CN113358240A - 基于dus-fbg的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于DUS‑FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，涉及柔性电子技术领域及可穿戴设备技术领域，包括：温敏柔性材料以及由所述温敏柔性材料封装的传感阵列；所述传感阵列为两根中心波长不同的DUS‑FBG交错U型排布阵列；可调谐激光器模块，用于为所述传感阵列提供入射光源；温度和压力检测模块，用于基于两根DUS‑FBG的中心波长漂移量进行温度及压力信号检测和定位。本发明改善了现有方法灵敏度低，材料成型面积小的缺点，实现高灵敏度，大面积可穿戴的柔性智能皮肤的温度及压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域及可穿戴设备技术领域，特别涉及一种基于DUS-FBG的大面积电子柔性皮肤的温度及压力传感器。
背景技术
随着新材料技术、传感器与测量技术、仿生电子学等学科的飞速发展，具有人体皮肤感知功能的高性能仿生皮肤成为了智能机器人技术和传感器技术的国际研究热点。
柔性皮肤是是一种模仿人体皮肤感知功能的人造器件，是可穿戴人体健康监测设备与智能机器人感觉系统的重要研究内容之一。根据其原理可以分为电容式、电阻式、压电式、光波导式、磁敏式等，不同的柔性皮肤的传感功能及传感特性不同。电子皮肤的温度和压力传感装置主要可分为：压电式、电容式、压阻式、光波导式。目前电子柔性皮肤较难实现大面积、高精度传感。压电式的柔性皮肤具有良好的动态性能和较高的灵敏度，但静态性能较差，通常需要复杂的外围电路；电容型柔性皮肤具有低功耗的特点，且可以很容易的集成到可穿戴系统中，但电容式柔性皮肤易受外界的干扰，需要额外的保护系统和信号处理系统；压阻式柔性皮肤灵敏度高、结构简单，且性能更稳定，但测量分辨率不如电容式。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，以解决上述背景技术中提出的问题，实现分布式、大面积、高精度测量。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，包括：
双层光纤柔性皮肤结构；所述双层光纤柔性皮肤包括上下平行叠放的两层光纤柔性皮肤，每层光纤柔性皮肤由温敏柔性材料对DUS-FBG阵列封装而成；所述DUS-FBG阵列为两根中心波长不同的DUS-FBG交错U型排布阵列；
可调谐激光器模块，用于为所述双层光纤柔性皮肤结构中的DUS-FBG阵列提供入射光源；
温度和压力检测模块，用于基于双层光纤柔性皮肤结构中的两根DUS-FBG的中心波长漂移量进行温度及压力信号检测和定位。
进一步地，密集光栅的栅长及间距均为0.5cm。
进一步地，第一DUS-FBG的中心波长为1546nm，长度为30cm，刻有光栅30000个，每间隔1cm排布一段54cm长的DUS-FBG，以横向盘绕的方法布置在平面；
第二DUS-FBG的中心波长为1554nm，长度为30cm，每间隔1cm排布一段54cm长的DUS-FBG，刻有光栅30000个，以纵向盘绕的方法布置在平面。
进一步地，通过复用技术实现光纤柔性皮肤的面积扩展。
进一步地，可调谐激光器的输出光通过1×3光分路器后被分为3束光信号，第一束光不进入柔性皮肤多参量传感器而是直接通过环形器入射到参考干涉臂中；第二束光分别进入所述双层光纤柔性皮肤结构中；第三束光首先经脉冲调制器调制成脉冲光，再经EDFA进行光放大后进入所述双层光纤柔性皮肤结构中。
进一步地，基于两根DUS-FBG的中心波长漂移量进行温度及压力信号检测和定位包括：采用OFDR实现温度及压力信号检测和定位。
进一步地，采用OFDR实现温度及压力信号检测和定位，包括：
光反射信号与参考光信号发生干涉，形成拍频信号；
通过傅里叶变换将拍频信号从时域转换到频域，然后利用频率和位置的关系完成光栅空间位置信息解调；
通过对参考臂信号和传感臂信号做三次样条插值的加窗FFT算法得到频移变化，利用频谱偏移量变化值与传感参量变化值得到的函数关系完成温度及压力传感参量的测量。
进一步地，利用频谱偏移量变化值与传感参量变化值得到的函数关系完成温度及压力传感参量的测量，包括：两光栅同时受到温度和应力的作用，且光栅的中心波长漂移量随温度和应力的变化是线性关系，则传感器的两个检测波长随温度和应力的变化表示为：
