本发明涉及剪切力检测装置领域，主要涉及一种基于荧光的剪切力探测器及系统。
背景技术：
剪切力是在一对相距很近，大小相同，指向相反的横向外力作用下，材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象。能够使材料产生剪切变形的力称为剪力或剪切力。发生剪切变形的截面称为剪切面。
现有技术中，对剪切力的测量主要是通过应变测量法完成对剪切力的测量，但该法仅适用于支座处局部应变便于测得的弹性杆件结构，测量器材包括：顶部荷载施加装置、应变片、导线、数据采集终端。应变片贴在支座处杆件的两侧，用导线连接到数据采集终端。第一步，标定得到应力应变曲线：对结构施加水平已知力，通过应变片测出支座处应力。采集若干组数据，拟合得出“水平力-应变”曲线。第二步，进行实际的动力试验，测出支座处应变，根据“水平力-应变”曲线反求水平力，即为该方向上的水平支座剪力。
但是上述方法较为复杂，并且通过“水平力-应变”曲线看图得到剪切力结果，精度不高，易存在一定人为误差。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于荧光的剪切力探测器及系统，以解决现有技术中上述方法较为复杂，并且通过“水平力-应变”曲线看图得到剪切力结果，精度不高，易存在一定人为误差的问题。
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，本申请提供一种基于荧光的剪切力探测器，剪切力探测器包括：衬底、弹性材料层、多个第一金属盘、多个第二金属盘和荧光分子；弹性材料层设置在衬底的一侧，弹性材料层上开设有多个垂直于衬底的孔洞，每个孔洞靠近衬底的一端设置有一个第一金属盘，孔洞的另一端设置有一个第二金属盘，每个孔洞中的第一金属盘和第二金属盘之间填充有荧光分子，且每个孔洞中第一金属盘和第二金属盘的中垂线为同一条直线，其中，弹性材料层的材料为弹性材料。
可选的，该剪切力探测器还包括二氧化硅层，二氧化硅层设置在弹性材料层远离衬底的一侧，并将荧光分子和第二金属盘进行隔离。
可选的，该剪切力探测器还包括二氧化硅层，二氧化硅层设置在弹性材料层远离衬底的一侧，并将孔洞中的第二金属盘和荧光分子覆盖。
可选的，该第二金属盘的形状为圆环形。
可选的，该第一金属盘和第二金属盘的形状为圆盘形，且第一金属盘和第二金属盘的圆心在同一条直线上。
可选的，该第二金属盘的直径小于第一金属盘的直径。
可选的，该第一金属盘和第二金属盘的材料均为贵金属材料。
可选的，该弹性材料层中孔洞的深度小于等于弹性材料层的厚度。
第二方面，本申请还提供一种基于荧光的剪切力探测系统，系统包括：光谱仪和第一方面任意一项的基于荧光的剪切力探测器，光谱仪用于检测剪切力探测器荧光分子所发出的荧光信号。
本发明的有益效果是：
本申请通过将弹性材料层设置在衬底的一侧，弹性材料层上开设有多个垂直于衬底的孔洞，每个孔洞靠近衬底的一端设置有一个第一金属盘，孔洞的另一端设置有一个第二金属盘，每个孔洞中的第一金属盘和第二金属盘之间填充有荧光分子，且每个孔洞中第一金属盘和第二金属盘的中垂线为同一条直线，其中，弹性材料层的材料为弹性材料，当对剪切力进行测量的时候，使用入射光沿该第二金属盘方向进行入射，该第一金属盘和第二金属盘之间产生手性电磁场，并将剪切力作用于垂直于该弹性材料层的孔洞方向的两侧，由于该弹性材料层的材料为弹性材料，则该弹性材料层在剪切力的作用下发生形变，即该孔洞均会发生垂直于孔洞中线方向的形变，该第一金属盘和第二金属盘之间的手性电磁场减弱，并且由于该孔洞中填充有应该分子，在手性电磁场减弱的情况下，该荧光分子产生的荧光信号也减弱，通过对该荧光信号减弱情况的检测，就可以计算得到该剪切力，本申请将对力的测量转化为对光学信号的检测，使得对剪切力的测量更加简单，准确。
