一种超材料温度感知传感器、制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种超材料温度感知传感器，包括基底以及附着在基底上的超材料结构，超材料结构包括纳米孔状框架层以及嵌入至纳米孔内的纳米感知材料，纳米感知材料的反射特征峰与温度具有对应关系。本发明还公开了相应的制备方法，包括：S01、制备纳米孔状框架层：在基底上溅射一层金属铝或者金属钛，在反应溶液内进行电化学阳极氧化还原反应，生成具有规则排列结构的纳米孔状框架层；S02、在纳米孔内沉积形成纳米感知材料。本发明还公开了一种受电弓温度检测装置，包括信号发射器、信号接收器和如上所述的超材料温度感知传感器，超材料温度感知传感器安装于受电弓上。本发明的传感器及装置均具有结构简单、响应度高、可靠性高且成本低等优点。

权利要求

1.一种超材料温度感知传感器，其特征在于，包括基底(3)以及附着在基底(3)上的超材料结构，所述超材料结构包括纳米孔状框架层(1)以及嵌入至纳米孔内的纳米感知材料(2)，所述纳米感知材料(2)在可见光范围下的反射特征峰与温度具有对应关系；

所述纳米孔状框架层(1)的纳米孔的孔径大小在预设范围内，以保证嵌入至纳米孔内的纳米感知材料(2)的尺寸在可见光范围内对不同波长有吸收和反射效应；

各纳米孔呈多排平行布置，相邻各排之间的纳米孔错位布置；

其中纳米感知材料(2)对某些波长的可见光有吸收效应，反之对其余波长的可见光不吸收，表现在反射光谱上即为明显的反射特征峰；反射特征峰可由以下公式得出：其中ε1，ε2分别为纳米感知材料(2)介电常数的实部和虚部，εm为纳米孔状框架材料的介电常数，Yi为纳米感知材料(2)的形状因子，即为纳米感知材料(2)的长轴尺寸与短轴尺寸的比值；根据以上公式，特征峰出现在满足ε1＝‑Yiεm的条件下；

其中纳米感知材料(2)的光学性能，与可见光的吸收和反射相关的相对介电常数受温度的影响可以遵循以下公式得出：

其中ω为可见光波的角频率，ε∞为与纳米感知材料(2)有关的高频介电常数，ωp(T)为在T温度下纳米感知材料(2)的等离子体频率，ωc(T)为在T温度下纳米感知材料(2)的电子散射频率，温度的变化会影响纳米感知材料(2)的介电常数，从而影响纳米感知材料(2)对可见光的吸收和反射；

在考虑单一变量影响的情况下，当温度发生变化时，纳米感知材料(2)的介电常数发生变化，导致反射特征峰的波长或者反射强度随即发生改变，通过精确实时感知反射特征峰的变化就能解算其温度信息，从而实现实时温度变化的监测。

2.根据权利要求1所述的超材料温度感知传感器，其特征在于，所述基底(3)由氧化铝陶瓷或蓝宝石或石英或镁铝尖晶石制备得到。

3.一种如权利要求1至2中任意一项所述的超材料温度感知传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01、制备纳米孔状框架层(1)：在基底(3)上溅射一层金属铝或者金属钛，利用电化学阳极氧化还原反应，将溅射有金属铝或者金属钛的基底(3)作为阳极，金属铝片作为阴极，在反应溶液内进行反应，金属铝或者金属钛反应生成具有规则排列结构的纳米孔状氧化铝或者氧化钛，即纳米孔状框架层(1)；

S02、在纳米孔状框架层(1)的纳米孔内沉积钠米金属以形成纳米感知材料(2)。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S02的具体过程为：在纳米孔状框架层(1)上放置网版，然后采用丝网印刷纳米金属浆料，使纳米金属浆料流入纳米孔内，再阴干及梯度烧结，使得纳米孔内沉积纳米金属以形成纳米感知材料(2)。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S02的具体过程为：采用纳米金属原位生长的方法，通过在纳米孔内沉积金属粒子作为原位生长点，将纳米孔状框架层(1)放入含有待沉积纳米金属离子的反应液中，在纳米孔内沉积纳米金属以形成纳米感知材料(2)。

6.根据权利要求3至5中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述纳米金属包括金、银、铂、钯中的一种或多种纳米金属形成的合金。

7.一种受电弓温度检测装置，其特征在于，包括信号发射器(4)、信号接收器(5)和如权利要求1至2中任意一项所述的超材料温度感知传感器，所述超材料温度感知传感器安装于所述受电弓上，所述信号发射器(4)用于向所述超材料温度感知传感器发射可见光，所述信号接收器(5)用于接收经所述超材料温度感知传感器反射的反射光，分析得到反射特征峰的波长或者反射强度，从而得到对应的受电弓的温度。