其中，Δλ1和Δλ2分别为两个检测波长的变化量，ΔT和ΔF分别表示为温度和压力的变化量，KT和KF分别为温度灵敏度和应力灵敏度，根据上式得：
由此通过解调实验对温度及压力的大小进行测量及定位。
进一步地，可调谐激光器为外腔可调谐激光器。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
1、本发明结构简单，设计合理，结构中无电气部件，使用光学传感元件，避免了信号输出所需的复杂电路，保证了装置在环境中的稳定性。
2、本发明改善了现有方法灵敏度低，材料成型面积小的缺点，实现高灵敏度，大面积可穿戴的柔性智能皮肤的温度及压力传感器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器的结构侧视图；
图3是本发明实施例中DUS-FBG光栅结构示意图；
图4是本发明实施例中光纤光栅阵列排布结构示意图；
图5是本发明实施例中温度及压力传感单元结构示意图；
其中：1.温敏柔性材料；2.DUS-FBG排布阵列；3.第一DUS-FBG；4.第二DUS-FBG；5.压力传感单元；6.光栅。
具体实施方式
技术术语说明：
DUS-FBG全称为Dense Ultra-Short FBG，即为密集的超短FBG。FBG全称为FiberBragg Grating，即为光纤布拉格光栅，即在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。
EDFA全称为Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，即掺铒光纤放大器，是对信号光放大的一种有源光器件。
OFDR的英文全称是Optical frequency-domain reflectometry，即为光频域反射仪，是1990年代逐步发展起来的一种高分辨率的光纤测量技术。不同于光时域反射仪OTDR向系统内发射的是时域的脉冲信号，OFDR发射入系统的是利用窄带激光器和声光调制器产生的扫频光信号，再通过光外差检测技术，通过专门的算法来分析检测到的信号。无论结构还是算法，OFDR都要比OTDR复杂。
IDW的英文全称是Inverse Distance Weighted，即反距离加权插值，是一种常用而简便的空间插值方法，它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。
本发明的目的在于提供一种用于检测施加在大面积柔性皮肤上的温度及压力大小的装置，实现大面积、高灵敏度、可穿戴智能柔性皮肤的温度及压力传感器。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为使柔性皮肤更具仿生性能，针对所采用的超密全同弱光纤光栅阵列与嵌入式柔性材料的新型光纤柔性皮肤，提出一种基于DUS-FBG阵列的U型双层拓扑结构实现温度及压力的大面积测量。利用密集型光纤光栅形成光纤柔性皮肤神经网络。光纤在神经网络中既作为传感单元，又作为信号的传播介质，利用光纤光栅结构简单、易于复用、灵敏度高的优点。通过设计光栅排布方式提高其空间分辨率，同时，通过复用技术可以实现光纤柔性皮肤的面积扩展；柔性智能皮肤的温度及压力传感器，采用OFDR实现温度及压力信号检测和定位，进行相应温度及压力信号的解调；采用外腔可调谐激光器，具备优异的窄线宽特性，为后续的OFDR系统的光路提供稳定的高速扫频光。
参见图1，其示出了一种基于DUS-FBG大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器的结构示意图，设备主体包括DUS-FBG阵列2和温敏柔性材料1，将DUS-FBG阵列2排布完成后，用温敏柔性材料封装，将封装后的两层光纤柔性皮肤上下平行叠放，形成双层光纤柔性皮肤结构，融于双层光纤柔性皮肤结构上的温度及压力传感器的侧视图请参考图2，其中，箭头指的是沿着光栅中的光的传播方向。圈点表示的是光栅中光的传播方向为垂直平面向外；圈叉表示的是光栅中光的传播方向垂直平面向里。
DUS-FBG的示意图如图3所示，所利用的光栅的栅长及间距均为0.5cm，并且其反射率保持在-45dB。极短的光栅距离可以实现高空间分辨率、大容量的分布式传感。弱反射率光栅的目的是为了增大光信号在光纤内的传输距离，以增加分布式光纤光栅的复用数量，并且弱光栅反射率可以降低串联式FBG网络的各种串扰，尤其是光谱阴影和多重反射效应。
