CN114509577A - 水体流速光纤、水流加速度光纤、全光纤仿生鱼侧线系统 - Google Patents

水体流速光纤、水流加速度光纤、全光纤仿生鱼侧线系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了水体流速光纤、水流加速度光纤、全光纤仿生鱼侧线系统，属于仿生材料及仿生智能结构领域。全光纤仿生鱼侧线系统包括光发送模块、仿生鱼侧线光纤、光接收模块、信号处理模块。仿生鱼侧线光纤用于模仿鱼侧线系统的功能在水下进行水流、水压、水声、水温等参量感知；仿生鱼侧线光纤包括包层单元和纤芯单元；纤芯单元包括水体流速光纤的纤芯、水流加速度光纤的纤芯、水声纤芯、温度纤芯；光接收模块用于接收来自光纤鱼侧线模块传输出的光信号并将光信号转化为电信号传输到信号处理模块；信号处理模块用于仿照鱼的神经系统，智能处理分析来自光纤鱼侧线模块的信号。本发明解决现有技术中传感器方向性差、单点测量、功能单一的问题。

Description

水体流速光纤、水流加速度光纤、全光纤仿生鱼侧线系统
技术领域
本发明属于仿生材料及仿生智能结构领域，更具体地，涉及水体流速光纤、水流加速度光纤、全光纤仿生鱼侧线系统。
背景技术
鱼类依靠其自身所具备的侧线系统感知流体特征，能够获知流体的流动方向和水流强度，进而辅助其完成捕食、学习、避敌、集群、群游、生殖等行为。侧线系统以分布在鱼类身体不同部位的神经丘为基础，在鱼类游动过程中，其身体与水流产生位置变化时感知流体运动。
鱼侧线适用于光学、化学、声学等探测手段失效的极端复杂水下环境，如沿海、浅海和岛礁密布的水域。鱼侧线是鱼类在进化过程中形成的独特水下感知器官，其结构、功能、布局等生理学特征都是为适应其生存环境而优化选择的结果，针对鱼侧线开展研究，这对于发展新型水下探测感知技术具有重要的借鉴与指导意义。
现有的新型水下探测感知技术多是基于微电子机械系统(MEMS)技术的微型水听器和流速计，结合压阻式、压电式以及电容式等工作原理，诸如用压电效应中压力引发电荷移动的效果来模仿细胞中离子通道的闭合现象，微结构的微小应变能够捕捉到外部物理环境中很小的流速和声场变化。压电式传感器成本较高，容易受到工频等因素的干扰，且不易进行静态压力的测量，因此其通用性受到一定程度的限制；压阻式由于传感器加工工艺以及结构的影响，这些传感器的灵敏度普遍不高，从而造成了检测效果的不理想，且其使用方式需要将应变片粘贴在某些结构上，因此导致其工作性能会受到粘合剂性能的干扰。
以上电学水下探测传感器难以在电磁干扰环境中工作，且多是点式测量，无法实现分布式测量、无法区分方向性。因此，亟需研发一种抗电磁干扰、灵敏度高、方向性好、分布式测量、体积小、质量轻、自适应强能够实现复杂水下环境探测需求，且探测装置的功能丰富，可提供水体流速水流加速度水声水压水温等多场景多参量监测，为水下资源勘探、国防应用等奠定基础。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供水体流速光纤、水流加速度光纤、全光纤仿生鱼侧线系统，旨在解决现有水下探测装置方向性差、集成度低、功能单一、传感装置灵敏度低的问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种水体流速光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯沿轴向分布有布拉格光栅对阵列，所述布拉格光栅对阵列的每一组光栅对拥有不同的反射中心波长，所述光栅对形成法布里珀罗腔，在纤芯中传播的光信号将在每处光栅对之间发生干涉。
所述纤芯外围包层处沿轴向分布有梯度纤毛和感觉顶，所述感觉顶用于包裹梯度纤毛；所述纤芯通过将流体的速度信息传递到感觉顶，产生的摩擦阻力和黏性阻力使感觉顶发生偏斜，感觉顶将流体的作用力传递给梯度纤毛引起梯度纤毛的偏移，梯度纤毛偏移引起干涉腔腔长发生变化，导致光信号的光程发生改变引起干涉信号的强度及光谱发生改变。
