CN109100064A - 基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器，涉及光纤耦合应用传感器领域，该传感器主要包括POF光纤、弹性透明硅脂和柔性LED灯带，所述POF光纤镶嵌于弹性透明硅脂的顶部，所述柔性LED灯带位于弹性透明硅脂的底部，所述柔性LED灯带的LED灯面正对POF光纤，所述POF光纤底部与柔性LED灯带上每个LED灯正对的位置均设置有缺陷结构，所述POF光纤左侧连接有后向探测器，右侧连接有前向探测器。光纤分布式压力传感器集传感和传输于一体，除掉反射端和接收端，只需要一根对测量场增敏的光纤布设于测量场中，极大的降低了分布式压力的测量难度，且结构简单易安装，灵活性很高，响应速度快，定位精度高。
Description
技术领域
本发明涉及光纤耦合应用传感器领域，具体为一种基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器，适用于利用光纤测试压力参数，并将压力信号转换成光信号用光纤传输。
背景技术
20世纪80年代开始对监测接触点和区域，接触面形状，压力分布的触觉阵列进行研究，90年代发展为高密度多阵列，同时柔性材料也成为重要的研究方面。Dargahi等利用硅条和 PVDF 膜构成的夹层构造研制了一种用于腹腔镜外科的微加工压电触觉传感器。Gray 等用表面微机械加工技术研究了具有高分辨率的微触觉传感器阵列。Harris 等对富士测压薄膜（Fuji pressure sensitive film）进行了研究。
国内的分布式压力测试研究开始较迟，当前主要的测量方式分为以下几种：布里渊频移测压方式，其优点能将温度和压力参数区分开，但是其护套材料物理稳定性不够优良，选用的光纤的灵敏度系数不具有很大的差异化，没能在更大程度上提高传感精度和发挥该技术的优势；新型微纳结构的柔性压力传感器，通过无机半导体材料柔性压力传感器中的拱形波浪结构，巧妙地基于氧化硅材料实现了抗柔性应变的压力测量单元，可是因为结构组装很复杂，极大限制了使用的灵活性；以 PET/ ITO柔性电极材料为衬底，炭黑/硅橡胶复合材料为敏感材料，制作全柔性压力传感器，由于条件有限，无法光刻大面积的电极衬底，致使大面积的传感阵列无法制作；三角形压力阵列，并将其封装至聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，构成人工皮肤结构单元，相比于高密度阵列来说，该阵列计算量小，结构简单，响应速度快，但该柔性圧力感知阵列能够检测位于压力阵列上单点压力的位置与大小，当施加在阵列上的压力不是单点力而是一个区域时，利用该算法便难以计算出该区域的形状及位置了；因此需要一种精度高、灵敏度高、抗干扰能力强的压力传感器。
发明内容
本发明为了解决现有压力传感器上述各种问题，提供了一种基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器，包括POF光纤、弹性透明硅脂和柔性LED灯带，所述POF光纤镶嵌于弹性透明硅脂的顶部，所述柔性LED灯带位于弹性透明硅脂的底部，所述柔性LED灯带的LED灯面正对POF光纤，所述POF光纤底部与柔性LED灯带上每个LED灯正对的位置均设置有缺陷结构，所述POF光纤左侧连接有后向探测器，右侧连接有前向探测器。
本发明利用了POF光纤传输光信号的优点，通过在光纤上加工结构来将压力转换成光信号来测量压力的变化，最大情况保证压力转换成光信号后可以快速被识别出来。基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器主要包括POF光纤、弹性透明硅脂和柔性LED灯带，POF光纤可以前后双向传输光强，弹性透明硅脂有弹性和透明的特征，可以被挤压和透光，柔性LED灯带为光源。POF光纤镶嵌于弹性透明硅脂的顶部，柔性LED灯带位于弹性透明硅脂的底部，且其LED灯面正对POF光纤，并在POF光纤底部与柔性LED灯带上每个LED灯正对的位置均设置有缺陷结构，该缺陷结构可以耦合入LED灯的光，利用弹性透明硅脂的弹性及其导透光性，弹性透明硅脂可以被挤压，同时透明的特性可以使LED灯发出的光耦合入POF光纤，当未受到压力时，弹性透明硅脂未被挤压，LED光少量耦合入POF光纤，而当受到压力时，弹性透明硅脂被挤压，同时LED灯发出的光大量耦合入POF光纤，POF光纤左侧连接有后向探测器，右侧连接有前向探测器，两端的探测器可以探知POF两端光强的变化，从而得出是否压力发生变化以及压力发生变化的位置；由于柔性LED灯带的LED灯按序排列，因此缺陷结构也为按序排列，使得整个装置成为分布式压力传感器，即可以检测多个位置的压力变化。
本发明所提供的基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器的压力检测方法，包括如下步骤：
（1）使分布式压力传感器的柔性LED灯带背面与所测承载物件紧密接触，初始状态下，LED灯与POF光纤之间的距离为h，使柔性LED灯带从左到右按序扫描，即从左到右按序发亮，少量的光从缺陷结构耦合进入POF光纤；
（2）观测POF光纤右侧的前向探测器和左侧的后向探测器，同时结合LED扫描时序，进行分析：当出现所测承载物件一点处压力增大时，所测承载物件压迫柔性LED灯带，由于弹性透明硅脂的柔性，使该处的LED灯与POF光纤之间的距离h变小，使大量的光耦合入POF光纤，压力增大的点的脉冲输出发生突变，实现实时测量，即前向探测器和后向探测器的响应发生突变；再结合柔性LED灯带的扫描时序，确定具体的第几个脉冲发生突变，即可得知压力增大的发生与发生的精确位置，距离改变时，缺陷结构处耦合到的光强大小会发生改变，使向前与向后的光强突然改变，会产生一个输出光的突然增强信号，与不受外部压力时的输出光信号形成相对明显的区分，从而实现将压力信号转变为光信号实现压力测量。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：光纤分布式压力传感器集传感和传输于一体，除掉反射端和接收端，只需要一根对测量场增敏的光纤布设于测量场中，轻巧方便。比如地震勘探时，用一根光纤覆设于接收平台即可完成地震波信号的探测和传输。分布式压力光纤传感器具有代替传统探测器的可行性以及其轻便、抗干扰能力强 、精度高、采样率高的优点。利用光纤的优势，极大的降低了分布式压力的测量难度，且结构简单易安装，灵活性很高，响应速度快。