8.根据权利要求7所述的受电弓温度检测装置，其特征在于，所述信号发射器(4)与信号接收器(5)以相同角度对称分布在超材料温度感知传感器的两侧以保证光路的耦合。

9.根据权利要求7或8所述的受电弓温度检测装置，其特征在于，所述信号发射器(4)为可见光源，所述信号接收器(5)为光谱分析仪。

说明书

一种超材料温度感知传感器、制备方法及其应用

技术领域

[0001] 本发明主要涉及温度测量技术领域，特指一种超材料温度感知传感器、制备方法及其应用。

背景技术

[0002] 轨道交通车辆的消防安全和可靠运行保障具有非常重要的现实意义。然而，轨道交通车辆在运行过程中存在诸多可能因温度过高而影响列车安全的潜在因素。例如，机车
受电弓是目前国内轨道交通车辆(高铁、机车及地铁)普遍采用的一种受流装置。一般的弓
网问题主要包括受电弓滑板偏磨、螺钉松脱、弓网燃弧故障等，由于大电流的供电特性，弓
网故障可能出现接触线烧断和受电弓断裂，同时温度工作在100℃以上，导致车辆供电系统
跳闸和车辆损坏，并直接造成运营中断，后果非常严重。上述弓网故障都以过热方式体现。
因此，实时在线监测列车运行情况下的弓网温度，确保列车安全稳定运行具有重要的意义。

[0003] 目前对弓网温度进行监测有如下手段：人工检测，依赖于供电网出厂和安装环节的检测和人工登顶检查受电弓、接触网磨耗和异常，这种方式不仅工作效率低、安全性较
差、强度大，作业时干扰行车，且无法实现实时检测；红外热成像检测，依赖于高速红外摄像
机检测弓网线夹的温度情况，但是此种方式易受检测位置环境影响，比如在检测过程中，强
阳光进入现场时，将在图像上形成一个温度很大的光斑，引起系统误判，而且在冰雹、雨雪
等恶劣环境下，温度的监测会受到严重影响；视频监控也被采用于在线监测系统，通过高速
摄像头对弓网接触进行拍摄，然后通过图像处理的方法进行故障识别与状态分析，但此方
法也易受天气和环境影响，且成本高昂。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、温度检测实时性好的超材料温度感知传感器，并相应提供一种操作简便的制
备方法及结构简单、响应度高、可靠性高且成本低的受电弓温度检测装置。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

[0006] 一种超材料温度感知传感器，包括基底以及附着在基底上的超材料结构，所述超材料结构包括纳米孔状框架层以及嵌入至纳米孔内的纳米感知材料，所述纳米感知材料的
反射特征峰与温度具有对应关系。

[0007] 作为上述技术方案的进一步改进：

[0008] 所述基底由氧化铝陶瓷或蓝宝石或石英或镁铝尖晶石制备得到。

[0009] 所述纳米孔状框架层的纳米孔的孔径大小在预设范围内，以保证嵌入至纳米孔内的纳米感知材料的尺寸在可见光范围内对不同波长有吸收和反射效应。

[0010] 本发明还公开了一种如上所述的超材料温度感知传感器的制备方法，包括以下步骤：

[0011] S01、制备纳米孔状框架层：在基底上溅射一层金属铝或者金属钛，利用电化学阳极氧化还原反应，将溅射有金属铝或者金属钛的基底作为阳极，金属铝片作为阴极，在反应
溶液内进行反应，金属铝或者金属钛反应生成具有规则排列结构的纳米孔状氧化铝或者氧
化钛，即纳米孔状框架层；

[0012] S02、在纳米孔状框架层的纳米孔内沉积钠米金属以形成纳米感知材料。

[0013] 作为上述技术方案的进一步改进：

[0014] 所述步骤S02的具体过程为：在纳米孔状框架层上放置网版，然后采用丝网印刷纳米金属浆料，使纳米金属浆料流入纳米孔内，再阴干及梯度烧结，使得纳米孔内沉积纳米金
属以形成纳米感知材料。

[0015] 所述步骤S02的具体过程为：采用纳米金属原位生长的方法，通过在纳米孔内沉积金属粒子作为原位生长点，将纳米孔状框架层放入含有待沉积纳米金属离子的反应液中，
在纳米孔内沉积纳米金属以形成纳米感知材料。