优选地，所述感觉顶由凝胶类物质构成，具备交联多孔结构；所述梯度纤毛由中间的动纤毛和四周的静纤毛组成，四周静纤毛向外围高度成梯度式减小，且不同方向拥有不同的下降梯度。
本发明第二方面提供了一种水流加速度光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯外围包层处沿轴向分布有多个微流控通道，所述纤芯上对应相邻两个微流控通道之间的位置径向分布有一个染料掺杂点。
本发明第三方面提供了一种仿生鱼侧线光纤，包括包层单元和纤芯单元，所述纤芯单元包括独立分布互不串扰的本发明第一方面提供的水体流速光纤的纤芯、本发明第二方面提供的水流加速度光纤的纤芯、水声纤芯、温度纤芯。
优选地，所述水声纤芯为空气芯，且直径远小于水体流速纤芯、水流加速度纤芯、温度纤芯，所述水声纤芯外围包层设计有抛磨结构，用于缩短水声纤芯与外界水流的距离，并且增加包层与水流的接触面积，水声信号作用在包层时引起该处包层发生形变进一步导致传输在水声纤芯中的光纤反射或折射到外围环境，引起光功率信号的改变，通过对光强度监测实现水压及水声信号的测量。
优选地，所述温度纤芯沿轴线分布式掺杂有温敏材料，当外界温度不同时，温敏材料将发生颜色改变，在纤芯中传输的宽带光信号经过变色后温敏材料掺杂区时与变色颜色相对应的波段的光信号将被选择吸收，不同位置的温敏材料具有不同的变色点和颜色，通过监测温度纤芯光信号的光谱即可实现温度的测量。
本发明第四方面提供了一种全光纤仿生鱼侧线系统，包括依次连接的光发送模块、本发明第三方面提供的仿生鱼侧线光纤、光接收模块、信号处理模块。
所述光发送模块用于分别发射不同种类的光信号到仿生鱼侧线光纤；
所述仿生鱼侧线光纤用于模仿鱼侧线系统的功能在水下进行水流、水压、水声、水温等参量感知；
所述光接收模块用于接收来自仿生鱼侧线光纤传输出的光信号并将光信号转化为电信号传输到信号处理模块；光接收模块包含强度探测单元、色度探测单元、波长探测单元；
所述信号处理模块用于仿照鱼的神经系统，智能处理分析来自仿生鱼侧线光纤的信号；
所述信号处理模块包括水体流速处理单元、水流加速度处理单元、水声处理单元、温度处理单元。
优选地，所述水体流速纤芯延轴向分布有布拉格光栅对阵列，所述光栅对用于选择波长且不同空间的光栅对拥有不同的反射中心波长，所述光栅对形成法布里珀罗腔，在水体流速纤芯中传播的光信号将在每处光栅对之间发生干涉。
所述水体流速纤芯外围包层处沿轴向分布有梯度纤毛和感觉顶，所述感觉顶由凝胶类物质构成其密度与海水相近，用于包裹梯度纤毛，所述梯度纤毛由中间的动纤毛和四周的静纤毛组成，四周静纤毛向外围高度成梯度式减小，且不同方向拥有不同的下降梯度。
所述感觉顶用于保护感觉纤毛的微小结构，同时对噪声的滤除也起到十分明显的效果，感觉顶高度较高，直径小，内部梯度纤毛高度高的时候可接收频率较低的流体刺激，感觉顶高度低，直径大，内部梯度纤毛高度小的时候可接收频率较高的流体刺激。
流体的速度信息传递到包层的感觉顶，流体刺激作用感觉顶会产生摩擦阻力和黏性阻力，流体速度越大，黏性力和摩擦力越大，反之，流体速度越小，粘性力和摩擦力越小。黏性力和摩擦力会使感觉顶发生偏斜，感觉顶将流体的作用力传递给梯度纤毛引起梯度纤毛的偏移，梯度纤毛偏移则引起干涉腔腔长发生变化，进一步导致光信号的光程发生改变引起干涉信号的强度及光谱发生改变。
静纤毛向外围高度成梯度式减小，且不同方向拥有不同的下降梯度，因此水体流速纤芯可以感受不同方向的流速。
优选地，所述水流加速度纤芯沿轴向不同空间位置掺杂不同颜色吸收染料，彩色染料通过光吸收变化提供波长选择性调制，其中嵌入染料只占据截面高度的一小部分并且置于与水体流速纤芯分离层接触的位置，在纵向方向上以离散的色块或连续的颜色梯度形式绘制。
所述水流加速度纤芯外围包层处沿轴向分布有多个微流控通道，水流可通过微流控通道与包层接触，两个微流控通道之间的位置对应加速度纤芯径向分布有一个染料掺杂点。
水流经微流通道流经包层外围，相邻两个微流控通道间由于水体加速度原因形成压力差，该压力作用在加速度纤芯的染料掺杂区，加速度纤芯被染区域中的光线通过染料逸出并与相邻的透明流速纤芯耦合，导致在透明流速纤芯中输出光颜色向着染料颜色发生变化，随着加速度信号的增加透明流速纤芯中输出光颜色向着染料颜色趋于饱和，加速度纤芯输出保持白色，因为没有增加光程长度或光线通过染料的数量。
