相，晶體內(nèi)部沒有鐵電疇結(jié)構(gòu)的存在，當(dāng)光入射到晶體時(shí)不會(huì)發(fā)生疇壁對光的散射現(xiàn)象，此時(shí)光學(xué)透過性最好，可用于制作光學(xué)器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有溫控裝置精確度差的問題，提出了一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置及溫控方法。
[0004]本發(fā)明所述的一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置，該裝置包括激光器、控溫裝置、鐵電晶體、光電探測器、信號處理器和計(jì)算機(jī)；
[0005]單晶體置于控溫裝置內(nèi)，控溫裝置的相對的兩個(gè)側(cè)壁相對開有兩個(gè)透光孔，所述鐵電晶體與兩個(gè)透光孔位于同一條直線上，光電探測器和激光器分別位于控溫裝置的兩偵牝且激光器的激光發(fā)射端口、鐵電晶體和光電探測器的感光面位于同一條直線上，光電探測器的電信號輸出端連接信號處理器的信號輸入端，信號處理器的信號輸出端連接計(jì)算機(jī)的光強(qiáng)信號輸入端，計(jì)算機(jī)的控制信號輸出端連接控溫裝置的溫控信號輸入端；
[0006]基于上述裝置的一種基于鐵電晶體相變特性的溫控方法，該方法的具體步驟為:
[0007]步驟一、對所采用的鐵電晶體進(jìn)行電極制備和極化操作，并將極化后的鐵電晶體放入溫度變化環(huán)境內(nèi)并繪制鐵電晶體的介電常數(shù)-溫度曲線；
[0008]步驟二、將鐵電晶體的介電常數(shù)-溫度曲線存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，將所采用的鐵電晶體置于待溫控的裝置內(nèi)，采用激光器向鐵電晶體發(fā)射光束，采用光電探測器采集經(jīng)過鐵電晶體的光強(qiáng)信號，并將接收的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送至信號處理器；
[0009]步驟三、信號處理器將經(jīng)過處理后的信號發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)鐵電晶體的介電常數(shù)-溫度曲線獲得當(dāng)前待溫控的裝置內(nèi)的溫度信息；
[0010]步驟四、計(jì)算機(jī)根據(jù)溫度信息向控溫裝置發(fā)送溫控信號，實(shí)現(xiàn)基于鐵電晶體相變特性的溫度控制。
[0011]本發(fā)明采用單晶體的溫度的相變導(dǎo)致光學(xué)性能改變的特性，采用觀點(diǎn)探測器探測經(jīng)過晶體后的光強(qiáng)信號，計(jì)算機(jī)根據(jù)光強(qiáng)信號的強(qiáng)度獲知裝置內(nèi)的溫度信號，并根據(jù)實(shí)際需求控制控溫裝置進(jìn)行加熱或制冷，實(shí)現(xiàn)隨溫度的精確采集和控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述的一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為鈦酸鋇晶體的介電常數(shù)-溫度曲線圖；
[0014]圖3為鈦酸鋇單晶在溫度為30°C時(shí)晶體內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4為鈦酸鋇單晶在溫度為122°C時(shí)晶體內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖5為鈦酸鋇單晶在溫度為123°C時(shí)晶體內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖6為鈦酸鋇單晶在不同溫度下的透射率隨波長變化曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置，該裝置包括激光器1、控溫裝置2、鐵電晶體3、光電探測器4、信號處理器5和計(jì)算機(jī)6 ;
[0019]單晶體3置于控溫裝置2內(nèi)，控溫裝置2的相對的兩個(gè)側(cè)壁相對開有兩個(gè)透光孔，所述鐵電晶體3與兩個(gè)透光孔位于同一條直線上，光電探測器4和激光器I分別位于控溫裝置2的兩側(cè)，且激光器I的激光發(fā)射端口、鐵電晶體3和光電探測器4的感光面位于同一條直線上，光電探測器4的電信號輸出端連接信號處理器5的信號輸入端，信號處理器5的信號輸出端連接計(jì)算機(jī)6的光強(qiáng)信號輸入端，計(jì)算機(jī)6的控制信號輸出端連接控溫裝置2的溫控信號輸入端。
