CN113503917B - 一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器。包括白光光源、微纳光纤和光谱仪、柔性基底、柔性薄膜；微纳光纤在柔性基底上，微纳光纤上有柔性薄膜，微纳光纤两端分别和白光光源、光谱仪连接；微纳光纤分为未拉伸部分、拉锥过渡区和腰区，微纳光纤的两端均为未拉伸部分，两端的未拉伸部分之间设有腰区，腰区直径小于未拉伸部分直径，腰区两端分别经拉锥过渡区和两端未拉伸部分连接，两端未拉伸部分分别连接白光光源和光谱仪。本发明能够实现温度和压力信号的独立区分测量，同时可以标定柔性基底材料在不同温度下的折射率，具有尺寸小、灵敏度高和响应速度快等优点，具有良好的鲁棒性以及稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用微纳光纤监测可见光的波长和近红外光的强度变化，以及涉及用于控制系统的测试装置，尤其涉及一种触觉感知控制系统的温度传感器和压力传感器。
背景技术
触觉感知，作为“五感”感知的重要一环，让人类敏锐感知外界压力和温度等环境因素的微小变动，安全高效地应对环境变化。人类的触觉来源于皮肤中复杂的触觉传感器网络，传感器网络中不同的触觉传感器(触觉小体)感知不同的外界刺激后将感知的压力、温度、湿度和振动等信息传递给大脑处理，使人类获得接触觉、温觉、凉觉、痛觉等信息。人类的触觉是多参量同时测量并在大脑有效融合后对事物或环境产生的一个“综合感知”，其中，压力和温度是触觉感知中最重要的两个参量。因此，如何实现压力和温度信号地同时测量是实现类人触觉感知的关键问题。
目前研究的温度和压力传感器多基于电学原理，而基于电学原理的传感器易受电磁干扰、寄生效应和信号串扰等特性影响，这在很大程度上限制其在实际中的应用。而基于光学原理的触觉传感器因不受电磁干扰、无寄生效应、耐化学腐蚀等特点可以克服基于电学原理传感器的缺点。但是标准光纤的直径为125μm，难以满足传感器微型化的要求，且利用标准光纤制备的传感器灵敏度较低，限制了其在很多场景的应用。
目前，基于微纳光纤的温度传感器或者压力传感器大多通过在微纳光纤上制备光栅完成，其除了加工工艺复杂之外，需要借助矩阵运算求解测得的温度信号或者压力信号，计算过程十分复杂。并且温度信号或者压力信号之间存在串扰，难以同时实现基于微纳光纤的温度传感器或者压力传感器的同时存在，无法同时实现温度信号或者压力信号的准确测量。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器，它能够实现温度和压力信号的独立区分测量，同时本发明可以提供一种准确、简单、低成本的柔性薄膜材料在不同温度下折射率的测试方法。本发明温度和压力传感器应用于可穿戴设备时，还具有较好的柔性，能很好地和人体皮肤贴合。
为实现以上上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明包括白光光源、微纳光纤和光谱仪、用于放置微纳光纤的柔性基底、用于覆盖微纳光纤的柔性薄膜；微纳光纤放置在柔性基底上，微纳光纤之上覆盖设有柔性薄膜，微纳光纤的两端分别和白光光源、光谱仪连接；所述的微纳光纤分为两段未拉伸部分、两段拉锥过渡区和一段腰区，微纳光纤的两端均为未拉伸部分，两端的未拉伸部分之间设有腰区，腰区直径小于未拉伸部分直径，腰区两端分别经各自的一段拉锥过渡区和两端的未拉伸部分一端连接，两端的未拉伸部分另一端分别连接白光光源和光谱仪。
所述的拉锥过渡区将腰区和未拉伸部分不同直径的端部之间进行过渡连接。未拉伸部分的直径是固定的，通常是125μm。
所述的腰区及其两端的拉锥过渡区均被柔性薄膜包覆在柔性基底上。
所述的腰区直径在1.8-2.1μm左右。
本发明所述的微纳光纤为整条微纳光纤通过特定的方法制备获得。