优选地，所述水声纤芯为空气芯，且直径远小于水体流速纤芯、水流加速度纤芯、温度纤芯，所述水声纤芯外围包层设计有抛磨结构，缩短水声纤芯与外界水流的距离，并且增加包层与水流的接触面积，水压及水声信号作用在包层时引起该处包层发生形变进一步导致传输在水声纤芯中的光纤反射或折射到外围环境，引起光功率信号的改变，通过对光强度监测实现水压及水声信号的测量。
优选地，所述温度纤芯沿轴线准分布式掺杂有温敏材料，当外界温度不同时，温敏材料将发生颜色改变，在纤芯中传输的宽带光信号经过变色后温敏材料掺杂区时与变色颜色相对应的波段的光信号将被选择吸收，不同位置的温敏材料具有不同的变色点和颜色，通过监测温度纤芯光信号的光谱即可实现温度的测量。
本发明第五方面提供了上述仿生鱼侧线光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1.将水流加速度纤芯液态材料、水体流速液态材料分别倒入模具中固化成型；
S2.分别对水流加速度纤芯、水体流速纤芯脱模处理，并在水流加速度纤芯的不同位置填充不同颜色染料，在固化后的水体流速纤芯中刻写光栅阵列；
S3.以3D打印的方式制备与水声纤芯尺寸相同的牺牲柱；
S4.将温度纤芯材料的预聚物与温敏材料混合倒入模具中固化成型；
S5.将液态包层材料倒入模具中固化成型，模具预留有四个纤芯的空心位置和微流通道层，固化后脱模；
S6.将水流加速度纤芯、水体流速纤芯、水声纤芯牺牲柱、温度纤芯分别嵌入到包层对应的位置；
S7.将液态包层材料轴向倒入嵌入有纤芯的包层中以填充空隙并固定纤芯位置；
S8.将包层和所有纤芯浸入到牺牲柱的良溶剂中，以溶解牺牲柱形成水声纤芯；
S9.3D打印梯度纤毛，并与包层连接，随后将胶质感觉顶结构包裹梯度纤毛；
S10.聚合物光纤用来实现四个纤芯的耦合。
进一步地，所述水流加速度纤芯、水体流速纤芯材质为聚氨酯弹性体，所述包层材质为硅树脂弹性体，所述温度纤芯材质为聚二甲基硅氧烷弹性体，温敏材料为含有杂环的有机物二聚体，它们会在加热条件下离解成游离基，游离基与二聚体之间存在着转化平衡，当温度变化时，平衡发生移动而表现出颜色的变化；如三苯基咪唑二聚体、四苯基吡咯基二聚体等功能材料。这些化合物虽然变色条件不同，但颜色变化明显，对比度大，且都在可见光区，其中有些材料的变色条件温和，是一类性能优良的热敏变色材料；
进一步地，所述步骤S1中加速度纤芯的模具包含额外的腔体，用于后期染料沉积作为彩色图案，
将不同颜色的吸收型染料分别与加速度纤芯预聚物混合以填充这些空腔；
染料的嵌入只占加速度纤芯横截面高度的一小部分并且置于与水流纤芯分离层接触的位置，在纵向方向上以离散的色块或连续的颜色梯度形式绘制；
当传感器没有变形时，染料不会改变通过加速度纤芯的白光的颜色，而当变形改变其几何形状时，仍然能够产生显著的颜色变化；
进一步地，染料的厚度被选择为染色芯厚度的1/4；
进一步地，所述步骤S8中，牺牲柱可以为(乙烯亚胺)(PEI)和NHS活化的聚(乙二醇)(PEG)交联剂水凝胶，硫醇-硫酯用来溶解牺牲柱；
进一步地，所述步骤S9中梯度纤毛与包层材料相同，并在空间上分布于流速纤芯外围的包层，而微流通道则在空间上分布在加速度纤芯的外围包层；
进一步地，所述感觉顶是一种密度与水接近的凝胶状物质，并且其机械强度较高，不易损坏，密度与水接近，杨氏模量约为10Pa～100Pa，属于亲水性材料，具备交联多孔结构，机械强度高，并且浓度控制简单；
进一步地，所述感觉顶可以为天然高分子I型卡拉胶(I-Car)；
进一步地，所述聚合物光纤的直径小于等于所连接的纤芯，并且在连接处采用密封管和密封胶加以固定；
进一步地，所述聚合物光纤插入纤芯内部，所述密封管可以为聚乙烯管，聚丙烯管，Polyoxymethylene(POM)管等，所属密封胶可以为紫外固化胶等密封胶；
