CN113790670A - 一种柔性分布式光纤传感器及制作方法 - Google Patents

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沈康宇
朱大奇
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Abstract

本发明公开了一种柔性分布式光纤传感器及制作方法，包括：覆层体，所述覆层体内开设有第一置纳通槽与第二置纳通槽，所述第一置纳通槽与第二置纳通槽沿竖直方向堆叠且之间间隔设置；所述第一置纳通槽与第二置纳通槽内分别设置有透明芯与染色芯；所述覆层体一端设置有LED光源，另一端设置有光谱颜色传感器；所述染色芯上涂覆有吸收性彩色燃料。根据本发明，能够测量弯曲的角度和弯曲位置信息，从结构上实现抗拉能力，不容易损坏，更适用于机械手的运动装置中。

Description

一种柔性分布式光纤传感器及制作方法
技术领域
本发明涉及光纤传感器的技术领域，特别涉及一种柔性分布式光纤传感器及制作方法。
背景技术
随着光纤传感器监测技术的发展，柔性光纤传感器成为了光纤传感器技术研究的重点领域。光纤传感器能够在一定条件下实现高精度、长距离地监测一些数据，例如应变、温度、压力等物理参数。光纤芯是光纤传感器中的关键部件，光纤芯与覆层体相互作用，利用光传播的全反射的原理，从而实现各种数据的测量与记录。常规的光纤传感器的光纤芯由玻璃纤维制成，其抗拉和抗弯折能力比较差，一旦某处光纤芯被拉断，则整条光纤传感器将失去作用，因此常规的光纤传感器都是固定铺设在静止的物体表面进行测量。更重要的时，常规光纤传感器无法测量弯曲角度和弯曲位置，不能够用于机械手的需要测量弯曲情况的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种柔性分布式光纤传感器，能够测量弯曲的角度和弯曲位置信息，从结构上实现抗拉能力，不容易损坏，更适用于机械手的运动装置中。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种柔性分布式光纤传感器，包括：
覆层体，所述覆层体内开设有第一置纳通槽与第二置纳通槽，所述第一置纳通槽与第二置纳通槽沿竖直方向堆叠且之间间隔设置；
所述第一置纳通槽与第二置纳通槽内分别设置有透明芯与染色芯；
所述覆层体一端设置有LED光源，另一端设置有光谱颜色传感器；
所述染色芯上涂覆有吸收性彩色燃料。
优选的，所述透明芯与染色芯由透明聚氨酯弹性体固化而成。
优选的，所述染色芯中预留有等间距或非等间距的离散性的空腔，所述空腔内涂刷有对应的吸收性彩色燃料。
优选的，所述空腔位于染色芯的外表面任一位置，且所述空腔的大小相同或者呈阶梯型排列。
优选的，所述覆层体、透明芯与染色芯均柔性材料制作，可进行任意角度弯曲。
一种柔性分布式光纤传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1、设计并3D打印出覆层体、染色芯、透明芯所需要用到的模具；
S2、将有机硅胶AB组混合搅拌均匀并倒入对应模具中，固化后取出得到覆层体；
S3、将聚氨酯弹性机体AB组混合搅拌均匀并倒入对应模具中，固化后取出得到透明芯和染色芯；
S4、将吸收性彩色染料涂刷到染色芯对应的空腔中；
S5、将染色芯和透明芯耦合到覆层体中并对覆层体进行密封处理；
S6、将LED光源和光谱颜色传感器耦合到覆层体的输入端和输出端。
优选的，所述步骤S2中，将有机硅胶AB组以1:1比例搅拌混合后，放入2500rpm的离心机中离心60秒，消除气泡，然后倒入模具并放入60℃的烤箱中60分钟，使其固化完成。
优选的，所述步骤S3中将透明聚氨酯弹性体AB组以1:1比例搅拌混合后，倒入模具中，在室温条件下固化16小时。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)本发明的柔性分布式光纤传感器的光纤芯采用柔性的透明芯和染色芯，突破了传统光纤芯的玻璃纤维的材料的限制，抗拉、抗折，还可以实现弯曲角度和位置的测量。