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基于荧光的剪切力探测器的结构示意图；
图2为发明实施例提供的另一种基于荧光的剪切力探测器的结构示意图；
图3为发明实施例提供的一种基于荧光的剪切力探测器的波形图；
图4为发明实施例提供的另一种基于荧光的剪切力探测器的结构示意图。
图标：10-衬底；20-弹性材料层；30-第一金属盘；40-第二金属盘；50-荧光分子；60-二氧化硅层。
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基于荧光的剪切力探测器的结构示意图，如图1所示，本申请提供一种基于荧光的剪切力探测器，剪切力探测器包括：衬底10、弹性材料层20、多个第一金属盘30、多个第二金属盘40和荧光分子50；弹性材料层20设置在衬底10的一侧，弹性材料层20上开设有多个垂直于衬底10的孔洞，每个孔洞靠近衬底10的一端设置有一个第一金属盘30，孔洞的另一端设置有一个第二金属盘40，每个孔洞中的第一金属盘30和第二金属盘40之间填充有荧光分子50，且每个孔洞中第一金属盘30和第二金属盘40的中垂线为同一条直线，其中，弹性材料层20的材料为弹性材料。
该弹性材料层20设置在该衬底10上部，该弹性材料层20上开设多个孔洞，多个孔洞均垂直于该衬底10设置，该孔洞的数量和孔洞的分部位置根据实际需要而定在此不做具体限定，该孔洞的形状可以为圆柱形，也可以为棱柱形，相应的，该第二金属盘40的形状可以为圆形，也可以为方形，在此不做具体限定，一般的，该第二金属盘40的边长与该孔洞的横截面的周长相等，为了方便说明，在此以该孔洞为圆柱形孔洞，该第二金属盘40为圆盘，进行举例说明，该荧光分子50设置在该第一金属盘30和第二金属盘40之间，即在该孔洞的底部设置第二金属盘40，在该第二金属盘40上填充荧光分子50，在该荧光分子50上部设置第一金属盘30，当对剪切力进行测量的时候，使用入射光沿该第二金属盘40方向进行入射，该第一金属盘30和第二金属盘40之间产生手性电磁场，并将剪切力作用于垂直于该弹性材料层20的孔洞方向的两侧，由于该弹性材料层20的材料为弹性材料，则该弹性材料层20在剪切力的作用下发生形变，即该孔洞均会发生垂直于孔洞中线方向的形变，该第一金属盘30和第二金属盘40之间的手性电磁场减弱，并且由于该孔洞中填充有应该分子，在手性电磁场减弱的情况下，该荧光分子50产生的荧光信号也减弱，通过对该荧光信号减弱情况的检测，就可以计算得到该剪切力，本申请将对力的测量转化为对光学信号的检测，使得对剪切力的测量更加简单，准确，需要说明的是，该当该剪切力探测器的弹性材料层20受到剪切力的时候，该弹性材料层20会发生形变，即该弹性材料层20中的孔洞以及孔洞中的荧光分子50会发生偏移，该孔洞变成倾斜的孔洞，当未存在剪切力的时候，孔洞中第一金属盘30和第二金属盘40之间的手性磁场最大，荧光信号最强，此时，可以在剪切力探测器表面收集到最强的荧光信号，当该弹性材料层20两端存在剪切力的时候，该孔洞均会发生垂直于孔洞中线方向的形变，该第一金属盘30和第二金属盘40之间的手性电磁场减弱，并且由于该孔洞中填充有应该分子，在手性电磁场减弱的情况下，该荧光分子50产生的荧光信号也减弱，通过对该荧光信号减弱情况的检测，就可以计算得到该剪切力；另外，当存在剪切力的时候，弹性材料层20中的孔洞倾斜，可以阻挡一部分荧光的传播，进一步的似的荧光信号减弱，进而使得荧光信号对剪切力的变化更加敏感。
