CN113551831B - 一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置和方法。包括布置在所需压力检测处的聚合物光纤，聚合物光纤打结，打结处形成光纤交叠部为光纤结，对光纤交叠部施加压力进行检测，光纤结位于聚合物光纤的中部，聚合物光纤的两端分别连接光源和探测器；聚合物光纤结受到外界压力时，光纤弯曲角度增大，输出光强减小，通过建立光强与压力之间的一一对应关系实现压力传感。本发明具有制备简易、灵敏度高、可分辨压力方向的特点，并且压力检测精度、范围均可调。

Description

一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置和方法

技术领域

本发明涉及柔性光纤传感器领域的一种压力传感检测装置，具体是一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置和方法。

背景技术

随着互联网、物联网、人工智能技术的发展，社会对高性能传感器的需求日益提升。光纤传感器作为一种20世纪70年代末兴起的一项全新技术，以其优越的性能备受青睐，与传统的机械或电子传感器不同，光纤具有体积小，重量轻，柔软，灵敏度高，抗电磁干扰，电气安全等多项优点，在柔性传感系统的设计制造中占据优势。

光纤传感器将光纤作为敏感元件，利用光纤本身的特性将被测量物理量转换为光信号的强度、相位、波长等参量。光纤传感器一般使用二氧化硅光纤(石英光纤)或聚合物光纤(塑料光纤)作为载体。关于石英光纤传感器的研究十分广泛，然而相比于聚合物光纤，石英光纤更容易断裂，机械性能较差，因此在柔性触觉传感器、智能织物传感器、可穿戴传感器等应用场景中，石英光纤有一定局限性。

聚合物光纤是由高透明聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，聚苯乙烯PS，聚碳酸酯PC作为芯层材料，含氟聚合物或较低折射率的PMMA作为包层材料的一类光纤。与最常见的玻璃光纤不同，聚合物光纤直径粗，折射率高，数值孔径大，与外围光学系统的安装连接简易，且具有较高的应变极限、断裂韧性和抗冲击性。以上特点使聚合物光纤传感器在智能织物，柔性穿戴传感器，侵入式生物传感等新应用中具有突出优势。

因此，现有技术缺少了一种制备工艺简单，灵敏度高，结构紧凑的聚合物光纤传感器。

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聚合物光纤结形传感器的制备方法，它是基于聚合物光纤的新型光纤传感器，对于促进柔性传感器的发展具有实际意义。

本发明的技术方案是：

本发明包括布置在所需压力检测处的聚合物光纤，所述聚合物光纤打结，打结处形成光纤交叠部为光纤结，对光纤交叠部施加压力进行检测。

所述聚合物光纤打结成半结。所述的半结即为单结。

所述的聚合物光纤打结处的位置位于聚合物光纤的中部。

还包括光源和探测器，所述的聚合物光纤的两端分别连接光源和探测器。

所述的聚合物光纤至于埋设于柔性聚合物中，柔性聚合物受压带动聚合物光纤的光纤交叠部处受压变形，进而实现检测压力。

所述的聚合物光纤具有纤芯和包层。

所述压力检测装置应用于机器人触觉检测。所述压力检测装置置于机器人触觉设备内。

将聚合物光纤一段上绕成圈，聚合物光纤一端端部从圈中穿过，使聚合物光纤打成半结。调整半结的位置，使半结位于聚合物光纤中部。

光纤结包埋在柔性材料内部。

所述的压力检测装置按照以下方式制备而成：将聚合物光纤打结之后，将光纤结放置在固化后的柔性材料的表面，调整光纤结的角度和朝向，接着在放置光纤结的柔性材料上再浇注一层未固化的柔性材料，使光纤结被包埋在柔性材料内部，之后对柔性材料加热固化，形成结形光纤触觉传感器。

本发明的结形光纤传感器对压力的响应具有角度选择性，可以通过调节光纤结包埋在柔性材料中的初始角度，以及将多个结形光纤传感器联用，检测三维空间中的压力大小及方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)结形光纤触觉传感器中的聚合物光纤结是具有对称性的三维立体结构，受到压力后的光强变化幅度与压力施加的方向有关。通过使用柔性材料对光纤结进行包埋，可以使光纤结在传感器中的受力角度相对固定，由此，可以使结形光纤触觉传感器对某一方向的力最敏感，而对其他方向的力不敏感，从而极大地丰富结形光纤触觉传感器的应用范围。例如，通过调整光纤结初始角度，使传感器表面垂直方向的压力尤其敏感，而对传感器表面水平方向的剪切力不敏感。

(2)由于结形光纤传感器的压力响应具有角度特异性，可以将两个或两个以上初始角度互异的光纤结进行联用，通过数据分析，可以对传感器受力的大小及方向进行三维还原，包括对剪切力进行检测。

