CN113091970B - 一种自愈型智能全光柔性膜片 - Google Patents
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Abstract
一种自愈型智能全光柔性膜片，包括表层保护装置及信号感知装置；泵浦激光器发出信号光，经过主线光纤、直波导微纳光纤与微纳光纤谐振环进入到信号接收单元，最后送至信号处理单元进行对光信号的处理，而当外界对上基底和下基底产生压力时，对直波导微纳光纤内的光学倏逝场产生影响，使得被送入信号处理单元的光信号发生改变，通过信号处理单元对送达的光信号进行解析，得到压力的变化信息，修复胶囊可在压力过大损坏基底后进行自动修复；本发明具有结构一体化，柔韧性强、修复迅速、传导速度快及智能化的优点。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种自愈型智能全光柔性膜片。
背景技术
光纤压力传感器具有抗辐射、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、灵敏度高等优点，适合用于高辐射、高电磁干扰、高温高压等极端环境。以往在进行压力传感时，广泛使用微型法布里-珀罗(F-P)压力传感器，该传感器通常有毛细管结构和膜片结构两种，毛细管结构的压力传感器对压力感知敏感度低，可用于较大范围的压强的测量，但不适于对精度要求高的微压测量；膜片式法布里-珀罗腔结构，理论上可以获得较高的灵敏度，成为最常用的干涉型光纤压力传感器，它具有损耗低、抗干扰、灵敏度高、线性度好、测量精度高、动态范围大等优良特性。
现有技术大多为对于压力(应力)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[1]李芳.膜片式光纤EFPI传感器的研究[D].大连理工大学,2011.在膜片式光纤EFPI压力传感器的制作方法、液位测量方面进行了研究，提出了膜片式光纤EFPI压力传感器的方案，设计并搭建了激光熔接系统,利用该系统实现膜片与毛细管、光纤与毛细管之间的热熔,制作了全石英结构的膜片式光纤EFPI压力传感器,并对其进行压力性能测试,在0-50KPa的压强测量范围内,传感器的压强灵敏度为5.3nm/KPa,测量分辨率为36.58pm,对应的压强分辨率为6.9Pa。而当前技术缺陷是所用的传感器和机械单元等均为分离式结构，转配复杂，并且难以实现自主信号处理和环境智能适应等。
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自愈型智能全光柔性膜片，能够解决现有传感膜片在受到较大应力作用时膜片容易受损的问题，具有结构一体化，柔韧性强、修复迅速、传导速度快及智能化的优点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种自愈型智能全光柔性膜片，包括表层保护装置及信号感知装置；所述表层保护装置包括上基底1及下基底2，上基底1一侧近边缘设有泵浦激光器4，另一侧近边缘设有信号处理单元11，上基底1中且泵浦激光器4与信号处理单元11之间及下基底2中，均匀排列有修复胶囊3；
所述信号感知装置包括分别贴合于上基底1及下基底2相对面的全光薄膜5，全光薄膜5一侧设有信号光源7,信号光源7发出的信号光分别通过主线光纤8、微纳光纤环10及直波导微纳光纤9，由信号接收单元6接收，最后送达信号处理单元11进行解析。
所述上基底1及下基底2为PDMS材料，厚度为1-2mm。
所述修复胶囊3材料为聚合物PMMA，修复胶囊3内部填充有UV胶。
所述泵浦激光器4的激光波长为1.55μm。
所述全光薄膜5为PDMS材料，厚度为0.1-0.5mm。
所述的微纳光纤谐振环10的每个环的周长不同，该周长等于与之相连的直波导微纳光纤9内光信号工作波长的整数倍。
所述主线光纤8、微纳光纤环10及直波导微纳光纤9均采用熔石英，折射率为1.46。
所述UV胶的折射率低于主线光纤8、微纳光纤环10及直波导微纳光纤9的折射率，优选为1.36。
与现有的技术相比，该发明的有益效果是:
上基底1、下基底2和全光膜片5使用的材料均为PDMS，使用该聚合物可以使得该结构的柔韧性增强，更加便于装配到人体相关部位。
上基底1、下基底2中添加了修复胶囊3，修复胶囊3可以在压力过大损坏基底后自动释放UV胶，在环境光作用下可迅速固化，防止基底受到破坏，可实现对人体皮肤表面用力大小，受力大小等相关数据的检测且防止被破坏，甚至可将该微纳结构集成到可植入芯片表面，使其功能更加多样化。
主线光纤8、微纳光纤环10、直波导微纳光纤9、信号接收单元6及信号处理单元11结构应用于检测外界施加的压力的微小变化所导致的直波导微纳光纤9内的光学倏逝场的变化，以解析得到压力的变化信息。