光栅光纤传感阵列如图4所示，两根中心波长不同的DUS-FBG交错U型排布阵列，其中，第一DUS-FBG3用于测量温度参量，第二DUS-FBG4用于测量压力参量，这两条中心波长不同的DUS-FBG经过U型排布形成传感单元5。在光纤拉制过程中利用相位掩膜法动态写入中心波长为1546nm的第一DUS-FBG3，利用相同的方法，拉制一根写入中心波长为1554nm的第二DUS-FBG4；第一DUS-FBG3以横向盘绕的方式布置在平面，第二DUS-FBG4以纵向盘绕的方式布置在第一DUS-FBG3上方，且相互交错排布，并用温敏材料进行封装。两光栅同时受到温度和应力作用，且光栅的中心波长漂移量随温度和应力的变化都是线性关系，测试灵敏度为固定常数。在一具体实例中，排布光栅时，使用的DUS-FBG，每根总长度为30m，刻有光栅30000个，每间隔1cm排布一段54cm长的DUS-FBG，采用中心波长不同光纤光栅来提高空间分辨率；第一DUS-FBG中心波长为1546nm，以横向盘绕的方法布置在平面，第二DUS-FBG中心波长为1554nm，以纵向盘绕的方法布置在平面。构成的传感阵列边长为54cm，两条DUS-FBG光纤光栅U型交错排布构成的正方形的传感单元的每段光纤光栅的间隔为1cm，可以实现2916cm2的压力检测。
光纤光栅传感单元排列方式如图5所示。第一DUS-FBG和第二DUS-FBG相互交错排列，1cm2面积内具有的光栅的数量及排布方式，达到最小传感单元空间分辨率为1mm，该空间分辨率已与人体指尖相当。通过复用技术可以实现大面积的要求。通过环形器将大面积柔性智能皮肤温度传感器及压力传感器连接到光电探测器。
光纤光栅为了获得更高的灵敏度，所以需要将光栅栅区部分的涂覆层剥除。由于使用剥线钳剥除涂覆层会不可避免地对光纤造成损伤，影响其物体特性，故本发明实施例中使用有机溶剂溶解法实现涂覆层的剥离。将光栅的栅区部分浸泡于有机溶剂如丙酮溶液中20分钟，取出后使用去离子水冲洗掉残余溶液，最后使用医用棉蘸取少量酒精擦拭裸露的光纤。
可调谐激光器的输出光通过1×3光分路器后被分为3束光信号，第一束光不进入柔性皮肤多参量传感器而是直接通过环形器入射到参考干涉臂中；第二束光进入DUS-FBG阵列的温度和压力检测传感器中；第三束光首先经脉冲调制器调制成脉冲光，再经EDFA进行光放大后进入DUS-FBG阵列的温度和压力检测传感器中。反射光脉冲经过环形器后进入光电探测实现光电转换，再经过数据采集模块、数据处理模块实现信号处理和数据计算分析。外腔可调谐激光器(Externai cavity tunable，ECTL)具备优异的窄线宽特性、可调谐范围大、输出功率高、单纵模特性良好。
采用OFDR实现温度及压力信号检测和定位，光反射信号与参考光信号发生干涉，形成拍频信号；通过傅里叶变换将拍频信号从时域转换到频域，然后利用频率和位置的关系完成光栅空间位置信息解调；通过对参考臂信号和传感臂信号做三次样条插值的加窗FFT算法得到频移变化，利用频谱偏移量变化值与传感参量变化值得到的函数关系完成温度及压力传感参量的测量。
两光栅同时受到温度和应力的作用，且光栅的中心波长漂移量随温度和应力的变化是线性关系，则传感器的两个检测波长随温度和应力的变化可以表示为：
其中，Δλ1和Δλ2分别为两个检测波长的变化量，ΔT和ΔF分别表示为温度和压力的变化量，KT和KF分别为温度灵敏度和应力灵敏度。根据上式得：
由此可以通过解调实验对温度及压力的大小进行测量及定位。
本发明实施例中基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器在大面积柔性智能皮肤上实现高空间分辨率高精度的温度及压力测量，可应用于可穿戴人体健康监测设备研究领域、智能机器人感觉系统研究领域及多场景测温、测压领域。
本发明可制备于任何一种机器人上，扩展实现多种功能，例如深井或者油田的温度及压力监控、医疗手术方面人体内部温度或压力的监测等，在智能机器人、工控设施、智能建筑、医疗设备、物联网、检验检测以及军事、航空航天等领域发挥重要作用，具有很高的实际应用价值。
下面通过一个实例对本发明的技术原理作说明。