[0016] 所述纳米金属包括金、银、铂、钯中的一种或多种纳米金属形成的合金。

[0017] 本发明进一步公开了一种受电弓温度检测装置，包括信号发射器、信号接收器和如上所述的超材料温度感知传感器，所述超材料温度感知传感器安装于所述受电弓上，所
述信号发射器用于向所述超材料温度感知传感器发射可见光，所述信号接收器用于接收经
所述超材料温度感知传感器反射的反射光，分析得到反射特征峰的波长或者反射强度，从
而得到对应的受电弓的温度。

[0018] 作为上述技术方案的进一步改进：

[0019] 所述信号发射器与信号接收器以相同角度对称分布在超材料温度感知传感器的两侧以保证光路的耦合。

[0020] 所述信号发射器为可见光源，所述信号接收器为光谱分析仪。

[0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0022] 本发明的超材料温度感知传感器及制备方法，通过纳米感知材料的反射特征峰与温度具有对应关系这一特性，在温度发生变化时，通过感知反射特征峰的变化，就能得到对
应的温度信息；由于纳米感知材料的反射特征峰对温度敏感，从而能够及时得到温度值；另
外纳米感知材料嵌入至纳米孔状框架层内的纳米孔内，其对温度的耐受性高；整体结构简
单、制备过程易于实现。

[0023] 本发明的受电弓温度检测装置，应用如上所述的超材料温度感知传感器，通过发射可见光并接收反射光进行分析的方式进行温度的测量，由于光传输速度快、以及纳米感
知材料的如介电常数对环境温度变化敏感，从而保证温度测量的实时性；另外也可以避免
受电弓中的电磁影响，同时也能避免因天气和环境变化引起的系统误判，可靠性高；整体结
构简单、成本低。

附图说明

[0024] 图1为本发明的传感器在实施例中的主视图。

[0025] 图2为图1的A‑A视图。

[0026] 图3为本发明的传感器在具体应用实施例的结构图。

[0027] 图4为本发明在不同温度下的特征峰曲线图。

[0028] 图中标号表示：1、纳米孔状框架层；2、纳米感知材料；3、基底；4、信号发射器；5、信号接收器。

具体实施方式

[0029] 以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

[0030] 如图1和图2所示，本实施例的超材料温度感知传感器，包括基底3以及附着在基底3上的超材料结构，超材料结构包括纳米孔状框架层1以及嵌入至纳米孔内的纳米感知材料
2，纳米感知材料2的反射特征峰与温度具有对应关系。

[0031] 本实施例中，基底3用于为超材料结构提供支撑载体，可由氧化铝陶瓷或蓝宝石或石英或镁铝尖晶石中的一种制备得到；同时针对纳米感知材料2的不同，需要选择与纳米感
知材料2有相近热膨胀系数的平面基底3材料。

[0032] 本实施例中，纳米孔状框架层1的纳米孔的孔径大小需要保证嵌入至纳米孔内的纳米感知材料2的尺寸在可见光范围内对不同波长有吸收和反射效应，优选为10‑500nm。在
其它实施例中，根据实际情况进行孔径的选择。另外，各纳米孔上规则排列的，如图1所示，
各纳米孔呈多排平行布置，相邻各排之间的纳米孔错位布置；上述结构的纳米孔状框架层1
能够提高纳米感知材料2对环境的耐受性。

[0033] 本实施例中，纳米感知材料2对某些波长的可见光有吸收效应，反之对其余波长的可见光不吸收，表现在反射光谱上即为明显的反射特征峰。反射特征峰可由以下公式得出：

[0034]

[0035] 其中ε1，ε2分别为纳米感知材料2介电常数的实部和虚部，εm为纳米孔状框架材料的介电常数，Yi为纳米感知材料2的形状因子(即为纳米感知材料2的长轴尺寸与短轴尺寸
的比值)。根据以上公式，特征峰出现在满足ε1＝‑Yiεm的条件下；

[0036] 其中纳米感知材料2的光学性能，比如与可见光的吸收和反射相关的相对介电常数受温度的影响可以遵循以下公式得出：

[0037]

[0038] 其中ω为可见光波的角频率，ε∞为与纳米感知材料2有关的高频介电常数，ωp(T)为在T温度下纳米感知材料2的等离子体频率，ωc(T)为在T温度下纳米感知材料2的电子散
射频率，受电弓温度的变化会影响纳米感知材料2的介电常数，从而影响纳米感知材料2对
可见光的吸收和反射。

[0039] 在考虑单一变量影响的情况下，当温度发生变化时，纳米感知材料2的介电常数发生变化，导致反射特征峰的波长或者反射强度随即发生改变，通过精确实时感知反射特征
峰的变化就能解算其温度信息，通过合理设计可以实现线性的温度与反射特征峰的关系，
从而实现实时温度变化的监测。