本发明具有结构一体化，柔韧性强、修复迅速、传导速度快及智能化的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1、上基底；2、基底；3、修复胶囊；4、泵浦激光器；5、全光薄膜；6、信号接收单元；7、信号光源；8、主线光纤；9、直波导微纳光纤；10、微纳光纤谐振环；11、信号处理单元。
具体实施方案
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，一种自愈型智能全光柔性膜片，包括表层保护装置及信号感知装置，所述表层保护装置包括上基底1及下基底2，上基底1一侧近边缘设有泵浦激光器4，另一侧近边缘设有信号处理单元11，上基底1中且泵浦激光器4与信号处理单元11之间及下基底2中，均匀排列有修复胶囊3；
所述信号感知装置包括分别贴合于上基底1及下基底2相对面的全光薄膜5，全光薄膜5一侧设有信号光源7,信号光源7发出的信号光分别通过主线光纤8、微纳光纤环10及直波导微纳光纤9，由信号接收单元6接收，最后送达信号处理单元11进行解析。
所述上基底1及下基底2为PDMS材料，厚度为1-2mm。
所述修复胶囊3材料为聚合物PMMA，修复胶囊3内部填充有UV胶。
所述泵浦激光器4的激光波长为1.55μm。
所述全光薄膜5使用PDMS材料，厚度为0.1-0.5mm。
所述的微纳光纤谐振环10的每个环的周长不同，该周长等于与之相连的直波导微纳光纤9内光信号工作波长的整数倍，以实现对特定工作波长光信号的谐振增强，同时滤除其他波长光信号，从而得到所需要的特定光学波长光信号。
所述主线光纤8、微纳光纤环10及直波导微纳光纤9均采用熔石英，折射率为1.46。
所述UV胶的折射率低于主线光纤8、微纳光纤环10及直波导微纳光纤9的折射率，优选为1.36。
本发明的工作原理为：
泵浦激光器4发出信号光，经过主线光纤8，微纳光纤环10及直波导微纳光纤9进入到信号接收单元6，最后送至信号处理单元11进行对光信号的处理，而当外界对上基底1和下基底2产生压力时，对直波导微纳光纤9内的光学倏逝场产生影响，使得被送入信号处理单元11的光信号发生改变，通过信号处理单元11对于送达的光信号进行解析，得到压力的变化信息，另外上基底1与下基底2中的修复胶囊3，可在压力过大损坏基底后进行自动修复。
由于上基底1，下基底2和全光纤薄膜5采用PDMS聚合物作为材料，使得其结构极具柔韧性，从而降低了光路的耗散，修复胶囊3可在压力过大损坏基底后自动释放UV胶，并在环境光作用下迅速固化。因此，修复胶囊3的加入也使得本发明可以更加持久且良好的对外界压力做出感知。
在实际应用中，本发明能够嵌入到织物内部或表面，穿戴在人体的需要感知精准压力的部位，对外界压力进行感知，或者直接代替传统的织物进行仿生皮肤的模拟。
Claims (7)
1.一种自愈型智能全光柔性膜片，包括表层保护装置及信号感知装置，其特征在于：所述表层保护装置包括上基底(1)及下基底(2)，上基底(1)一侧近边缘设有泵浦激光器(4)，另一侧近边缘设有信号处理单元(11)，上基底(1)中且泵浦激光器(4)与信号处理单元(11)之间及下基底(2)中，均匀排列有修复胶囊(3)；
所述信号感知装置包括分别贴合于上基底(1)及下基底(2)相对面的全光薄膜(5)，全光薄膜(5)一侧设有信号光源(7),信号光源(7)发出的信号光分别通过主线光纤(8)、微纳光纤谐振环(10)及直波导微纳光纤(9)，由信号接收单元(6)接收，最后送达信号处理单元(11)进行解析；
所述的微纳光纤谐振环10的每个环的周长不同，该周长等于与之相连的直波导微纳光纤9内光信号工作波长的整数倍；
所述上基底(1)、下基底(2)和全光薄膜(5)使用的材料均为PDMS；
所述修复胶囊(3)可以在压力过大损坏基底后自动释放UV胶，在环境光作用下可迅速固化。
2.根据权利要求1所述的一种自愈型智能全光柔性膜片，其特征在于：所述上基底(1)及下基底(2)的厚度为1-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种自愈型智能全光柔性膜片，其特征在于：所述修复胶囊(3)材料为聚合物PMMA，修复胶囊(3)内部填充有UV胶。
4.根据权利要求1所述的一种自愈型智能全光柔性膜片，其特征在于：所述泵浦激光器(4)的激光波长为1.55μm。
5.根据权利要求1所述的一种自愈型智能全光柔性膜片，其特征在于：所述全光薄膜(5)的厚度为0.1-0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种自愈型智能全光柔性膜片，其特征在于：所述主线光纤(8)、微纳光纤谐振环(10)及直波导微纳光纤(9)均采用熔石英，折射率为1.46。
7.根据权利要求3所述的一种自愈型智能全光柔性膜片，其特征在于：所述UV胶的折射率低于主线光纤(8)、微纳光纤谐振环(10)及直波导微纳光纤(9)的折射率，所述UV胶的折射率为1.36。
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