(2)本发明的染色芯空腔中涂刷的吸收性彩色染料，不仅经济实惠，而且作用原理简单易懂，作用效果也较好。
(3)本发明的柔性分布式光纤传感器的所有组成元件制作成本较低，结构简单，并且可以实现传统光纤传感器相似的功能，可在某些条件下高精度、长距离地测量应变、温度和压力等物理参数。
附图说明
图1为根据本发明的柔性分布式光纤传感器的三维结构示意图；
图2为根据本发明的柔性分布式光纤传感器的三维爆炸结构示意图；
图3为根据本发明的柔性分布式光纤传感器的制作流程框图；
图4为根据本发明的柔性分布式光纤传感器的弯曲角度-输出光波长变化曲线图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
参照图1-4，一种柔性分布式光纤传感器，包括：一种柔性分布式光纤传感器，其特征在于，包括：覆层体5，所述覆层体5内开设有第一置纳通槽与第二置纳通槽，所述第一置纳通槽与第二置纳通槽沿竖直方向堆叠且之间间隔设置；所述第一置纳通槽与第二置纳通槽内分别设置有透明芯2与染色芯4；所述覆层体5一端设置有LED光源1，另一端设置有光谱颜色传感器6；所述染色芯4上涂覆有吸收性彩色燃料3，在使用时将固定在该柔性光纤传感器一端的LED光源1打开，将光射入透明芯2和染色芯4中；覆层体5由柔性有机硅胶固化而成，且覆层包裹着透明芯2和染色芯4，且将透明芯2和染色芯4相互隔开以免两者相互产生影响，其折射率满足全反射的条件；吸收性彩色染料3被涂刷在染色芯的预留的空腔中，使得染色芯4可吸收其它颜色光谱而传输与染料颜色相同的光谱波长，因此某个染色区域发生形变时，输出光色度将朝着弯曲部位染料颜色变化；透明芯2和染色芯4作为柔性传感器的内部构件，为LED光源1提供全反射的传导媒介和路径，由透明聚氨酯弹性体固化而成。当一束LED光从柔性光纤的一端射入透明芯2时，与覆层体5形成全反射，当透明芯2发生弯曲或者弯曲为某个角度时，其表面被拉伸，光路发生变化，输出的光的光强和波长等参数会发生特定的变化，即可确定弯曲角度。当光射入染色芯4时，与覆层体5形成全反射，由于光纤的弯曲变形，从而引起光路的几何变化，且染色区域处于弯曲状态时，染色芯4中的大多数光线都可以穿过染料，从而导致输出光线色度发生变化。安装在柔性传感器输出端的光谱传感器6测量输出光的色度和强度，可以确定发生弯曲的位置以及弯曲的角度。
进一步的，所述透明芯2与染色芯4由透明聚氨酯弹性体固化而成，透明芯2与染色芯4的横截面皆为矩形，覆层体5采用有机硅胶制成，将安装好透明芯2和染色芯4的覆层体5封好，最后将LED光源1和光谱颜色传感器6耦合到覆层的输入端和输出端。
进一步的，所述染色芯4中预留有等间距或非等间距的离散性的空腔，所述空腔内涂刷有对应的吸收性彩色燃料3，使得染色芯4可吸收其它颜色光谱而传输与染料颜色相同的光谱波长，当光射入染色芯4时，与覆层体5形成全反射，由于光纤的弯曲变形，从而引起光路的几何变化，且染色区域处于弯曲状态时，染色芯4中的大多数光线都可以穿过染料3，从而导致输出光线色度发生变化，输出光色度将朝着弯曲部位对应染料颜色变化。因此光谱传感器6通过测量输出端光的色度和强度，可以确定发生弯曲的位置以及弯曲的角度。
进一步的于，所述空腔位于染色芯4的外表面任一位置，且所述空腔的大小相同或者呈阶梯型排列。
进一步的，所述覆层体5、透明芯2与染色芯4均柔性材料制作，可进行任意角度弯曲。
一种柔性分布式光纤传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1、设计并3D打印出覆层体5、染色芯4、透明芯2所需要用到的模具；
S2、将有机硅胶AB组混合搅拌均匀并倒入对应模具中，固化后取出得到覆层体5；
S3、将聚氨酯弹性机体AB组混合搅拌均匀并倒入对应模具中，固化后取出得到透明芯2和染色芯4；
S4、将吸收性彩色染料3涂刷到染色芯4对应的空腔中；
S5、将染色芯4和透明芯2耦合到覆层体中并对覆层体5进行密封处理；