所述的微纳光纤按照以下方式处理获得：将多模光纤固定于光纤拉锥平台上，利用电解水产生的氢气燃烧对多模光纤加热直至熔融态，然后光纤拉锥平台以0.1mm/s的速度相向运动拉动微纳光纤两端以拉伸处理，使得微纳光纤中间一段的部分逐渐变细直到直径为1.8-2.1μm左右，然后停止拉伸拉长，冷却形成；在直径为1.8-2.1μm左右的微纳光纤中间一段形成腰区，在腰区两端的直径沿轴向变化的微纳光纤所在段形成拉锥过渡区。具体实施的多模光纤采用康宁，62.5/125μm。
所述微纳光纤呈直线形式贴于柔性基底上。
温度传导至柔性薄膜材料包埋的微纳光纤，温度改变柔性薄膜材料的折射率使得柔性薄膜材料包埋的微纳光纤的色散特性发生改变，进而检测白光光源发出光束经微纳光纤传导后到光谱仪中的信号变化获得温度，从而实现温度的检测；压力施加到腰区，腰区产生变形，使得腰区所传输的光信号产生弯曲损耗，进而检测白光光源发出光束经微纳光纤传导后到光谱仪中的信号变化获得压力，从而实现压力的检测。
本发明基于微纳光纤的柔性温度传感器，可根据光谱仪监测信号反推柔性薄膜材料在不同温度下的折射率。
本发明实现了温度和压力的同时检测，且避免了温度信号和压力信号之间的信号串扰，均能准确实现检测。
本发明微纳光纤包含未拉伸区的标准光纤段、拉锥过渡区和腰区。
当微纳光纤的腰区接近或者小于光波长时，微纳光纤的倏逝场会比较大，大的倏逝场使得微纳光纤对外界刺激(温度和压力)十分敏感。由此本发明基于微纳光纤的光学传感器具有尺寸小、灵敏度高和响应速度快等优点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)与直径裸漏于空气中的微纳光纤相比，柔性材料具有与微纳光纤相近的折射率，微纳光纤在经过柔性材料包裹后，分布于微纳光纤外面的模场比例会进一步增大，有助于提高传感器的灵敏度。
(2)微纳光纤外面被柔性材料所包裹，会提高微纳光纤芯片的鲁棒性，同时使得微纳光纤免受灰尘等影响。
(3)利用高阶模的截止波长标定温度，利用输出光强标定压力，此温度和压力信号不存在交叉耦合项，无需昂贵的解调装置。
(4)本发明中温度和压力双参量同时区分测量传感器仅仅包含一根被聚合物材料包埋的微纳光纤，此传感器结构简单、易于制备且价格低廉。
(5)本发明中温度传感技术方案可以直接利用高阶模截止波长来标定柔性薄膜材料在不同温度下的折射率变化，此方案对于聚合物材料在低温下的折射率标定提供了一种准确、简单且低廉的技术方案。
(6)本发明中微纳光纤温度和压力传感器在柔性可穿戴设备、人工智能等领域均具有很大的实用价值。
附图说明
图1是本发明直线型微纳光纤温度和压力传感器使用时的结构示意图；
图2是本发明微纳光纤温度传感器的温度与高阶模截止波长的关系曲线图；
图3是本发明微纳光纤压力传感器的压力和输出光强的关系曲线图；
表1是本发明微纳光纤温度和压力传感器的测量值和真实值之间的关系表；
图4是本发明微纳光纤传感器的高阶模截止波长和折射率的变化关系。
图中：1—白光光源，2—微纳光纤的未拉伸部分，3—微纳光纤的拉锥过渡区，4—微纳光纤的腰区，5—光谱仪，6—柔性基底，7—柔性薄膜，8—加热台，9—压力。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施包括白光光源1、微纳光纤和用于光谱探测的光谱仪5、用于放置微纳光纤的柔性基底6、用于覆盖微纳光纤的柔性薄膜7；微纳光纤放置在柔性基底6上，微纳光纤之上包埋覆盖设有柔性薄膜7，微纳光纤的两端分别和白光光源1、光谱仪5连接；白光光源1发出光束，经微纳光纤传导后输入到光谱仪5中。
微纳光纤分为两段未拉伸部分2、两段拉锥过渡区3和一段腰区4，微纳光纤的两端均为未拉伸部分2，未拉伸部分2保持微纳光纤原始的状态和尺寸，两端的未拉伸部分2之间设有腰区4，腰区4位于微纳光纤的中间，腰区4的各处直径均匀，腰区4直径小于未拉伸部分2直径，腰区4两端分别经各自的一段拉锥过渡区3和两端的未拉伸部分2一端连接，两端的未拉伸部分2另一端分别连接白光光源1和光谱仪5。
拉锥过渡区3将腰区4和未拉伸部分2之间端部的不同直径进行过渡连接，即和腰区4连接的拉锥过渡区3端部直径和腰区4的直径相同，和未拉伸部分2连接的拉锥过渡区3端部直径和未拉伸部分2的直径相同。