(3)在相同的初始角度下，结形光纤传感器的灵敏度和工作范围主要受到光纤结的大小影响，通过调节光纤结的大小可以方便地对传感器的灵敏度、工作范围等传感性能进行调整。

(4)结形光纤触觉传感器制备工艺简单，成本低廉。当使用同一型号的聚合物光纤制备光纤结时，可以通过使用模具等方法可以批量制备大小一致的光纤结，并以此制备出重复性好、性能稳定的传感器。

(5)聚合物光纤柔韧性较好，打结过程简易便捷，过程中光纤不易断裂或损坏，极大提升了传感器制作成功率。

(6)由于本发明传感器由光驱动，不会受到电磁干扰，不会产生漏电、短路等安全隐患，安全性较高。

附图说明

图1是本发明聚合物光纤结形传感器的结构示意图；

图2是本发明结形光纤触觉传感器采用光纤结大小依次为：无光纤结、1.7mm、5.7mm、7.1mm时的压力工作曲线图；

图3是本发明结形光纤触觉传感器采用大小相同的光纤结，而光纤结偏转角度依次为0°、15°、30°、45°时的压力工作曲线图；

图4是本发明结形光纤触觉传感器检测滑动剪切力，滑块滑动速度依次为1mm/s，2mm/s，3mm/s，4mm/s，5mm/s时的工作曲线图。

图中：1—聚合物光纤结，2—光源，3—探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，装置包括布置在所需压力检测处的已经打结的聚合物光纤，聚合物光纤具有纤芯和包层，聚合物光纤打结，打结处形成光纤交叠部为光纤结，对光纤交叠部施加压力进行检测。

具体实施的聚合物光纤打结成半结，聚合物光纤打结处的位置位于聚合物光纤的中部。

具体实施中，还包括光源和探测器，聚合物光纤的两端分别连接光源和探测器。聚合物光纤至于埋设于柔性聚合物中，柔性聚合物受压带动聚合物光纤的光纤交叠部处受压变形，进而实现检测压力。

具体实施中，将聚合物光纤一段上绕成圈，聚合物光纤一端端部从圈中穿过，使聚合物光纤打成半结。调整半结的位置，使半结位于聚合物光纤中部。

将聚合物光纤打结，打结处形成光纤交叠部，光源发出的信号光自聚合物光纤的一端进入，通过光纤结后，从聚合物光纤的另一端输出至探测器，对光纤交叠部施加外界压力，光纤结中光纤交叠区域受到的压强最大，聚合物光纤的光纤交叠部发生微小形变，可以是弯曲形变或者拉伸形变，导致信号光自聚合物光纤中逸出，导致探测器检测到的光强减小，利用建立光强变化量和所受压力之间的关系对待测外界压力的压力值进行测量获得。

聚合物光纤结1包埋在柔性材料内部，且聚合物光纤的一端与光源2相连，另一端与探测器3相连。当信号光沿聚合物光纤输入光纤结时，由于聚合物光纤本身具有纤芯和包层，故信号光不会因为柔性材料包埋而从光纤中逸出造成损耗。当结形光纤触觉传感器受到压力时，压力首先施加在包埋聚合物光纤结的柔性材料表面，随后传导至聚合物光纤结。由于光纤结具有光纤相互叠压的结构以及较小的弯曲半径，在受到压力后更容易导致聚合物光纤发生微弯，从而使光纤中的信号光因为弯曲损耗而从光纤中逸出，造成输出光信号下降，由此可以通过测量压力引起的信号光的损耗来实现压力传感。

压力检测装置按照以下方式制备而成：将聚合物光纤打结之后，将光纤结放置在固化后的柔性材料的表面，调整光纤结的角度和朝向，接着在放置光纤结的柔性材料上再浇注一层未固化的柔性材料，使光纤结被包埋在柔性材料内部，之后对柔性材料加热固化，形成结形光纤触觉传感器。

具体实施所使用的聚合物光纤为直径为125微米的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光纤，光纤结的周长约为20mm。

同时，由于聚合物光纤结是一个具有对称性的三维立体结构，其在压力作用下的形变程度和由此引发的光强变化幅度明显受到压力方向影响。根据这一特性，结形光纤触觉传感器还具备检测压力方向的能力。并且，由于光纤结性能的一致性，可使用多个光纤结进行联用，通过排布光纤结的初始方向，可制备具有检测压力方向能力的光纤结阵列。

本发明的实施例选取直径250微米，带有包层的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光纤，以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为保护聚合物光纤的柔性材料，说明本发明结形光纤触觉传感器的制备及结构。