S6、将LED光源1和光谱颜色传感器6耦合到覆层体5的输入端和输出端。
进一步的，所述步骤S2中，将有机硅胶AB组以1:1比例搅拌混合后，放入2500rpm的离心机中离心60秒，消除气泡，然后倒入模具并放入60℃的烤箱中60分钟，使其固化完成。
进一步的，所述步骤S3中将透明聚氨酯弹性体AB组以1:1比例搅拌混合后，倒入模具中，在室温条件下固化16小时。
在检测时，当一束LED光1从柔性光纤传感器的一段射入透明芯2时，当透明芯2发生弯曲时，其表面被拉伸，光路发生变化，输出的光的光强和波长会发生特定的变化，即可确定弯曲角度等参数，当光在染色芯4中传播时，由于光纤的弯曲变形，从而引起光路的几何变化，且染色区域处于弯曲状态时，吸收性彩色染料3可以传输与染料相同颜色的波长而吸收其他颜色对应的波长，从而导致输出光线色度发生变化。因此通过光谱传感器6测量输出光的色度和强度变化量，可以确定发生弯曲的位置以及弯曲的角度。
吸收性彩色染料的吸光度与光学路径长度的关系式为：
A＝ecL
A为彩色染料的吸光度，e为衰减物种的摩尔衰减系数，c为衰减物种的浓度，L为光学路径长度。每种染料具有不同的摩尔衰减系数e，因此在不同染色区域弯曲相同的角度会产生不同数量的衰减。
输出光色度Ra与弯曲角度θ的关系式为：
Ra＝aθ3+bθ2+cθ+d
其中a、b、c、d为相关系数。
输出光波长λ与弯曲角度θ的关系式为：
波长
Figure BDA0003231671980000061
其中e、f为相关系数。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种柔性分布式光纤传感器，其特征在于，包括：
覆层体(5)，所述覆层体(5)内开设有第一置纳通槽与第二置纳通槽，所述第一置纳通槽与第二置纳通槽沿竖直方向堆叠且之间间隔设置；
所述第一置纳通槽与第二置纳通槽内分别设置有透明芯(2)与染色芯(4)；
所述覆层体(5)一端设置有LED光源(1)，另一端设置有光谱颜色传感器(6)；
所述染色芯(4)上涂覆有吸收性彩色燃料(3)。
2.如权利要求1所述的一种柔性分布式光纤传感器，其特征在于，所述透明芯(2)与染色芯(4)由透明聚氨酯弹性体固化而成。
3.如权利要求1所述的一种柔性分布式光纤传感器，其特征在于，所述染色芯(4)中预留有等间距或非等间距的离散性的空腔，所述空腔内涂刷有对应的吸收性彩色燃料(3)。
4.如权利要求3所述的一种柔性分布式光纤传感器，其特征在于，所述空腔位于染色芯(4)的外表面任一位置，且所述空腔的大小相同或者呈阶梯型排列。
5.如权利要求1所述的一种柔性分布式光纤传感器，其特征在于，所述覆层体(5)、透明芯(2)与染色芯(4)均柔性材料制作，可进行任意角度弯曲。
6.如权利要求1所述的一种柔性分布式光纤传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设计并3D打印出覆层体(5)、染色芯(4)、透明芯(2)所需要用到的模具；
S2、将有机硅胶AB组混合搅拌均匀并倒入对应模具中，固化后取出得到覆层体(5)；
S3、将聚氨酯弹性机体AB组混合搅拌均匀并倒入对应模具中，固化后取出得到透明芯(2)和染色芯(4)；
S4、将吸收性彩色染料(3)涂刷到染色芯(4)对应的空腔中；
S5、将染色芯(4)和透明芯(2)耦合到覆层体中并对覆层体(5)进行密封处理；
S6、将LED光源(1)和光谱颜色传感器(6)耦合到覆层体(5)的输入端和输出端。
7.如权利要求6所述的一种柔性分布式光纤传感器，其特征在于，所述步骤S2中，将有机硅胶AB组以1:1比例搅拌混合后，放入2500rpm的离心机中离心60秒，消除气泡，然后倒入模具并放入60℃的烤箱中60分钟，使其固化完成。
8.如权利要求6所述的一种柔性分布式光纤传感器，其特征在于，所述步骤S3中将透明聚氨酯弹性体AB组以1:1比例搅拌混合后，倒入模具中，在室温条件下固化16小时。
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