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明利用高度集成化四芯聚合物光纤仿生鱼侧线系统实现水体流速、水流加速度、水压、水声、水温参量测量，全光纤侧线器官具备高柔韧性、多功能参量感知，集成化程度高。
本发明在光纤侧边分布式设计有梯度纤毛结构，梯度纤毛由中间的动纤毛和四周的静纤毛组成，四周静纤毛向外围高度成梯度式减小，且不同方向拥有不同的下降梯度，流体刺激作用感觉顶会产生摩擦阻力和黏性阻力，感觉顶将流体的作用力传递给梯度纤毛引起梯度纤毛的偏移，梯度纤毛偏移则引起干涉腔腔长发生变化，进一步导致光信号的光程发生改变引起干涉信号的强度及光谱发生改变，纤毛在不同方向上拥有不同下降梯度，从而导致干涉信号的强度光谱变化规律不同，使得光纤侧线具备感知不同方向、不同位置的流速，解决了传统水下探测装置方向性差、无法实现分布式测量的问题。
本发明采用感觉顶包裹梯度纤毛结构，同时对噪声的滤除也起到十分明显的效果，感觉顶高度较高，直径小，内部梯度纤毛高度高的时候可接收频率较低的流体刺激，感觉顶高度低，直径大，内部梯度纤毛高度小的时候可接收频率较高的流体刺激，能够实现不同频率的信号测量，并且能够过滤噪声。
本发明设计有微流控通道在光纤侧边，微流控通道能够使外界水流在光纤侧线侧边按照预定方向流动，且相邻通道间可产生压力差，在除传统的机械压力信号外还可感知水体加速度信号。
本发明基于加速度纤芯在轴向不同位置处掺杂不同荧光染料，在外界加速度信号作用下可将可见光耦合至流速纤芯，利用色度饱和度及光强感知加速度信息，灵敏度更高且可见光波段的信号能够在视觉上更直观有预警效果。
本发明的仿照生物鱼的身体布局和功用，从事生物鱼特色作业，信号处理算法采用神经网络算法模仿鱼类神经系统，传感装置光纤鱼侧线模仿鱼侧线器官，从装置到算法均采取仿生方式，具备抗电磁干扰、灵活度高、隐蔽性强、机动性好等优势，对水下环境作业、军事侦察、水下救捞、海洋生物观察、考古等方面发挥重要作用。
本发明所述装置的材料易于获取，整个装置容易实现、成本较低，运行可靠，所述装置制备方法重复性强，可实现批量化生产。
附图说明
图1是本发明提供的多功能全光纤仿生鱼侧线装置示意图；
图2是本发明提供的多功能全光纤仿生鱼侧线系统模块连接示意图；
图3为本发明提供的水体流速纤芯结构及测试原理示意图；
图4为本发明提供的水流加速度纤芯结构及测试原理示意图；
图5是本发明提供的水声纤芯结构及测试原理示意图；
图6是本发明提供的温度纤芯结构及测试原理示意图；
图7是本发明实施例所提供的光纤侧线的光耦合示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种水体流速光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯沿轴向分布有布拉格光栅对阵列，所述布拉格光栅对阵列的每一组光栅对拥有不同的反射中心波长，所述光栅对形成法布里珀罗腔，在纤芯中传播的光信号将在每处光栅对之间发生干涉；
所述纤芯外围包层处沿轴向分布有梯度纤毛和感觉顶，所述感觉顶用于包裹梯度纤毛；所述纤芯通过将流体的速度信息传递到感觉顶，产生的摩擦阻力和黏性阻力使感觉顶发生偏斜，感觉顶将流体的作用力传递给梯度纤毛引起梯度纤毛的偏移，梯度纤毛偏移引起干涉腔腔长发生变化，导致光信号的光程发生改变引起干涉信号的强度及光谱发生改变。
具体地，所述感觉顶由凝胶类物质构成，具备交联多孔结构；所述梯度纤毛由中间的动纤毛和四周的静纤毛组成，四周静纤毛向外围高度成梯度式减小，且不同方向拥有不同的下降梯度。
本发明还提供了一种水流加速度光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯外围包层处沿轴向分布有多个微流控通道，所述纤芯上对应相邻两个微流控通道之间的位置径向分布有一个染料掺杂点。
本发明还提供了一种仿生鱼侧线光纤，包括包层单元和纤芯单元，所述纤芯单元包括独立分布互不串扰的水体流速光纤的纤芯、水流加速度光纤的纤芯、水声纤芯、温度纤芯。