腰区4及其两端的拉锥过渡区3均被柔性薄膜7包覆在柔性基底6上。腰区4直径在1.8-2.1μm左右。
具体实施的微纳光纤按照以下方式处理获得：将多模光纤(康宁，62.5/125μm)固定于光纤拉锥平台上，利用电解水产生的氢气燃烧对多模光纤加热直至其达到熔融态，然后光纤拉锥平台以0.1mm/s的速度相向运动，使得光纤中间一段的部分逐渐变细直到直径为1.8-2.1μm左右，然后停止拉伸拉长，冷却形成；在直径为1.8-2.1μm左右的微纳光纤中间一段形成腰区4，在腰区4两端的直径沿轴向变化的微纳光纤所在段形成拉锥过渡区3。最后将微纳光纤放置到柔性基底6上，再用柔性薄膜7包覆。微纳光纤呈直线形式贴于柔性基底6上。
具体实施所用的微纳光纤为康宁多模光纤,62.5/125μm。
柔性基底6和柔性薄膜7材料的折射率应大于空气折射率，小于微纳光纤的折射率，且小于SiO2折射率，保证光较好的约束于微纳光纤中，保证微纳光纤的导光特性。
柔性基底6和柔性薄膜7材料具有大的热光系数，保证设计的传感器对温度敏感。
本发明检测的温度通过高阶模截止波长标定，压力通过输出光强标定，且温度和压力信号无串扰。
温度传导至柔性薄膜材料包埋的微纳光纤，温度改变柔性薄膜材料的折射率使得柔性薄膜材料包埋的微纳光纤的色散特性发生改变，进而检测白光光源1发出光束经微纳光纤传导后到光谱仪5中的信号变化获得温度，从而实现温度的检测；压力施加到腰区4，腰区4产生变形，使得腰区4所传输的光信号产生弯曲损耗，进而检测白光光源1发出光束经微纳光纤传导后到光谱仪5中的信号变化获得压力，从而实现压力的检测。模式色散和弯曲损耗不干扰。
当微纳光纤芯片所处的环境温度增加时，柔性聚合物材料的折射率减小，微纳光纤芯片的归一化截止频率增大将导致微纳光纤的高阶模截止波长发生红移，从而实现温度传感。当微纳光纤芯片受力发生微弯变形时，微纳光纤的弯曲损耗增大将导致输出光强信号随之减小，从而实现压力传感。
由于温度传感依赖高阶模截止波长标定，而压力传感依赖输出光强标定，因此此方案的温度和压力传感器不存在温度和压力的交叉耦合项。同时，由于微纳光纤包埋于柔性材料中，本发明的柔性材料包埋的微纳光纤芯片具有良好的鲁棒性以及稳定性。
具体实施中，还有用于加热微纳光纤传感器以进行温度检测试验的加热台8，柔性基底6放置在加热台8上。
具体实施中，还有用于施加压力以进行压力检测试验的三维力测试装置，三维力测试装置产生压力9施加到微纳光纤的腰区4上，力学测试装置置于三维调节架上。
本发明的实施例如下：
以下以聚二甲基硅氧烷(PDMS)和多模光纤(Corning,62.5/125μm)为实施例例说明本发明基于微纳光纤的温度和压力传感器的制备及其技术效果。
1、制备过程
本实施例中柔性基底和柔性薄膜采用折射率为1.397的PDMS，将光较好的约束于微纳光纤传感器，且可以获得较高的传感灵敏度。
将0.6mL的未固化的PDMS置于玻璃衬底上，并将其置于80℃加热台上加热15分钟形成一层300μm厚度的PDMS柔性基底；将带有2μm直径的腰区的微纳光纤放置于PDMS柔性基底上；将0.3mL未固化的PDMS倒入柔性基底的微纳光纤上，并将其置于80℃加热台上加热15分钟形成微纳光纤传感器。
2、温度测试
本实施例中，在不施加额外压力于微纳光纤传感器情形下，开启加热台8，通过加热台仅仅改变微纳光纤传感器所处的温度，同时微纳光纤传感器两端分别接白光光源和光谱仪，其光谱随温度的变化图如图2所示。
图2表明，在温度从25℃升至95℃时，其高阶模截止波长从515nm红移至601nm。高阶模截止波长和温度的变化关系，可以用线性方程表示为：λ＝485.47+1.205T，其线性相关系数为0.997。同时，长波(＞670nm)波段光谱无变化，表明温度测试对压力监测无影响。
3、压力测试
在本实施例中，将微纳光纤传感器置于室温环境中，开启三维力测试装置施加压力到腰区，仅仅改变施加于微纳光纤传感器的压力，同时微纳光纤传感器两端分别接白光光源和光谱仪，其光谱随压力的变化如图3所示。