由于当结形光纤触觉传感器受到压力时，光纤结中光纤相互交叠部分由于压力的影响而发生形变。聚合物光纤打结的松紧程度直接影响光纤结的大小，越大的光纤结中，光纤本身的微弯半径越大，光纤结在受到压力时发生形变的幅度越小，由此引起的光损耗越小。以压力为自变量，透过率为因变量进行分析，透过率变化量与对应的压力变化量的比值越大，即工作曲线的斜率越大，变化趋势越陡，说明传感器的灵敏度越高。需要说明的是，较大的光纤结虽然工作曲线斜率较小，但是其工作范围更大。

以下以无光纤结的聚合物光纤和光纤结直径依次为7.1mm，5.7mm，1.7mm的结形光纤触觉传感器为例说明本发明传感器的技术效果。光纤结直径是表征光纤结大小的直观参数，测量方法是将光纤结平放在直尺表面，测量其打结区域弯曲光纤最远两点间的距离。如图2所示，包埋在柔性材料中的聚合物光纤未打结时，压力造成的聚合物光纤的弯曲幅度较小，此时透过率随压力的变化量较小，传感器灵敏度较低，而工作范围较大。而打结的聚合物光纤透过率随压力的变化量较未打结的光纤明显增大，并且光纤结的直径越小，变化量越大，传感器灵敏度越大，同时工作范围越小。

由于聚合物光纤结是具有对称性的三维立体结构，施加在光纤结上的压力方向与光纤结之间的相对角度将导致光纤结发生不同程度的形变，从而影响光纤结传感器的灵敏度。在柔性材料包埋聚合物光纤结时，首先将光纤结平放在已固化的平整的柔性材料表面，转动光纤结两边的光纤，使光纤结转动至最大限度贴在柔性材料表面，将此时光纤结的角度记为偏转0°，再在光纤结表面涂敷一层未固化的柔性材料，将光纤结完全盖住后，加热使柔性材料固化，使光纤结在柔性材料内部固定。测试时，压力施加的方向为垂直于柔性材料表面竖直向下。如图3所示，此时(偏转角度为0°)光纤结在压力作用下形变程度最大，传感器灵敏度最高。将光纤以尾纤所在直线为轴依次旋转15°，30°，45°，可以看到传感器灵敏度随旋转角度增大而减小。由此可见结形光纤触觉传感器对方向具有选择性，利用这一特性，可以通过设置光纤结初始角度，使光纤对特定方向的力敏感；或设置两个或两个以上初始角度不同的光纤结，以实现对压力的大小和方向的同时检测。

除此之外，结形光纤触觉传感器对与传感器表面水平的剪切力敏感。将光纤结以0°偏转角度包埋在柔性材料内部制成结形光纤触觉传感器，在传感器表面施加一滑块，滑块的质量已知。在传感器表面拖动滑块，在传感器输出光信号强度实时监测曲线(图4)上，可以看到，当在传感器表面加载滑块时，光信号强度显示出一明显的下降台阶；当水平拖动滑块时，由于滑块和柔性材料表面之间存在摩擦力，光信号强度震荡下降，且下降速度与滑块拖动速度呈正相关；继续拖动滑块使滑块脱离传感器灵敏区域后，光信号回升至初始强度。

Claims (10)

1.一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置，其特征在于：

包括布置在所需压力检测处的聚合物光纤，所述聚合物光纤打结，打结处形成光纤交叠部为光纤结，对光纤交叠部施加压力进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置，其特征是：所述聚合物光纤打结成半结。

3.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置，其特征是：所述的聚合物光纤打结处的位置位于聚合物光纤的中部。

4.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置，其特征是：还包括光源和探测器，所述的聚合物光纤的两端分别连接光源和探测器。

5.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置，其特征是：所述的聚合物光纤埋设于柔性聚合物中，柔性聚合物受压带动聚合物光纤的光纤交叠部处受压变形，进而实现检测压力。

6.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置，其特征是：所述的聚合物光纤具有纤芯和包层。

7.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置，其特征是：所述压力检测装置应用于机器人触觉检测。

8.应用于权利要求1所述基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置的压力检测方法，其特征是：将聚合物光纤一段上绕成圈，聚合物光纤一端端部从圈中穿过，使聚合物光纤打成半结，调整半结的位置，使半结位于聚合物光纤中部。

9.根据权利要求8所述的压力检测方法，其特征是：光纤结包埋在柔性材料内部。

10.根据权利要求9所述的压力检测方法，其特征是：所述的压力检测装置按照以下方式制备而成：将聚合物光纤打结之后，将光纤结放置在固化后的柔性材料的表面，调整光纤结的角度和朝向，接着在放置光纤结的柔性材料上再浇注一层未固化的柔性材料，使光纤结被包埋在柔性材料内部，之后对柔性材料加热固化，形成结形光纤触觉传感器。

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