附图说明
图1为本发明的结构主视图。
图2为图1中A-A处的截面图。
图3为本发明的结构俯视图。
图4为本发明未受到外部压力的光路图。
图5为本发明受到外部压力的光路图。
图6为本发明受到外部压力时前向探测器收集的光功率。
图7为本发明受到外部压力时后向探测器收集的光功率。
图8为本发明压力与光强的变化拟合图。
图中标记如下：
1-POF光纤，2-缺陷结构，3-弹性透明硅脂，4-柔性LED灯带，5-后向探测器，6-前向探测器，7-LED灯。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器，如图1、图2和图3所示，包括POF光纤1、弹性透明硅脂3和柔性LED灯带4，所述POF光纤1镶嵌于弹性透明硅脂3的顶部，所述柔性LED灯带4位于弹性透明硅脂3的底部，所述柔性LED灯带4的LED灯面正对POF光纤1，所述POF光纤1底部与柔性LED灯带4上每个LED灯7正对的位置均设置有缺陷结构2，所述POF光纤1左侧连接有后向探测器5，右侧连接有前向探测器6。
本实施例中，所述缺陷结构2为双微型三角缺陷结构；所述前向探测器6和后向探测器5均为光功率计。
本实施例具体操作为：包括如下步骤：
（1）使分布式压力传感器的柔性LED灯带4背面与所测承载物件紧密接触，初始状态下，LED灯7与POF光纤1之间的距离为h，使柔性LED灯带4从左到右按序扫描，即从左到右按序发亮，少量的光从缺陷结构2耦合进入POF光纤1，如图4所示，产生了向前与向后的光的传输；
（2）观测POF光纤1右侧的前向探测器6和左侧的后向探测器5，同时结合LED扫描时序，进行分析：当出现所测承载物件一点处压力增大时，所测承载物件压迫柔性LED灯带4，由于弹性透明硅脂3的柔性，使该处的LED灯7与POF光纤1之间的距离h变小，使大量的光耦合入POF光纤1，压力增大的点的脉冲输出发生突变，实现实时测量，即前向探测器6和后向探测器5的响应发生突变；再结合柔性LED灯带的扫描时序，确定具体的第几个脉冲发生突变，即可得知压力增大的发生与发生的精确位置，如图5所示，与图4形成对比，h改变成为h1，距离改变时，缺陷结构处耦合到的光强大小会发生改变，使向前与向后的光强突然改变，会产生一个输出光的突然增强信号，与不受外部压力时的输出光信号形成相对明显的区分，从而实现将压力信号转变为光信号实现压力测量。
为了更加清楚的展示分布式光纤压力传感器的功能，如图6、图7中的第一个周期的柱状图所示，当第二个周期来时，在第6个缺陷处施加35N的力后，前向与后向收集的光功率就会有一个明显的变化。
图8是给六个缺陷结构位置中的每个缺陷分别施加不同的力后，探测器所收集到的光功率，上图是六个点位受力与光强变化的拟合图，表示了压力信号可以转化为光信号，从而实现光测压的目的；全分布式光纤压力传感器的目的是测量压力的具体分布，根据POF光纤的性能优势，结合我们的构想，完全可以实现点位分布式压力的测量。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器，其特征在于：包括POF光纤（1）、弹性透明硅脂（3）和柔性LED灯带（4），所述POF光纤（1）镶嵌于弹性透明硅脂（3）的顶部，所述柔性LED灯带（4）位于弹性透明硅脂（3）的底部，所述柔性LED灯带（4）的LED灯面正对POF光纤（1），所述POF光纤（1）底部与柔性LED灯带（4）上每个LED灯（7）正对的位置均设置有缺陷结构（2），所述POF光纤（1）左侧连接有后向探测器（5），右侧连接有前向探测器（6）。
2.根据权利要求1所述的基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器，其特征在于：所述缺陷结构（2）为双微型三角缺陷结构。
3.根据权利要求1所述的基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器，其特征在于：所述前向探测器（6）和后向探测器（5）均为光功率计。
4.权利要求1所述的基于垂直耦合光栅的光纤准分布式压力传感器的压力检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）使分布式压力传感器的柔性LED灯带（4）背面与所测承载物件紧密接触，初始状态下，LED灯（7）与POF光纤（1）之间的距离为h，使柔性LED灯带（4）从左到右按序扫描，即从左到右按序发亮，少量的光从缺陷结构（2）耦合进入POF光纤（1）；
（2）观测POF光纤（1）右侧的前向探测器（6）和左侧的后向探测器（5），同时结合LED扫描时序，进行分析：当出现所测承载物件一点处压力增大时，所测承载物件压迫柔性LED灯带（4），由于弹性透明硅脂（3）的柔性，使该处的LED灯（7）与POF光纤（1）之间的距离h变小，使大量的光耦合入POF光纤（1），压力增大的点的脉冲输出发生突变，实现实时测量，即前向探测器（6）和后向探测器（5）的响应发生突变；再结合柔性LED灯带（7）的扫描时序，确定具体的第几个脉冲发生突变，即可得知压力增大的发生与发生的精确位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181228 |