图3表明，在压力从0N变化至1.1N时，对于900nm光波长的光强从1降至0.234。光强和压力的变化关系，可以用多项式方程表示为：I＝0.99612-0.03223F-1.39147F2+0.71743F3，其多项式相关系数为0.9997。同时，高阶模截止波长位置无变化，表明压力测试对温度监测无影响。
4、温度和压力同时测试
在本实施例中，同时改变微纳光纤传感器所处环境的温度和施加不同压力于微纳光纤传感器。结合高阶模截止波长、温度的线性方程和输出光强、压力的多项式方程，测量值和真值得关系如表1所示。
表1
表1表明了本发明方案获得的温度控制精度在0.5℃以内，压力控制精度在0.01N以内。明显可见检测精度均很高，互不干扰。
5、在本实施例中，通过高阶模截止波长随温度的变化关系，结合柔性材料包裹微纳光纤的模式色散关系，可以反推得到柔性材料在不同温度下的折射率。
图4表明，在高阶模截止波长从427nm变化至756nm时，柔性薄膜材料的折射率从1.427变化至1.322。高阶模截止波长和折射率的对应关系，可以用多项式方程表示为：n＝1.50926-1.24654×10-4λ-1.62218×10-7λ2，其多项式相关系数为0.99992。
Claims (6)
1.一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器，其特征在于：
包括白光光源（1）、微纳光纤和光谱仪（5）、用于放置微纳光纤的柔性基底（6）、用于覆盖微纳光纤的柔性薄膜（7）；微纳光纤放置在柔性基底（6）上，微纳光纤之上覆盖设有柔性薄膜（7），微纳光纤的两端分别和白光光源（1）、光谱仪（5）连接；
所述的微纳光纤分为两段未拉伸部分（2）、两段拉锥过渡区（3）和一段腰区（4），微纳光纤的两端均为未拉伸部分（2），两端的未拉伸部分（2）之间设有腰区（4），腰区（4）直径小于未拉伸部分（2）直径，腰区（4）两端分别经各自的一段拉锥过渡区（3）和两端的未拉伸部分（2）一端连接，两端的未拉伸部分（2）另一端分别连接白光光源（1）和光谱仪（5）；
温度传导至柔性薄膜材料包埋的微纳光纤，温度改变柔性薄膜材料的折射率使得柔性薄膜材料包埋的微纳光纤的色散特性发生改变，进而检测白光光源（1）发出光束经微纳光纤传导后到光谱仪（5）中的信号变化获得温度，从而实现温度的检测；压力施加到腰区，腰区产生变形，使得腰区所传输的光信号产生弯曲损耗，进而检测白光光源发出光束经微纳光纤传导后到光谱仪中的信号变化获得压力，从而实现压力的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器，其特征在于：所述的拉锥过渡区（3）将腰区（4）和未拉伸部分（2）不同直径的端部之间进行过渡连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器，其特征在于：所述的腰区（4）及其两端的拉锥过渡区（3）均被柔性薄膜（7）包覆在柔性基底（6）上。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器，其特征在于：所述的腰区（4）直径在1.8-2.1 μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器，其特征在于：所述的微纳光纤按照以下方式处理获得：将多模光纤固定于光纤拉锥平台上，利用电解水产生的氢气燃烧对多模光纤加热直至熔融态，然后光纤拉锥平台以0.1 mm/s的速度相向运动拉动微纳光纤两端以拉伸处理，使得微纳光纤中间一段的部分逐渐变细直到直径为1.8-2.1 μm，然后停止拉伸拉长，冷却形成；在直径为1.8-2.1 μm 的微纳光纤中间一段形成腰区（4），在腰区（4）两端的直径沿轴向变化的微纳光纤所在段形成拉锥过渡区（3）。
6.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器，其特征在于：所述微纳光纤呈直线形式贴于柔性基底（6）上。
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