CN117433677B - 基于光谱变化的微纳光纤锥区受力位置检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力位置检测方法和装置。方法是将待测压力施加到微纳光纤的锥区，后根据经过微纳光纤的光谱变化对待测压力及受力区间的位置检测，具体根据待测压力施加前后所检测到的光谱变化、待测压力移动位置前后所检测到的光谱变化并结合待测压力施加的位置判断；装置中，微纳光纤的腰区放置在柔性基底上并被柔性薄膜包埋，微纳光纤两端分别连接白光光源和光谱仪，微纳光纤正上方设置三维压力传感器，并且再底面设置施加压力的按压头。本发明通过比较不同受力位置和大小下的全输出光谱，对光纤锥区内不同受力位置能够进行准确测定，且结合人工智能算法，成功实现了对位置和力的高精度预测。
Description
技术领域
本发明涉及了微纳光纤压力检测领域，具体是涉及了一种微纳光纤锥区受压力后通过光谱变化对受力位置和大小的界定方法以及涉及控制系统和测试装置。
背景技术
传统的大尺寸光学器件，如光纤、滤光片和探测器，通常要求具备均匀和对称的结构。然而，当前的器件发展趋势是朝着不断缩小的方向发展。一般而言，随着器件尺寸的减小，微纳器件中强烈的非均匀场效应变得更加显著，因此需要更高精度的加工工艺来制备小型化的光学器件。此外，由于微纳加工技术的限制，目前的光学器件往往存在个体差异，这会限制器件结构的均匀性。在生物体中，非均匀结构在感知领域扮演者至关重要的角色。感受体的非均匀位置分布、结构样式、神经回路和感知模式，使得它们能够更有效地感知、适应和生存于复杂多变的生态环境中。因此，受到生物非均匀结构的启发，可以通过制备非均匀光学结构去容纳和感知更多的信息。
近几十年来，光纤由于其优异的均匀特性，在光通信和光传感器领域受到了广泛的关注。然而，上述所有应用仅在均匀区域进行，这限制了其调整的自由度。相比之下，得益于锥形光纤的空间非均匀性，锥形光纤（TOF）传感器可以容纳更多的信息，远远超过其他类型的基于锥形光纤均匀区域的传感器。然而，锥形区域的传感信号解耦是目前所面前关键的挑战。
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了一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力大小和区间的检测方法，具体是利用微纳光纤锥区受到压力后的光谱变化的区间特性，进而针对微纳光纤的锥区受压力后通过光谱变化对受力位置和大小的区间界定和检测。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一、一种微纳光纤锥区受力大小和区间的检测方法：
待测压力施加到微纳光纤的锥区，然后根据经过微纳光纤所检测到的光谱变化对待测压力及受力区间的位置进行检测，具体是根据待测压力施加前后所检测到的光谱变化、待测压力移动位置前后所检测到的光谱变化并结合待测压力施加的位置进行判断。
经过微纳光纤所检测到的光谱变化对待测压力的位置和大小进行检测。位置是指待测压力施加到锥区上的位置。
所述微纳光纤的变形区包含了腰区和锥区，所述锥区沿靠近腰区的方向依次分为第一区间、第二区间、第三区间、第四区间、第五区间的五个区间；
方法通过移动按压头对微纳光纤锥区的位置进行施力，通过按压区间的检测方法，进而变化位置进行五个区间的位置检测。所施加压力为0.5N~3N。
所述方法具体为：
首先，在微纳光纤不受力的情况下，通过微纳光纤输出光谱作为原始光谱；
接着，目测按压头所在位置在微纳光纤的锥区后，将按压头按下对微纳光纤的锥区施加压力，通过微纳光纤输出光谱，将输出光谱与原始光谱按照进行对比判断：
如果输出光谱与原始光谱之间未发生变化，则当前按压头施加压力的位置是位于第二区间；输出光谱与原始光谱之间未发生变化是指每一波长在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强的差值均小于预设的光强差阈值。
如果输出光谱相比原始光谱的光谱曲线塌缩明显且不稳定，则当前按压头施加压力的位置是位于第四区间；
如果输出光谱相比原始光谱的光谱曲线具有中间压缩或者短波压缩的情况，则当前按压头施加压力的位置是位于第一区间，否则有可能也是第一区间、第三区间或者腰区区间，进一步进行以下步骤的判断：
然后，将按压头对微纳光纤的锥区施加压力位置向微纳光纤的腰区中间方向移动一段较短距离，并施加相同大小的压力，通过微纳光纤输出光谱；
如果施加压力下移动较短距离后的输出光谱和施加压力下移动较短距离前的输出光谱之间未发生变化，则当前按压头施加压力的位置是位于腰区区间；