[0040] 具体地，以上述两项公式为依据，通过在Lumerical FDTD软件进行时域有限差分法数值模拟，可以得到在不同温度条件下，超材料温度感知传感器在可见光范围内(450–
800nm)的透射光谱，如下图所示，随着温度从室温升高到700℃，透射光谱的特征峰从529nm
增大到539nm。其中图4中虚线位置对应的曲线对应的温度从下至上依次为室温(25℃)、100
℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃。

[0041] 本发明的超材料温度感知传感器，通过纳米感知材料2的反射特征峰与温度具有对应关系这一特性，在温度发生变化时，通过感知反射特征峰的变化，就能得到对应的温度
信息；纳米感知材料2嵌入至纳米孔状框架层1内的纳米孔内，其对温度的耐受性高；另外整
体结构简单。

[0042] 本发明还相应公开了一种如上所述的超材料温度感知传感器的制备方法，包括以下步骤：

[0043] S01、制备纳米孔状框架层1：在基底3上溅射一层金属铝或者金属钛，利用电化学阳极氧化还原反应，将溅射有金属铝或者金属钛的基底3作为反应的阳极，金属铝片作为反
应的阴极，在反应溶液(如稀硫酸、稀磷酸、稀草酸或者氢氧化钠等)内进行反应，金属铝或
者金属钛反应生成具有规则排列结构的纳米孔状氧化铝或者氧化钛，即纳米孔状框架层1；

[0044] S02、在纳米孔状框架层1的纳米孔内沉积钠米金属以形成纳米感知材料2。

[0045] 本实施例中，步骤S02的具体过程为：在纳米孔状框架层1上放置网版，然后采用丝网印刷纳米金属浆料使其流入纳米孔内，阴干，再放入高温烧结炉中梯度烧结，使得纳米孔
内沉积纳米金属以形成纳米感知材料2。在其它实施例中，也可以采用纳米金属原位生长的
方法，通过在纳米孔内沉积金属粒子作为原位生长点，将纳米孔状框架层1放入含有待沉积
纳米金属离子的反应液中，在纳米孔内沉积纳米金属离子以形成纳米感知材料2。上述形成
的纳米感知材料2对某些波长的可见光有吸收效应，反之对其余波长的可见光不吸收，表现
在反射光谱上即为明显的反射特征峰。另外，纳米金属采用金、银、铂、钯等纳米金属中的一
种或者多种纳米金属形成的合金(如银钯合金)。

[0046] 上述超材料温度感知传感器的制备方法，制备简单。

[0047] 通过上述超材料温度感知传感器中纳米感知材料2的特性，将其应用于受电弓的温度测量中，形成受电弓温度检测装置，具体包括信号发射器4、信号接收器5和如上所述的
超材料温度感知传感器，超材料温度感知传感器安装于(通过基底3牢靠粘附)受电弓表面，
信号发射器4和信号接收器5安装在列车顶部，信号发射器4用于向超材料温度感知传感器
发射可见光，信号接收器5用于接收经超材料温度感知传感器的反射光，分析得到反射特征
峰的波长或者反射强度，从而得到对应的受电弓的温度。由于纳米感知材料2的光学性能
(如介电常数)对环境温度变化敏感，当受电弓温度发生变化时，纳米感知材料2的介电常数
发生变化，导致反射特征峰的波长或者反射强度随即发生改变，通过温度与反射特征峰的
对应关系，可以实现实时监测受电弓的温度变化。

[0048] 本发明的受电弓温度检测装置，应用如上所述的超材料温度感知传感器，通过发射可见光并接收反射光进行分析的方式进行温度的测量，由于光传输速度快、以及纳米感
知材料2的如介电常数对环境温度变化敏感，从而保证温度测量的实时性；另外也可以避免
受电弓中的电磁影响，同时也能避免因天气和环境变化引起的系统误判；整体结构简单、成
本低。

[0049] 如图3所示，本实施例中，超材料温度感知传感器在受电弓的安装位置需要处于可见光的传播路径上，同时，需要保证可见光与超材料温度感知传感器的平面法线方向呈特
定角度入射，反射信号以同样角度返回到信号接收器5，因此要求信号发射器4与信号接收
器5以相同角度对称分布在超材料温度感知传感器的两侧以保证光路的耦合。其中信号发
射器4为发射可见光的可见光源，信号接收器5为光谱分析仪，结构简单、易于实现。

[0050] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对
本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是
未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、
等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。