[0020]【具體實(shí)施方式】二、本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置的進(jìn)一步說明，鐵電晶體3包括弛豫鐵電晶體和非弛豫鐵電晶體。
[0021]所述弛豫鐵電晶體包括(1-x)PMN-xPT晶體(x 彡 0.35)、(l-x-y)PIN-yPMN-xPT 晶體(X彡0.35，x+y ( I)和(1-x)PZN-xPT晶體(x彡0.09);非弛豫鐵電晶體BaT13晶體和以其為母體的摻雜BaT13晶體，鐵電晶體3材料可以分為以PMNT、PZNT等晶體為代表的她豫鐵電晶體和以LiNb03，BaTi03等晶體為代表的非她豫鐵電晶體兩大類。鐵電晶體因材料的不同居里溫度也各異，我們可以根據(jù)實(shí)際需要來選擇應(yīng)用的晶體。
[0022]【具體實(shí)施方式】三、本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置的進(jìn)一步說明，激光器I的波長范圍為450-1000nm。
[0023]【具體實(shí)施方式】四、本實(shí)施方式是基于【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于鐵電晶體相變特
[0024]性的溫控裝置的溫控方法，該方法的具體步驟為:
[0025]步驟一、對所采用的鐵電晶體3進(jìn)行電極制備和極化操作，并將極化后的鐵電晶體3放入溫度變化環(huán)境內(nèi)并繪制鐵電晶體3的介電常數(shù)-溫度曲線；
[0026]步驟二、將鐵電晶體3的介電常數(shù)-溫度曲線存入計(jì)算機(jī)6內(nèi)，將所采用的鐵電晶體3置于待溫控的裝置內(nèi)，采用激光器I向鐵電晶體3發(fā)射光束，采用光電探測器4采集經(jīng)過鐵電晶體3的光強(qiáng)信號，并將接收的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送至信號處理器5 ;
[0027]步驟三、信號處理器5將經(jīng)過處理后的信號發(fā)送至計(jì)算機(jī)6，計(jì)算機(jī)根據(jù)鐵電晶體3的介電常數(shù)-溫度曲線獲得當(dāng)前待溫控的裝置內(nèi)的溫度信息；
[0028]步驟四、計(jì)算機(jī)6根據(jù)溫度信息向控溫裝置2發(fā)送溫控信號，實(shí)現(xiàn)基于鐵電晶體相變特性的溫度控制。
[0029]具體實(shí)施例:選取鈦酸鋇單晶為例，結(jié)合圖2、圖3、圖4、圖5和圖6說明本實(shí)施例，本實(shí)施例方法如下:
[0030]步驟A、鈦酸鋇樣品通過勞埃定向儀進(jìn)行精確定向，測試儀的精度達(dá)到±0.5°，晶體的晶向?yàn)閇100]LX [OlOJffX [001]τ，然后把晶體切割成10X10X0.6mm的樣品。通過石蠟將定向切割好的晶體固定在平整的磨具表面，依次使用粒徑為10 μπι和5 μπι的剛玉粉在玻璃盤上進(jìn)行粗磨，在顯微鏡下進(jìn)行觀察，確保晶體表面沒有明顯的劃痕，然后使用1.5 μπι的剛玉粉在玻璃盤上進(jìn)行細(xì)磨，再次通過顯微鏡進(jìn)行觀察，直到單晶表面均勻、平整為止。最后對單晶進(jìn)行拋光，拋光之前對研磨后的磨具及單晶進(jìn)行超聲清洗，確保拋光的過程中沒有混入較大的剛玉顆粒。然后使用粒徑為0.25 μπι的金剛石懸浮液在拋光膠盤上對單晶表面進(jìn)行細(xì)致拋光，通過高倍光學(xué)顯微鏡觀察晶體表面直到滿足光學(xué)測試要求；
[0031]步驟B、在晶體上制備金電極，極化后在60_180°C之間測量其介電常數(shù)-溫度曲線。根據(jù)測量數(shù)據(jù)作單晶介溫曲線，如圖2所示，其四方向-立方相的相變轉(zhuǎn)換溫度Ττ_。=123。。(居里溫度TT_C)；
[0032]步驟C、米用偏光顯微鏡檢測晶體的電疇狀態(tài)，偏光顯微鏡的上偏光鏡和下偏光鏡呈正交配置下，如果一束自然光從下偏光鏡入射之后，將會(huì)轉(zhuǎn)化為P-P振動(dòng)方向的偏振光，當(dāng)顯微鏡的載物臺不放置任何晶體材料，偏振光透過空氣進(jìn)入上偏光鏡，在正交配置下，上偏光鏡的振動(dòng)方向A-A，所以只有A-A方向的偏振光才能通過，因此從下偏振光出來的P-P振動(dòng)方向的光都無法通過上偏光鏡，所以顯微鏡的視野里呈現(xiàn)黑暗狀態(tài)，即出現(xiàn)消光。在不同溫度下用偏光顯微鏡對樣品進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)溫度上升到123°C時(shí)消光，時(shí)晶體鐵電疇消失;