具体地，所述水声纤芯为空气芯，且直径远小于水体流速纤芯、水流加速度纤芯、温度纤芯，所述水声纤芯外围包层设计有抛磨结构，用于缩短水声纤芯与外界水流的距离，并且增加包层与水流的接触面积，水声信号作用在包层时引起该处包层发生形变进一步导致传输在水声纤芯中的光纤反射或折射到外围环境，引起光功率信号的改变，通过对光强度监测实现水压及水声信号的测量。
具体地，所述温度纤芯沿轴线分布式掺杂有温敏材料，当外界温度不同时，温敏材料将发生颜色改变，在纤芯中传输的宽带光信号经过变色后温敏材料掺杂区时与变色颜色相对应的波段的光信号将被选择吸收，不同位置的温敏材料具有不同的变色点和颜色，通过监测温度纤芯光信号的光谱即可实现温度的测量。
本发明还提供了一种全光纤仿生鱼侧线系统，包括光发送模块、仿生鱼侧线光纤、光接收模块、信号处理模块。
所述光发送模块用于分别发射不同种类的光信号到仿生鱼侧线光纤；
所述仿生鱼侧线光纤用于模仿鱼侧线系统的功能在水下进行水流、水压、水声、水温等参量感知；
所述光接收模块用于接收来自仿生鱼侧线光纤传输出的光信号并将光信号转化为电信号传输到信号处理模块；光接收模块包含强度探测单元、色度探测单元、波长探测单元；
所述信号处理模块用于仿照鱼的神经系统，智能处理分析来自仿生鱼侧线光纤的信号；
所述信号处理模块包括水体流速处理单元、水流加速度处理单元、水声处理单元、温度处理单元。
图1是本发明提供的全光纤仿生鱼侧线系统模块连接示意图，如图1所示，所述光发送模块1用于分别发射不同种类的光信号到仿生鱼侧线光纤2，所述仿生鱼侧线光纤2用于模仿鱼侧线系统的功能在水下进行水流、水压、水声、水温等参量感知，所述光接收模块3用于接收来自仿生鱼侧线光纤2传输出的光信号并将光信号转化为电信号传输到信号处理模块4，光接收模块包含强度探测单元301、色度探测单元302、波长探测单元303，所述信号处理模块用于仿照鱼的神经系统，智能处理分析来自仿生鱼侧线光纤2的信号，所述信号处理模块4包括水体流速处理单元401、水流加速度处理单元402、水声处理单元403、温度处理单元404。
图2为本发明提供的多功能全光纤仿生鱼侧线结构装置示意图，如图2所示，所述光纤侧线结构包括包层单元5和水体流速纤芯6、水流加速度纤芯7、水声纤芯8、温度纤芯9，水体流速纤芯6外围对应的包层处分布有梯度纤毛501、502、503、504、505，水流加速度纤芯2外围对应的包层处分布有微流控通道505、506、507、508。
图3为本发明提供的水体流速纤芯结构及测试原理示意图，如图3所示，所述水体流速纤芯6延轴向分布有布拉格光栅(FBG)对阵列601、602、603、604，所述光栅对用于选择波长且不同空间的光栅对拥有不同的反射中心波长，所述光栅对形成法布里珀罗腔，在水体流速纤芯中传播的光信号将在每处光栅对之间发生干涉。
所述水体流速纤芯6外围包层处沿轴向分布有梯度纤毛501和感觉顶5011，所述感觉顶5011由凝胶类物质构成其密度与海水相近，用于包裹梯度纤毛，所述梯度纤毛501由中间的动纤毛和四周的静纤毛组成，四周静纤毛向外围高度成梯度式减小，且不同方向拥有不同的下降梯度。
所述感觉顶5011用于保护感觉纤毛的微小结构，同时对噪声的滤除也起到十分明显的效果，感觉顶高度较高，直径小，内部梯度纤毛高度高的时候可接收频率较低的流体刺激，感觉顶高度低，直径大，内部梯度纤毛高度小的时候可接收频率较高的流体刺激。
流体的速度信息传递到包层的感觉顶，流体刺激作用感觉顶会产生摩擦阻力和黏性阻力，流体速度越大，黏性力和摩擦力越大，反之，流体速度越小，粘性力和摩擦力越小。黏性力和摩擦力会使感觉顶发生偏斜，感觉顶将流体的作用力传递给梯度纤毛引起梯度纤毛的偏移，梯度纤毛偏移则引起干涉腔腔长发生变化，进一步导致光信号的光程发生改变引起干涉信号的强度及光谱发生改变。
静纤毛向外围高度成梯度式减小，且不同方向拥有不同的下降梯度，因此水体流速纤芯可以感受不同方向的流速。
图4为本发明提供的水体流速纤芯结构及测试原理示意图，如图4所示，所述水流加速度纤芯沿轴向不同空间位置掺杂不同颜色吸收染料，彩色染料通过光吸收变化提供波长选择性调制，其中嵌入染料只占据截面高度的一小部分并且置于与水体流速纤芯分离层接触的位置，在纵向方向上以离散的色块或连续的颜色梯度形式绘制。