如果每一波长在施加压力下移动较短距离后的输出光谱中对应的光强相比每一波长在施加压力下移动较短距离前的输出光谱中对应的光强均降低，且施加压力下移动较短距离后的输出光谱中的光谱曲线能够以正弦曲线进行拟合，输出光谱相比原始光谱的光谱曲线具有长波压缩的情况，则当前按压头施加压力的位置是位于第一区间或第三区间，进一步进行以下步骤的判断：
最后，将按压头对微纳光纤的锥区施加压力位置向微纳光纤的腰区中间方向继续移动一段较长距离，并施加相同大小的压力，通过微纳光纤输出光谱；
如果施加压力下移动较长距离后的输出光谱和施加压力下移动较长距离前的输出光谱具有中间压缩或者短波压缩的情况，则当前按压头施加压力的位置是位于第一区间，否则当前按压头施加压力的位置是位于第三区间。
所述较短距离比较长距离更短。
所述的输出光谱相比原始光谱的光谱曲线塌缩明显且不稳定是指：每一波长在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的峰值光强相比在原始光谱中的峰值光强更低，且输出光谱中的光谱曲线无法以正弦曲线进行拟合，形成混沌状态。
所述的短波压缩的情况是指：每一波长在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强降低，且两种光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合，并且：以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量比后光强减少量大；
所述的中间压缩的情况是指：每一波长在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强降低，且两种光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合；并且：
以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量和后光强减少量之间的差值小于预设的光强减少阈值，△t表示预设的波长间隔；
或者各波长在施加压力下后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量的统计方差值小于预设的减少方差阈值；
所述的长波压缩的情况是指：每一波长在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合，并且：以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量比后光强减少量小，△t表示预设的波长间隔。
当施加压力在第一区间时，通过将施加压力后的输出光谱输入到预先训练后的人工智能模型中进行处理，进而识别判断出施加压力在第一区间中的具体位置和压力大小。
本发明的创新是在微纳光纤所在的一维直线上进行检测，而获得压力的受力位置。
二、一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力检测装置：
所述装置包括白光光源、微纳光纤和用于光谱探测的光谱仪、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、三维调节架、三维压力传感器、按压头；
微纳光纤带有腰区，微纳光纤放置在柔性基底上并被上面的柔性薄膜包埋，其中微纳光纤的一端熔接单模光纤并直接连接白光光源，另一端熔接另一条单模光纤并直接与光谱仪连接；具体地，全部微纳光纤锥区和腰区放置在柔性基底上，其余部分超出基底的部分自然垂下。
在微纳光纤正上方，通过一个三维调节架安装设置一个三维压力传感器；
三维压力传感器底面设置连接有一个按压头，按压头用于施加压力到覆盖在微纳光纤上的柔性薄膜上进而施加在微纳光纤上。
所述的微纳光纤中间为小于原始直径的腰区，腰区两端均为保持原始直径的未拉伸部分，腰区两端分别和各自的未拉伸部分之间通过拉锥过渡区连接，拉锥过渡区作为锥区。
从白光光源发出光束经微纳光纤的拉锥过渡区和腰区传导至光谱仪；
当按压头施加压力按压覆盖在微纳光纤上面的柔性薄膜上面，进而引起微纳光纤的弯曲/变形，导致弯曲/变形弯处不同波长的光产生不同的弯曲损耗使得经微纳光纤输出光谱的形状发生改变；
最终通过光谱仪所检测到的光谱变化，从而实现对微纳光纤锥区和腰区的受力位置和受力大小的检测。
本发明的有益效果是：
确定在光纤锥区的受力位置和大小对锥形光纤传感器的设计、制备和应用至关重要。本发明的创新性是通过比较不同受力位置和大小下的全输出光谱，对光纤锥区内不同受力位置进行了明确定义。由于光纤锥区内受力位置和大小会极大影响传感器输出光谱的形状和特性，进而对传感器的光学性能产生重大影响。因此，本发明可以根据具体的应用需求，明确定义适用锥形光纤传感器时候的受力位置，以确保锥形光纤传感器的光学性能稳定性。例如，选择锥区敏感的第四区间，可以显著提高传感器的灵敏度，使其能够检测到微小的力变化，这在一些关键应用中至关重要，例如医疗诊断、结构健康监测等。