将本发明上述实施例中的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器放置并固定于稳定平滑的环境中，设两根光纤光栅的参数为KT1＝-0.01756，KT2＝0.10071，KF1＝-0.0019，KF2＝0.0032，先对温度及压力传感器进行标定，当温度和压力作用在其上时，温敏柔性材料发生形变及拉伸，进而导致两层温敏柔性材料中间的DUS-FBG阵列受到力的作用，进而导致DUS-FBG阵列反射光谱中心波长发生漂移，此现象可以通过与光纤光栅连接的光谱仪观测，设柔性皮肤压力传感器测得压力为F＝1N，即压力改变量ΔF＝1N，同时温度改变量也设为ΔT＝1℃，进由公式计算可得两个谐振峰的波长漂移量分别为Δλ1＝-0.01946，Δλ2＝0.10391，即当温度改变1℃、压力改变1N时，一个光栅中心波长会向短波方向漂移0.01946nm，另一个光栅中心波长会向长波方向漂移0.10391nm。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，包括：
双层光纤柔性皮肤结构；所述双层光纤柔性皮肤包括上下平行叠放的两层光纤柔性皮肤，每层光纤柔性皮肤由温敏柔性材料对DUS-FBG阵列封装而成；所述DUS-FBG阵列为两根中心波长不同的DUS-FBG交错U型排布阵列；
可调谐激光器模块，用于为所述双层光纤柔性皮肤结构中的DUS-FBG阵列提供入射光源；
温度和压力检测模块，用于基于双层光纤柔性皮肤结构中的两根DUS-FBG的中心波长漂移量进行温度及压力信号检测和定位。
2.根据权利要求1所述的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，密集光栅的栅长及间距均为0.5cm。
3.根据权利要求1所述的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，第一DUS-FBG的中心波长为1546nm，长度为30cm，刻有光栅30000个，每间隔1cm排布一段54cm长的DUS-FBG，以横向盘绕的方法布置在平面；
第二DUS-FBG的中心波长为1554nm，长度为30cm，每间隔1cm排布一段54cm长的DUS-FBG，刻有光栅30000个，以纵向盘绕的方法布置在平面。
4.根据权利要求1所述的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，通过复用技术实现光纤柔性皮肤的面积扩展。
5.根据权利要求1所述的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，可调谐激光器的输出光通过1×3光分路器后被分为3束光信号，第一束光不进入柔性皮肤多参量传感器而是直接通过环形器入射到参考干涉臂中；第二束光分别进入所述双层光纤柔性皮肤结构中；第三束光首先经脉冲调制器调制成脉冲光，再经EDFA进行光放大后进入所述双层光纤柔性皮肤结构中。
6.根据权利要求1所述的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，基于两根DUS-FBG的中心波长漂移量进行温度及压力信号检测和定位包括：采用OFDR实现温度及压力信号检测和定位。
7.根据权利要求6所述的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，采用OFDR实现温度及压力信号检测和定位，包括：
光反射信号与参考光信号发生干涉，形成拍频信号；
通过傅里叶变换将拍频信号从时域转换到频域，然后利用频率和位置的关系完成光栅空间位置信息解调；
通过对参考臂信号和传感臂信号做三次样条插值的加窗FFT算法得到频移变化，利用频谱偏移量变化值与传感参量变化值得到的函数关系完成温度及压力传感参量的测量。
8.根据权利要求7所述的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，利用频谱偏移量变化值与传感参量变化值得到的函数关系完成温度及压力传感参量的测量，包括：两光栅同时受到温度和应力的作用，且光栅的中心波长漂移量随温度和应力的变化是线性关系，则传感器的两个检测波长随温度和应力的变化表示为：
其中，Δλ1和Δλ2分别为两个检测波长的变化量，ΔT和ΔF分别表示为温度和压力的变化量，KT和KF分别为温度灵敏度和应力灵敏度，根据上式得：
由此通过解调实验对温度及压力的大小进行测量及定位。
9.根据权利要求1所述的基于DUS-FBG的大面积柔性智能皮肤的温度及压力传感器，其特征在于，可调谐激光器为外腔可调谐激光器。
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