所述水流加速度纤芯2外围包层处沿轴向分布有微流控通道505，水流可通过微流控通道与包层接触，两个通道之间的位置对应加速度纤芯径向分布有染料掺杂点201、202、203、204。
水流经微流通道流经包层外围，相邻通道间由于水体加速度原因形成压力差，该压力作用在加速度纤芯的染料掺杂区，加速度纤芯被染区域中的光线通过染料逸出并与相邻的透明流速纤芯耦合，导致在透明流速纤芯中输出光颜色向着染料颜色发生变化，随着加速度信号的增加透明流速纤芯中输出光颜色向着染料颜色趋于饱和，加速度纤芯输出保持白色，因为没有增加光程长度或光线通过染料的数量。
本实施例中用于表征实验的传感器，染料从光发送模块近侧到远侧分别为黄绿色、绿色、蓝色和橙色。
图5是本发明提供的水声纤芯结构及测试原理示意图，如图5所示，所述水声纤芯8为空气芯，且直径远小于水体流速纤芯、水流加速度纤芯、温度纤芯，所述水声纤芯外围包层5设计有抛磨结构，缩短水声纤芯与外界水流的距离，并且增加包层与水流的接触面积，水压及水声信号作用在包层时引起该处包层发生形变进一步导致传输在水声纤芯中的光纤反射或折射到外围环境，引起光功率信号的改变，通过对光强度监测实现水压及水声信号的测量。
图6是本发明提供的温度纤芯结构及测试原理示意图，如图6所示，所述温度纤芯9沿轴线准分布式掺杂有温敏材料901、902、903、904、905，当外界温度不同时，温敏材料将发生颜色改变，在纤芯中传输的宽带光信号经过变色后温敏材料掺杂区时与变色颜色相对应的波段的光信号将被选择吸收，不同位置的温敏材料具有不同的变色点和颜色，通过监测温度纤芯光信号的光谱即可实现温度的测量。
本发明还提供一种仿生鱼侧线光纤的制备方法，包括以下步骤：
S1.将水流加速度纤芯预聚物、水体流速预聚物分别倒入模具中固化成型。
水体流速纤芯由透明聚氨酯弹性体(Clear Flex 30，Smooth-On Inc.)制成，在硅胶模具(ELASTOSIL M 4601 A/B，Wacker Chemie AG)中固化，该模具由另一个3D打印模具形成，尺寸为35cm(长)×1.5mm(高)×2mm(宽)。
3D打印的模具首先在60℃的烘箱中放置6小时，以去除可能影响硅胶固化的残留物。然后将M4601A部分和B部分以9:1的比例混合，并以2000rpm的速度放入行星离心混合器中30秒。将预聚物倒入3D打印模具中，并在60℃的烘箱中固化1小时。将固化的硅树脂脱模并放置在平坦的表面上，腔体的一侧朝上。Clear Flex 30 A部分和B部分以1:1的比例混合，并以2000rpm的速度放入行星式离心混合器中30秒，将预聚物倒入硅胶中并在室温16小时固化成型为水体流速纤芯。
水流加速度纤芯以相同的方式制造，唯一的区别在于3D打印模具设计包含四个额外的腔体，用于以后的染料沉积作为彩色图案。本实施例混合了四种不同颜色的吸收性聚氨酯染料(EP7701，Eager聚合物)分别用透明的聚氨酯弹性材料填充这些空腔。对于用于表征实验的传感器，染料从光发送模块的近侧到远侧分别为黄绿色(EP7701 Lime Green和EP7701的混合物)黄色)、绿色(EP7701凯利绿)、蓝色(EP7701宝蓝色)和橙色(EP7701橙色)。所用的浓度分别是将2滴柠檬绿(～66μL)和4滴黄色(～132μL)混合物沉积在4g ClearFlex 30(Smooth-on Inc.)A部分和B部分混合物中；6滴Kelly Green(～198μL)在4克ClearFlex 30 A部分和B部分混合物中；6滴宝蓝(～198μL)在4克Clear Flex 30 A部分和B部分混合物中；6滴橙子(～198μL)在4克Clear Flex 30 A部分和B部分混合物中。然后将混合物以2000rpm的速度放入行星式离心混合器中30秒。按上述顺序使用刮刀将每种预聚物和染料混合物沉积到染色芯上的空腔中。获得了尺寸为35cm(长)×1.5mm(高)×3mm(宽)的染色芯，以及四个尺寸为10mm(长)×0.5mm(高)×2.2mm的染色区域(宽度)，每10毫米间隔。