此外，本发明还利用在光纤锥区的第一区间内的输出光谱的线性变化，结合人工智能算法，成功实现了对位置和力的高精度预测，分辨率高达7.6微米和0.02牛顿。 这一空间分辨率在分布式光学传感器领域中代表着最高水平。因此，对微纳光纤锥区上受力位置和大小的明确定义将有助于更好地理解光纤锥区的性能，推动纳米光学、光子学和其他相关领域的研究，在工业应用和通信领域都具有重要价值。
附图说明
附图1为本发明的装置结构图；
附图2为实施例施加到锥区的第一区间的不同压力下的波形结果图，其中(a)是施加到锥区的第一区间上的典型位置1上0 - 3 N压力下的波形结果图，(b)是施加到锥区的第一区间上的典型位置2上0 - 1 N压力下的波形结果图，(c)是施加到锥区的第一区间上的典型位置3上0 – 2.5 N压力下的波形结果图；
附图3为实施例施加到锥区的第二区间上的典型位置的不同压力下的波形结果图；
附图4为实施例施加到锥区的第三区间上的典型位置的不同压力下的波形结果图；
附图5为实施例施加到锥区的第四区间上的典型位置的不同压力下的波形结果图；
附图6为实施例施加到腰区区间上的典型位置的不同压力下的波形结果图；
附图7为实施例在第一区间内，相同力大小下，按压头从0 μm 到170 μm产生的光谱波形结果图；
附图8为实施例在第一区间内，相同力大小下，按压头从210 μm 到450 μm产生的光谱波形结果图；
附图9为实施例第一区间内，相同力大小下，按压头从500 μm 到1100 μm产生的光谱波形结果图；
附图10为实施例第一区间内，相同力大小下，按压头从1200 μm 到1800 μm产生的光谱波形结果图；
附图11为实施例第一区间内，相同力大小下，按压头从2000 μm 到2400 μm产生的光谱波形结果图。
图中：白光光源（1）、带有腰区的微纳光纤（2）、光谱仪（3）、柔性基底（4）、柔性薄膜（5）、三维调节架（6）、三维压力传感器（7）、按压头（8）。
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，本发明的具体实施的所述装置包括白光光源1、火焰拉锥处理后的微纳光纤2和用于光谱探测的光谱仪3、用于放置微纳光纤2的柔性基底4、用于覆盖微纳光纤2的柔性薄膜5、三维调节架6、三维压力传感器7、按压头8；
微纳光纤2经火焰拉锥处理后带有腰区和锥形区，微纳光纤2的锥区和腰区均放置在柔性基底4上并被上面的柔性薄膜5包埋，其中微纳光纤2的一端熔接单模光纤并直接连接白光光源1，另一端熔接另一条单模光纤并直接与光谱仪3连接；
在微纳光纤2正上方，通过一个三维调节架6安装设置一个三维压力传感器7，三维压力传感器7保持固定；
三维压力传感器7底面设置连接有一个按压头8，按压头8用于施加压力到覆盖在微纳光纤2上的柔性薄膜5上进而施加在微纳光纤2上。
所述按压头8为长方形棱台状按压头。
所述的微纳光纤2中间为小于原始直径的腰区，腰区两端均为保持原始直径的未拉伸部分，腰区两端分别和各自的未拉伸部分之间通过拉锥过渡区连接，拉锥过渡区作为锥区，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。
所述的微纳光纤2的未拉伸部分的直径是固定的，通常是125 μm，所述的腰区直径在1.8-2.1 μm左右。
微纳光纤包括两端的未拉伸部分、中间的腰区以及连接在两端的未拉伸部分和中间的腰区之间的拉锥过渡区(锥区)，所述腰区的直径小于未拉伸部分的直径，拉锥过渡区的直径从连接未拉伸部分的一端到连接腰区的一端逐渐从大变小。
所述的微纳光纤的两端均分别经各自的熔接单模光纤连接白光光源和光谱仪。
所述微纳光纤2呈直线形式贴于柔性基底上。
所述的柔性基底4、柔性薄膜5均采用柔性聚二甲基硅氧烷PDMS材料，具有折射率大于空气折射率、但小于微纳光纤折射率的特性。
所述的微纳光纤2按照以下方式处理获得：将单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单模光纤加热直至熔融态，然后光纤拉锥平台以0.1 mm/s的速度相反方向运动，拉动单模光纤的两端以拉伸处理，使得单模光纤中间一段的部分逐渐变细直到直径为1.8~2.1 μm左右，然后停止拉伸拉长，冷却形成；在直径为1.8~2.1 μm左右所在的直径均匀的中间一段形成腰区，在腰区两端的直径沿轴向变化的单模光纤所在一段形成拉锥过渡区。
从白光光源1发出光束经微纳光纤3的拉锥过渡区和腰区无损耗地传导至光谱仪4；
当按压头8施加压力按压覆盖在微纳光纤3上面的柔性薄膜5上面，进而引起微纳光纤3拉锥过渡区和腰区的弯曲/变形，由于微纳光纤3内的色散，导致弯曲/变形弯处不同波长的光产生不同的弯曲损耗使得经微纳光纤3输出光谱的形状发生改变；
