CN113029384A - 一种温度场分布成像分析系统 - Google Patents
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Abstract
一种温度场分布成像分析系统，包括基底，基底上设有微纳光纤阵列；微纳光纤阵列顶面与面阵CCD底面相贴合；面阵CCD通过传导光纤与图像分析单元相连接；基底上贴微纳光纤阵列一侧还设有条状光源，条状光源通过耦合分光器将光信号分开传导，并耦合进微纳光纤阵列；条状光源发出光信号，当光到达耦合分光器时，分开传导并耦合进微纳光纤阵列中，形成微纳光纤阵列光学倏逝场强度图像，图像分析单元对微纳光纤阵列光学倏逝场强度图像的采集、分析和存储；本发明高灵敏性，可以应用在需要对温度进行高精度感知的情境下，可以捕捉到温度改变的微小变化，并将温度场分布以可视化图像形式呈现，具有结构简单，测量准确，高效实用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种温度场分布成像分析系统。
背景技术
近年来,以光纤为基础的压力传感器发展十分迅速,目前已经提出了多种可供选择的方案。在多种方案中,以光纤本身作为敏感元件的传感器最受重视,在这方面从事的研究也最为集中。而微纳光纤具有极低的耦合损耗、粗糙度极低的波导表面、高折射率差的强限制光场、大百分比的倏逝场、极轻的质量和灵活的色散特性等优点。这些特性使得微纳光纤在光纤光学、近场光学、非线性光学和量子光学等基础研究和微纳尺度的光传输、耦合、调制、谐振、放大和传感等器件方面都具有潜在的应用价值，近年来吸引了越来越多研究者的注意。
现有技术大多是对于温度的多点测量以及分布式测量。其中与本发明最为相近的技术出自《利用光纤光栅技术监测沥青路面温度与应力场》[1]赵逸宁.利用光纤光栅技术监测沥青路面温度与应力场[D].大连理工大学,2018.。该技术将光纤光栅进行封装保护,其中应变传感器采用土工格栅进行封装,温度传感器采用管制封装方式，将封装好的光纤光栅传感器埋入试验沥青路面不同深度的结构层中，根据各结构层应变数据,分析温度的变化对于沥青路面应力应变状态的影响。该文还利用ABAQUS有限元软件建立模型,模拟试验过程中相同条件下沥青路面内部温度与应力应变状态,并与实测结果进行对比分析,进而验证光纤光栅传感器用于道路工程监测的可行性与现场实测数据的有效性。但上述文献所述技术，光纤光栅传感器的灵敏度较低，分辨率有限，难以实现微米级超小尺寸内温度分布的精确分析；同时，该传感器的尺寸较大，难以实现柔性封装，应用于可穿戴设备。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种温度场分布成像分析系统，能够检测外界施加的压力的微小变化所导致的微纳光纤阵列光学倏逝场强度的变化，通过对信号的解析、图像的采集、分析和存储，分析计算温度和空间分布，可柔性封装，实现对空间各个部分温度高低的感知和成像，具有结构简单，测量准确，高效实用的优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种温度场分布成像分析系统，包括基底1，所述基底1上设有微纳光纤阵列5；微纳光纤阵列5顶面与CCD4面阵底面相贴合；面阵CCD4通过传导光纤6与图像分析单元7相连接；基底1上贴微纳光纤阵列5一侧还设有条状光源2，条状光源2通过耦合分光器3将光信号分开传导，并耦合进微纳光纤阵列5。
所述基底1材料采用硅。
所述基底1表面附有微米级PDMS薄膜，PDMS薄膜厚度为100-300μm。
所述条状光源2发出的是可见光白光信号。
所述面阵CCD4由多个面阵CCD单元平行线状排列串联组成。
所述面阵CCD单元包括透明窗口片9及均匀分布于透明窗口片9表面的像素单元8构成。
所述透明窗口片9为SiO2材质。
所述微纳光纤阵列5由多个微纳光纤单元10平行线状排列串联组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决了传统光纤温度传感器无法准确显示温度分布的问题，能够更好地测量温度作用的大小、方向和空间分布；基底1表面附有微米级PDMS薄膜，可实现柔性封装，应用于可穿戴设备；微纳光纤阵列5与传导光纤6通过导线结合图像分析单元7，应用于检测外界对其所施加的压力的微小变化所导致的微纳光纤阵列5光学倏逝场强度的变化，并通过面阵CCD4成像出来，通过图像分析单元7完成图像的采集、分析和存储，最终获得温度的大小和空间分布，有望实现对人体手臂、手指受力大小及位置等的检测，甚至可将该系统集成到可植入芯片表面，促进温度检测与可视化的人机交互发展。