S2.在固化后的水体流速纤芯中刻写光栅阵列。
本实施例中FBG光栅对反射中心波长分别为1510nm，1530nm，1550nm，1560nm。
S3.以3D打印的方式制备与水声纤芯尺寸相同的牺牲柱。
本实施例中牺牲柱可以为(乙烯亚胺)(PEI)和NHS活化的聚(乙二醇)(PEG)交联剂水凝胶。
S4.将温度纤芯材料的预聚物与温敏材料混合倒入模具中固化成型。
本实施例中，温敏材料为含有杂环的有机物二聚体，它们会在加热条件下离解成游离基，游离基与二聚体之间存在着转化平衡，当温度变化时，平衡发生移动而表现出颜色的变化；如三苯基咪唑二聚体、四苯基吡咯基二聚体等功能材料。这些化合物虽然变色条件不同，但颜色变化明显，对比度大，且都在可见光区，其中有些材料的变色条件温和，是一类性能优良的热敏变色材料，将温敏材料与Clear Flex 30 A部分和B部分以1:1的比例混合，并以2000rpm的速度放入行星式离心混合器中30秒，将之后入硅胶中并在室温16小时固化成型为温度纤芯，尺寸为35cm(长)×1.2mm(直径)。
S5.将液态包层材料倒入模具中固化成型，模具预留有四个纤芯的空心位置和微流通道层，固化后脱模。
包层由有机硅弹性体(Dragon Skin 20，Smooth-On)制成的覆层尺寸为352mm(长)×5mm(直径)。它被设计成有两个可以容纳4个芯的空腔，它也以相同的方式通过在3D打印模具中固化和剥离来制造。将Dragon Skin 20 Part A和B以1:1的比例混合，将其倒入3D打印模具中，并在60℃的烤箱中固化1小时。
S6.将水流加速度纤芯、水体流速纤芯、水声纤芯牺牲柱、温度纤芯分别嵌入到包层对应的位置。
S7.将液态包层材料轴向倒入嵌入有纤芯的包层中以填充空隙并固定纤芯位置。
S8.将包层和所有纤芯浸入到牺牲柱的良溶剂中，以溶解牺牲柱形成水声空气纤芯。
本实施例中良溶剂可为硫醇-硫酯用来溶解牺牲柱，尺寸为35mm(长)×0.5mm(直径)且距离抛磨处的距离为0.4mm。
S9.3D打印梯度纤毛，并与包层连接，随后将胶质感觉顶结构包裹梯度纤毛。
本实施例中梯度纤毛与包层材料相同，并在空间上分布于流速纤芯外围的包层，感觉顶是一种密度与水接近的凝胶状物质，并且其机械强度较高，不易损坏，密度与水接近，杨氏模量约为10Pa～100Pa，属于亲水性材料，具备交联多孔结构，机械强度高，并且浓度控制简单，感觉顶可以为天然高分子I型卡拉胶(I-Car)。
S10.聚合物光纤用来实现4个纤芯分别与光发射和光接收模块耦合。
图7是本发明实施例所提供的光纤侧线的光耦合示意图，如图7所示，聚合物光纤509、510、511、512、514、515、516、517的直径小于等于所连接的纤芯，并且在连接处采用密封管513、518和密封胶加以固定，进一步优选地，所述聚合物光纤插入纤芯内部，所述密封管可以为聚乙烯管，聚丙烯管，Polyoxymethylene(POM)管等，所属密封胶可以为紫外固化胶等密封胶。
本实施例中聚合物管509、514的尺寸为1cm(长)×0.6mm(直径)，聚合物管510、515的尺寸为1cm(长)×3mm(直径)；聚合物管511、516的尺寸为1cm(长)×2.5mm(直径)，聚合物管512、517的尺寸为1cm(长)×1.5mm(直径)。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水体流速光纤，其特征在于，包括包层和纤芯，所述纤芯沿轴向分布有布拉格光栅对阵列，所述布拉格光栅对阵列的每一组光栅对拥有不同的反射中心波长，所述光栅对形成法布里珀罗腔，在纤芯中传播的光信号将在每处光栅对之间发生干涉；
所述纤芯外围包层处沿轴向分布有梯度纤毛和感觉顶，所述感觉顶用于包裹梯度纤毛；所述纤芯通过将流体的速度信息传递到感觉顶，产生的摩擦阻力和黏性阻力使感觉顶发生偏斜，感觉顶将流体的作用力传递给梯度纤毛引起梯度纤毛的偏移，梯度纤毛偏移引起干涉腔腔长发生变化，导致光信号的光程发生改变引起干涉信号的强度及光谱发生改变。