在微纳光纤3锥区和腰区不同位置，由于锥区和腰区不同的直径，导致输出的光谱形状随着位置和力的大小发生变化，因此通过检测白光光源1发出光束经微纳光纤传导后到光谱仪5中的光谱波长变化，从而实现对微纳光纤锥区受力位置和受力大小的界定。最终通过光谱仪5所检测到的光谱变化，从而实现对微纳光纤3锥区和腰区的受力位置和受力大小的检测。
光谱变化包含了光谱波长、光谱强度和光谱宽度等参数变化。
具体实施中，可通过三维调节架，沿着微纳光纤2横向上的不同位置上施加压力。按压头8从微纳光纤2的直径最大一端(未拉伸端)移动到腰区的中心位置，每次以10 μm的步进距离进行移动，并在每个位置上进行不同垂直力的按压。
在每次位置变化的时候，进行对力传感器的校准，并且为了防止微纳光纤传感器受损，设置了最大力为3 N的限制，并根据光谱的收缩程度逐渐减小了敏感区域的力的大小。
本发明的实施例及其实施情况如下：
具体而言，通过三维调节架将压力头下压，沿着微纳光纤2横向上的不同位置上施加压力。压力头从微纳光纤的未拉伸端向着中心（腰部）区域，每次以10 μm的步进距离进行移动，并在每个位置上进行从0 N到3 N，以0.1 N为间隔的递增压力实验并记录所有输出光谱数据。
通过实验发现，对微纳光纤2的不同位置施加压力，将检测获得具有非常规律的四个区间及腰区区间划分，具体包括：
第一区间，如图2所示，为光谱均匀变化区间，随着受力的增加，光谱长波压缩（图2的(a)）逐渐变化到中间压缩（图2的(b)）直至短波压缩（图2的(c)）。位置离腰区中心越近，光纤直径越细，幅度降低。
第一区间内根据光谱变化得到的位置和力的信息，能够进行判断，直径越细离腰区中心越近。
第二区间，如图3所示，为光谱不变区间，光谱受力后光谱不变。即使加压力到限额的4倍，即12N的时候，光谱依旧无变化。
第三区间，如图4所示，为出现短暂光谱长波压缩的均匀变化区间。位置离腰区中心越近，光纤直径越细，幅度增大。
第四区间，如图5所示，为光谱短波不稳定变化区间。微弱的力作用会导致光谱发生剧烈和不稳定的变化。其中即使是0.02 N的微弱力也足以引起光谱的完全不同的塌缩现象。
腰区区间，如图6所示，为光谱上长波衰减稳定变化。并且，当压力头横向在区间内移动并施加相同压力时，光纤受力后的光谱形状保持不变，因为此时光纤的直径保持一致，各位置上压缩损耗一致。
通常地，具体实施中的完整的锥区长度为7400 μm，其中腰区两端的锥区长度3600μm，腰区长度200 μm且直径最细、直径均匀。
根据结果显示，位于第一区间的光谱随着力的变化以及位置的变化而表现出均匀且连续的变化。这意味着光谱中的特征与受力位置和大小之间存在明显的关联，这种关联性使得能够利用人工智能算法对接收到的光谱进行解调，从而准确地预测受力的位置和大小。
如图7所示，在第一区间内，按压头从微纳光纤的未拉伸位置（位置0）开始以相同的0.6 N的力施加压力，并记录了光谱图像，直到达到位置170 μm处。随着位置的增加，尽管施加的力大小相同，光谱逐渐呈现出长波压缩的变化。
如图8所示，在第一区间内，按压头从位置210 μm开始以相同的0.6 N的力施加压力，并记录了光谱图像，直到达到位置450 μm处。随着位置的增加，尽管施加的力大小相同，光谱呈现出由长波压缩逐渐变化到中间压缩的变化。
如图9所示，在第一区间内，按压头从位置500 μm开始以相同的0.6 N的力施加压力，并记录了光谱图像，直到达到位置1100 μm处。随着位置的增加，尽管施加的力大小相同，光谱呈现出中间波段的过渡性变化，光谱峰值光强由大到小，到达一定的谷底后再度上升的变化。
如图10所示，在第一区间内，按压头从位置1200 μm开始以相同的0.6 N的力施加压力，并记录了光谱图像，直到达到位置1800 μm处。随着位置的增加，尽管施加的力大小相同，光谱呈现出由中间压缩逐渐变化到短波压缩的变化。
如图11所示，在第一区间内，按压头从位置2000 μm开始以相同的0.6 N的力施加压力，并记录了光谱图像，直到达到位置2600 μm处。随着位置逐渐趋近第二区间，尽管施加的力大小相同，光谱呈现出由短波压缩逐渐恢复到原始光谱（不再压缩）的变化。
方法具体的实施检测过程如下：
首先，在微纳光纤2不受力的情况下，通过微纳光纤2输出光谱作为原始光谱；光谱是以波长为横坐标，光强为纵坐标的曲线图，原始光谱中的光谱曲线能够以正弦曲线进行拟合。
接着，目测按压头8所在位置在微纳光纤2的锥区后，将按压头8按下对微纳光纤2的锥区施加一定的压力，通过微纳光纤2输出光谱，观测输出光谱图像，将输出光谱与原始光谱按照进行对比判断：
如果输出光谱与原始光谱之间未发生变化，则当前按压头8施加压力的位置是位于第二区间；输出光谱与原始光谱之间未发生变化是指每一波长在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强的差值均小于预设的光强差阈值。