图2为发明实施例提供的另一种基于荧光的剪切力探测器的结构示意图，如图2所示，可选的，该剪切力探测器还包括二氧化硅层60，二氧化硅层60设置在弹性材料层20远离衬底10的一侧，并将荧光分子50和第二金属盘40进行隔离。
该二氧化硅层60设置在弹性材料层20远离衬底10的一侧，并将荧光分子50和第二金属盘40进行隔离，不仅使用该二氧化硅层60将荧光分子50进行包裹，使得该荧光分子50不受外界环境的污染，并且该二氧化硅层60限制了手性电磁场的发散，更加有利在该孔洞第一金属盘30和第二金属盘40之间产生更强的手性电磁场。
图3为发明实施例提供的一种基于荧光的剪切力探测器的波形图，如图3所示，在实际应用中，使用计算机模拟第一金属盘30和第二金属盘40分别设置在该二氧化硅层60两侧的手性电磁场，为了方便说明，在此将第一金属盘30和第二金属盘40的厚度设置为40纳米，半径均设置为100纳米，第一金属盘30和第二金属盘40之间的距离设置为200nm，由图可知，手性电磁场的强度在820纳米的波长处达到最大值0.93，当在该剪切力探测器上施加剪切力时，假设该剪切力使得相应的该第一金属盘30和第二金属盘40之间产生了一定的角度，该角度为30度时，在820纳米处的手性电磁场大幅度减小至0.13。由此可见，手性场的大小非常的依赖于两个金属盘之间的相对倾斜角度，因此，本申请中的基于手性电磁场对于倾斜角度的敏感特性，即该剪切力探测器对剪切力的测量灵敏度较高。
图4为发明实施例提供的另一种基于荧光的剪切力探测器的结构示意图，如图4所示，可选的，该剪切力探测器还包括二氧化硅层60，二氧化硅层60设置在弹性材料层20远离衬底10的一侧，并将孔洞中的第二金属盘40和荧光分子50覆盖。
氧化硅层设置在弹性材料层20远离衬底10的一侧，并将孔洞中的第二金属盘40和荧光分子50覆盖，不仅使用该二氧化硅层60将荧光分子50进行包裹，使得该荧光分子50不受外界环境的污染，并且可以将荧光分子50产生的荧光信号进行吸收，并限制在该二氧化硅层60的下方，更加有利在该孔洞第一金属盘30和第二金属盘40之间产生更强的手性电磁场。
可选的，该第二金属盘40的形状为圆环形。
圆环形的第二金属盘40有利于光进入圆孔，将更多的光耦合进入弹性材料层20中的孔洞，并且激发底部第一金属盘30的振动。
可选的，该第一金属盘30和第二金属盘40的形状为圆盘形，且第一金属盘30和第二金属盘40的圆心在同一条直线上。
可选的，该第二金属盘40的直径小于第一金属盘30的直径。
第二金属盘40的直径小于第一金属盘30的直径，圆有利于光通过该第一金属盘30进入圆孔，将更多的光耦合进入弹性材料层20中的孔洞，并且激发底部第一金属盘30的振动。
可选的，该第一金属盘30和第二金属盘40的材料均为贵金属材料。
该第一金属盘30和第二金属盘40的材料可以为金、还可以为银，还可以为多种贵金属组合形成的混合金属，在此在不做具体限定，若该第一金属盘30和第二金属盘40为多种贵金属组成的混合贵金属，则混合贵金属比例不做具体限定。
可选的，该弹性材料层20中孔洞的深度小于等于弹性材料层20的厚度。