2.根据权利要求1所述的一种水体流速光纤，其特征在于，所述感觉顶由凝胶类物质构成，具备交联多孔结构；所述梯度纤毛由中间的动纤毛和四周的静纤毛组成，四周静纤毛向外围高度成梯度式减小，且不同方向拥有不同的下降梯度。
3.一种水流加速度光纤，其特征在于，包括包层和纤芯，所述纤芯外围包层处沿轴向分布有多个微流控通道，所述纤芯上对应相邻两个微流控通道之间的位置径向分布有一个染料掺杂点。
4.一种仿生鱼侧线光纤，其特征在于，包括包层单元和纤芯单元，所述纤芯单元包括独立分布的权利要求1或2所述的水体流速光纤的纤芯、权利要求3所述的水流加速度光纤的纤芯、水声纤芯、温度纤芯。
5.根据权利要求4所述的一种仿生鱼侧线光纤，其特征在于，所述水声纤芯为空气芯，且直径远小于水体流速纤芯、水流加速度纤芯、温度纤芯，所述水声纤芯外围包层设计有抛磨结构，用于缩短水声纤芯与外界水流的距离，并且增加包层与水流的接触面积，水声信号作用在包层时引起该处包层发生形变进一步导致传输在水声纤芯中的光纤反射或折射到外围环境，引起光功率信号的改变，通过对光强度监测实现水压及水声信号的测量。
6.根据权利要求4所述的一种仿生鱼侧线光纤，其特征在于，所述温度纤芯沿轴线分布式掺杂有温敏材料，当外界温度不同时，温敏材料将发生颜色改变，在纤芯中传输的宽带光信号经过变色后温敏材料掺杂区时与变色颜色相对应的波段的光信号将被选择吸收，不同位置的温敏材料具有不同的变色点和颜色，通过监测温度纤芯光信号的光谱即可实现温度的测量。
7.一种全光纤仿生鱼侧线系统，其特征在于，包括依次连接的光发送模块、权利要求4至6任一项所述的仿生鱼侧线光纤、光接收模块、信号处理模块；
所述光发送模块用于分别发射不同种类的光信号到仿生鱼侧线光纤；
所述仿生鱼侧线光纤用于模仿鱼侧线系统的功能在水下进行水流、水压、水声、水温的参量感知；
所述光接收模块用于接收来自仿生鱼侧线光纤传输出的光信号并将光信号转化为电信号传输到信号处理模块；光接收模块包含强度探测单元、色度探测单元、波长探测单元；
所述信号处理模块用于仿照鱼的神经系统，智能处理分析来自仿生鱼侧线光纤的信号；所述信号处理模块包括水体流速处理单元、水流加速度处理单元、水声处理单元、温度处理单元。
8.一种权利要求4至6任一项所述的仿生鱼侧线光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将液态材料分别倒入模具中固化成型形成水流加速度纤芯、水体流速纤芯；
S2.分别对水流加速度纤芯、水体流速纤芯脱模处理，并在水流加速度纤芯的不同位置填充不同颜色染料，在水体流速纤芯中刻写布拉格光栅阵列；
S3.以3D打印的方式制备与水声纤芯尺寸相同的牺牲柱；
S4.将温度纤芯材料的预聚物与温敏材料混合倒入模具中固化成型；
S5.将液态包层材料倒入模具中固化成型，模具预留有四个纤芯的空心位置和微流通道层，固化后脱模；
S6.将水流加速度纤芯、水体流速纤芯、水声纤芯牺牲柱、温度纤芯分别嵌入到包层对应的位置；
S7.将液态包层材料轴向倒入嵌入有纤芯的包层中以填充空隙并固定纤芯位置；
S8.将包层和所有纤芯浸入到牺牲柱的良溶剂中，以溶解牺牲柱形成水声纤芯；
S9.以3D打印的方式形成梯度纤毛，并与包层连接，随后形成感觉顶包裹梯度纤毛；
S10.聚合物光纤用来实现四个纤芯的耦合。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述水流加速度纤芯的模具包括额外的腔体，用于后期染料沉积作为彩色图案，
将不同颜色的吸收型染料分别与水流加速度纤芯预聚物混合以填充这些空腔；
染料的嵌入只占加速度纤芯横截面高度的一部分并且置于与水流纤芯分离层接触的位置，在纵向方向上以离散的色块或连续的颜色梯度形式绘制。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，聚合物光纤的直径小于等于所连接的纤芯，并且在连接处采用密封管和密封胶加以固定。
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