如果输出光谱相比原始光谱的光谱曲线塌缩明显且不稳定，则当前按压头8施加压力的位置是位于第四区间；
上述输出光谱相比原始光谱的光谱曲线塌缩明显且不稳定是指：每一波长在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的峰值光强相比在原始光谱中的峰值光强更低，且输出光谱中的光谱曲线无法以正弦曲线进行拟合，形成混沌状态。
如果输出光谱相比原始光谱的光谱曲线具有中间压缩或者短波压缩的情况，则当前按压头8施加压力的位置是位于第一区间，否则有可能也是第一区间、第三区间或者腰区区间，进一步进行以下步骤的判断：
上述短波压缩的情况是指：每一波长在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的光谱曲线能够以正弦曲线进行拟合，并且：以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量比后光强减少量大。
上述中间压缩的情况是指：每一波长在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的光谱曲线能够以正弦曲线进行拟合；并且：
以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量和后光强减少量之间的差值小于预设的光强减少阈值；或者各波长在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强减少量的统计方差值小于预设的减少方差阈值。
具体实施中，移动较短距离后的中间压缩或者短波压缩中所述的波长间隔△t通常取为50 nm。
然后，将按压头8对微纳光纤2的锥区施加压力位置向微纳光纤2的腰区中间移动一段较短距离，较短距离通常为50 μm，并施加相同大小的压力，通过微纳光纤2输出光谱，观测输出光谱图像；
如果施加压力下移动较短距离后的输出光谱和施加压力下移动较短距离前的输出光谱之间未发生变化，则当前按压头8施加压力的位置是位于腰区或是腰区区间；
如果每一波长在施加压力下移动较短距离后的输出光谱中对应的光强相比每一波长在施加压力下移动较短距离前的输出光谱中对应的光强均降低，且施加压力下移动较短距离后的输出光谱中的光谱曲线能够以正弦曲线进行拟合，输出光谱相比原始光谱的光谱曲线具有长波压缩的情况，则当前按压头8施加压力的位置是位于第一区间或第三区间，进一步进行以下步骤的判断：
上述长波压缩的情况是指：每一波长在施加压力下移动较短距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较短距离前的输出光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合，并且：以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在施加压力下移动较短距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较短距离前的输出光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在施加压力下移动较短距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较短距离前的输出光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量比后光强减少量小，△t表示预设的波长间隔。
具体实施中，移动较短距离后的长波压缩中所述的波长间隔△t通常取为50 nm。
最后，将按压头8对微纳光纤2的锥区施加压力位置向微纳光纤2的腰区中间继续移动一段较长距离，较长距离通常为200 μm，并施加相同大小的压力，通过微纳光纤2输出光谱，观测输出光谱图像；
如果施加压力下移动较长距离后的输出光谱和施加压力下移动较长距离前的输出光谱具有中间压缩或者短波压缩的情况，则当前按压头8施加压力的位置是位于第一区间，否则当前按压头8施加压力的位置是位于第三区间。
上述短波压缩的情况是指：每一波长在施加压力下移动较长距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较长距离前的输出光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合，并且：以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在施加压力下移动较长距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较长距离前的输出光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在施加压力下移动较长距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较长距离前的输出光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量比后光强减少量大。