附图说明
图1为本发明的结构主视图。
图2为本发明的结构左剖视图。
图3为本发明的面阵CCD4的结构主视图。
图4为本发明的微纳光纤阵列5的结构主视图。
图5为本发明不同温度作用下的微纳光纤阵列5倏逝光场分布图像变化示意图，其中,图5(a)为未通光状态下光场分布示意图；图5(b)为均匀弱光状态下光场分布示意图；图5(c)为均匀强光状态下光场分布示意图；图5(d)为非均匀光状态下光场分布示意图；图5(e)为扩展阵列广场分布示意图。
图中：1、基底；2、条状光源；3、耦合分光器；4、面阵CCD；5、微纳光纤阵列；6、传导光纤；7、图像分析单元；8、像素单元；9、透明窗口片；10、微纳光纤单元。
具体实施方式
下面通过实施例和附图详细叙述本发明的具体实施例。
参见图1，一种温度场分布成像分析系统，包括基底1，所述基底1上设有微纳光纤阵列5；微纳光纤阵列5顶面与CCD4面阵底面相贴合；面阵CCD4通过传导光纤6与图像分析单元7相连接；基底1上贴微纳光纤阵列5一侧还设有条状光源2，条状光源2通过耦合分光器3将光信号分开传导，并耦合进微纳光纤阵列5。
所述基底1材料采用硅，厚度可根据使用环境进行调整。
所述基底1表面附有微米级PDMS薄膜，PDMS薄膜厚度为100-300μm，该结构在温度的作用下，更容易产生形变，从而提高该系统对于温度的感应灵敏度，发生形变时可产生较为明显的变化，以实现对于形变量的精确测量。
所述条状光源2发出的是可见光白光信号。
所述面阵CCD4由多个面阵CCD单元平行线状排列串联组成。
参见图3，所述面阵CCD单元包括透明窗口片9及均匀分布于透明窗口片9表面的像素单元8构成。
所述透明窗口片9为SiO2材质。
参见图4，所述微纳光纤阵列5由多个微纳光纤单元10平行线状排列串联组成；由于微纳光纤结构对径向变化不敏感，故而温度对其影响可以忽略。
本发明的工作原理为：
条状光源2发出的光信号通过耦合分光器3，使得光信号分开传导并耦合进入微纳光纤阵列5中，从线状阵列分布形式的微纳光纤阵列5中获得相位相同，强度不同但较为稳定的光信号参数。在没有温度作用时，光学倏逝场强度保持稳定，面阵CCD4采集到的图像为原始的图像；当有温度变化时，由于温度导致的形变大小不同，其产生微纳光纤阵列5的光学倏逝场在表面温度不同时会有很明显的差异，参见图5，不同光纤外部互相叠加的光学倏逝场的光场分布会随着接触温度的变化，形成可视化的光场分布加以呈现，可以被面阵CCD4捕获，从而准确获得范围内的温度分布图像，表现在由各个面阵CCD4采集到的图像上光强分布的变化，通过图像分析单元7分析可以获得温度的大小和空间分布，该温度场分布成像分析系统具有很高的灵敏性。同时，面阵CCD4单元可以通过传到光纤6组成CCD阵列，实现可扩展的大面积温度场的实时观测。在实际应用中，得益于该温度场分布成像分析系统的高灵敏性，高适应性，这种温度场分布成像分析系统可以应用在需要对温度进行高精度监视与测控的场所，可以捕捉到温度改变的微小变化。
Claims (8)
1.一种温度场分布成像分析系统，包括基底(1)，其特征在于：所述基底(1)上设有微纳光纤阵列(5))；微纳光纤阵列(5)顶面与面阵CCD(4)底面相贴合；面阵CCD(4)通过传导光纤(6)与图像分析单元(7)相连接；基底(1)上贴微纳光纤阵列(5)一侧还设有条状光源(2)，条状光源(2)通过耦合分光器(3)将光信号分开传导，并耦合进微纳光纤阵列(5)。
2.根据权利要求1所述的一种温度场分布成像分析系统，其特征在于：所述基底(1)材料采用硅。
3.根据权利要求1所述的一种温度场分布成像分析系统，其特征在于：所述基底(1)表面附有微米级PDMS薄膜，PDMS薄膜厚度为100-300μm。
4.根据权利要求1所述的一种温度场分布成像分析系统，其特征在于：所述条状光源(2)发出的是可见光白光信号。
5.根据权利要求1所述的一种温度场分布成像分析系统，其特征在于：所述面阵CCD(4)由多个面阵CCD单元平行线状排列串联组成。
6.根据权利要求5所述的一种温度场分布成像分析系统，其特征在于：所述面阵CCD单元包括透明窗口片(9)及均匀分布于透明窗口片(9)表面的像素单元(8)构成。
7.根据权利要求6所述的一种温度场分布成像分析系统，其特征在于：所述透明窗口片(9)为SiO2材质。
8.根据权利要求1所述的一种温度场分布成像分析系统，其特征在于：所述微纳光纤阵列(5)由多个微纳光纤单元(10)平行线状排列串联组成。
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