[0033]實(shí)現(xiàn)溫控步驟:鈦酸鋇晶體置于溫控箱內(nèi)，溫控箱上有透射率很高的光學(xué)窗口 ；激光器發(fā)出的激光能通過溫控箱的光學(xué)窗口和晶體到達(dá)激光接收器。光接收器接收到的光信號通過信號處理器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳入計(jì)算機(jī)，處理后的信號反饋到溫控箱，其中溫控箱中鈦酸鋇晶體所在位置的溫度即為溫控箱內(nèi)溫控裝置的工作溫度。當(dāng)溫控箱內(nèi)溫度到達(dá)或高于123°C時(shí)，晶體呈現(xiàn)順電相，晶體內(nèi)部沒有鐵電疇結(jié)構(gòu)的存在，當(dāng)光入射到晶體時(shí)不會(huì)發(fā)生疇壁對光的散射現(xiàn)象，故此時(shí)光學(xué)透過性能最好，其光學(xué)通過率在50%以上，此時(shí)光信號轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號到達(dá)計(jì)算機(jī)后產(chǎn)生的反饋信號作用于溫控箱里的溫控裝置，實(shí)現(xiàn)溫度降低和溫控箱工作狀態(tài)的關(guān)閉。當(dāng)溫控箱溫度降到123°C以下時(shí)晶體呈現(xiàn)鐵電相，晶體內(nèi)部的鐵電疇會(huì)散射入射到單晶的光，其光學(xué)透過率在50 %以下，即不到一半的光能通過晶體到達(dá)光接收器，此時(shí)光信號轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號到達(dá)計(jì)算機(jī)后產(chǎn)生的反饋信號作用于溫控箱里的溫控裝置，實(shí)現(xiàn)溫度升高和系統(tǒng)工作狀態(tài)的開啟。123°C以后光透射率大幅提升，如圖6所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置，其特征在于，該裝置包括激光器(I)、控溫裝置(2)、鐵電晶體(3)、光電探測器(4)、信號處理器(5)和計(jì)算機(jī)(6); 單晶體⑶置于控溫裝置⑵內(nèi)，控溫裝置⑵的相對的兩個(gè)側(cè)壁相對開有兩個(gè)透光孔，所述鐵電晶體(3)與兩個(gè)透光孔位于同一條直線上，光電探測器(4)和激光器(I)分別位于控溫裝置(2)的兩側(cè)，且激光器(I)的激光發(fā)射端口、鐵電晶體(3)和光電探測器(4)的感光面位于同一條直線上，光電探測器⑷的電信號輸出端連接信號處理器(5)的信號輸入端，信號處理器(5)的信號輸出端連接計(jì)算機(jī)(6)的光強(qiáng)信號輸入端，計(jì)算機(jī)(6)的控制信號輸出端連接控溫裝置(2)的溫控信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置，其特征在于，鐵電晶體(3)包括弛豫鐵電晶體和非弛豫鐵電晶體。
3.基于權(quán)利要求1所述的一種基于鐵電晶體相變特性的溫控裝置的溫控方法，其特征在于， 步驟一、對所采用的鐵電晶體(3)進(jìn)行電極制備和極化操作，并將極化后的鐵電晶體(3)放入溫度變化環(huán)境內(nèi)并繪制鐵電晶體(3)的介電常數(shù)-溫度曲線； 步驟二、將鐵電晶體(3)的介電常數(shù)-溫度曲線存入計(jì)算機(jī)(6)內(nèi)，將所采用的鐵電晶體(3)置于待溫控的裝置內(nèi)，采用激光器(I)向鐵電晶體(3)發(fā)射光束，采用光電探測器(4)采集經(jīng)過鐵電晶體(3)的光強(qiáng)信號，并將接收的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電信號后發(fā)送至信號處理器(5); 步驟三、信號處理器(5)將經(jīng)過處理后的信號發(fā)送至計(jì)算機(jī)￠)，計(jì)算機(jī)根據(jù)鐵電晶體(3)的介電常數(shù)-溫度曲線獲得當(dāng)前待溫控的裝置內(nèi)的溫度信息； 步驟四、計(jì)算機(jī)(6)根據(jù)溫度信息向控溫裝置(2)發(fā)送溫控信號，實(shí)現(xiàn)基于鐵電晶體相變特性的溫度控制。
【文檔編號】G05D23/27GK104460772SQ201410765392
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】吳豐民, 張景云, 陳春天, 賀訓(xùn)軍, 楊彬, 高敏, 姜久興, 孫恩偉, 曹文武 申請人:哈爾濱理工大學(xué)