该弹性材料层20中的孔洞可以将该弹性材料层20贯穿，也可以只深入该弹性材料层20的一部分，该孔洞的深度根据实际需要进行选择，在此不做具体限定。
本申请通过将弹性材料层20设置在衬底10的一侧，弹性材料层20上开设有多个垂直于衬底10的孔洞，每个孔洞靠近衬底10的一端设置有一个第一金属盘30，孔洞的另一端设置有一个第二金属盘40，每个孔洞中的第一金属盘30和第二金属盘40之间填充有荧光分子50，且每个孔洞中第一金属盘30和第二金属盘40的中垂线为同一条直线，其中，弹性材料层20的材料为弹性材料，当对剪切力进行测量的时候，使用入射光沿该第二金属盘40方向进行入射，该第一金属盘30和第二金属盘40之间产生手性电磁场，并将剪切力作用于垂直于该弹性材料层20的孔洞方向的两侧，由于该弹性材料层20的材料为弹性材料，则该弹性材料层20在剪切力的作用下发生形变，即该孔洞均会发生垂直于孔洞中线方向的形变，该第一金属盘30和第二金属盘40之间的手性电磁场减弱，并且由于该孔洞中填充有应该分子，在手性电磁场减弱的情况下，该荧光分子50产生的荧光信号也减弱，通过对该荧光信号减弱情况的检测，就可以计算得到该剪切力，本申请将对力的测量转化为对光学信号的检测，使得对剪切力的测量更加简单，准确。
本申请还提供一种基于荧光的剪切力探测系统，系统包括：光谱仪和上述任意一项的基于荧光的剪切力探测器，光谱仪用于检测剪切力探测器荧光分子50所发出的荧光信号。
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。
1.一种基于荧光的剪切力探测器，其特征在于，所述剪切力探测器包括：衬底、弹性材料层、多个第一金属盘、多个第二金属盘和荧光分子；所述弹性材料层设置在所述衬底的一侧，所述弹性材料层上开设有多个垂直于所述衬底的孔洞，每个所述孔洞靠近所述衬底的一端设置有一个所述第一金属盘，所述孔洞的另一端设置有一个所述第二金属盘，每个所述孔洞中的所述第一金属盘和所述第二金属盘之间填充有所述荧光分子，且每个所述孔洞中所述第一金属盘和所述第二金属盘的中垂线为同一条直线，其中，所述弹性材料层的材料为弹性材料。
2.根据权利要求1所述的基于荧光的剪切力探测器，其特征在于，所述剪切力探测器还包括二氧化硅层，所述二氧化硅层设置在所述弹性材料层远离所述衬底的一侧，并将所述荧光分子和所述第二金属盘进行隔离。
3.根据权利要求1所述的基于荧光的剪切力探测器，其特征在于，所述剪切力探测器还包括二氧化硅层，所述二氧化硅层设置在所述弹性材料层远离所述衬底的一侧，并将所述孔洞中的所述第二金属盘和所述荧光分子覆盖。
4.根据权利要求3所述的基于荧光的剪切力探测器，其特征在于，所述第二金属盘的形状为圆环形。
5.根据权利要求1所述的基于荧光的剪切力探测器，其特征在于，所述第一金属盘和所述第二金属盘的形状为圆盘形，且所述第一金属盘和所述第二金属盘的圆心在同一条直线上。
6.根据权利要求1所述的基于荧光的剪切力探测器，其特征在于，所述第二金属盘的直径小于所述第一金属盘的直径。
7.根据权利要求1所述的基于荧光的剪切力探测器，其特征在于，所述第一金属盘和所述第二金属盘的材料均为贵金属材料。
8.根据权利要求7所述的基于荧光的剪切力探测器，其特征在于，所述弹性材料层中所述孔洞的深度小于等于所述弹性材料层的厚度。
9.一种基于荧光的剪切力探测系统，其特征在于，所述系统包括：光谱仪和权利要求1-8任意一项所述的基于荧光的剪切力探测器，所述光谱仪用于检测所述剪切力探测器荧光分子所发出的荧光信号。
技术总结