上述中间压缩的情况是指：每一波长在施加压力下移动较长距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较长距离前的输出光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合；并且：
以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在施加压力下移动较长距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较长距离前的输出光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在施加压力下移动较长距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较长距离前的输出光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量和后光强减少量之间的差值小于预设的光强减少阈值，△t表示预设的波长间隔；
或者各波长在施加压力下移动较长距离后的输出光谱中对应的光强相比在施加压力下移动较长距离前的输出光谱中对应的光强减少量的统计方差值小于预设的减少方差阈值。
具体实施中，移动较长距离后的中间压缩或者短波压缩中所述的波长间隔△t通常取为100 nm。
在之后，实施例还将所有获得的光谱数据进行了综合，将70%用作训练集，30%用作测试集，以建立一个人工智能模型。然后，将未知的光谱数据输入到这个人工智能模型中进行对按压位置和力的大小的预测。
结果显示，模型对按压位置的预测绝对平均误差（MAE）为7.6 μm，具体而言，关于位置的预测，如果将第一区间的位置划分为150份，根据单一光谱的预测，有90%的位置预测是正确的。甚至如果将位置划分为560份，预测的准确率仍然达到68%。与位置类似，对力的大小预测绝对平均误差（MAE）为0.02 N。如果将力的范围划分为25份，有90%对力的大小预测是准确的。如果将力的范围划分为100份，有70%的预测结果是准确的。
该人工智能模型对受力位置和力的预测方法已经泛化并应用于另外五个锥形传感器中。将这五个传感器在第一区间内收集的光谱数据组成了测试集，并利用人工智能模型对位置和力信息进行了预测。测量的位置和力的间隔分别为50 μm和0.1 N，总长度约为3mm。结果显示，当测量长度为0.5 mm时，绝对平均误差为10.33 μm。而当测量长度增加到3mm时，绝对平均误差增加至92 μm。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (8)
1.一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力位置检测方法，其特征在于：
待测压力施加到微纳光纤（2）的锥区，然后根据经过微纳光纤（2）所检测到的光谱变化对待测压力及受力区间的位置进行检测，具体是根据待测压力施加前后所检测到的光谱变化、待测压力移动位置前后所检测到的光谱变化并结合待测压力施加的位置进行判断；
所述锥区沿靠近腰区的方向依次分为第一区间、第二区间、第三区间、第四区间、腰区区间的五个区间；方法通过移动按压头（8）对微纳光纤（2）锥区的位置进行施力，进而变化位置进行五个区间的位置检测；
所述方法具体为：
首先，在微纳光纤（2）不受力的情况下，通过微纳光纤（2）输出光谱作为原始光谱；
接着，目测按压头（8）所在位置在微纳光纤（2）的锥区后，将按压头（8）按下对微纳光纤（2）的锥区施加压力，通过微纳光纤（2）输出光谱，将输出光谱与原始光谱按照进行对比判断：
如果输出光谱与原始光谱之间未发生变化，则当前按压头（8）施加压力的位置是位于第二区间；
如果输出光谱相比原始光谱的光谱曲线塌缩明显且不稳定，则当前按压头（8）施加压力的位置是位于第四区间；
如果输出光谱相比原始光谱的光谱曲线具有中间压缩或者短波压缩的情况，则当前按压头（8）施加压力的位置是位于第一区间，否则，进一步进行以下步骤的判断：
然后，将按压头（8）对微纳光纤（2）的锥区施加压力位置向微纳光纤（2）的腰区中间方向移动一段较短距离，并施加相同大小的压力，通过微纳光纤（2）输出光谱；
如果施加压力下移动较短距离后的输出光谱和施加压力下移动较短距离前的输出光谱之间未发生变化，则当前按压头（8）施加压力的位置是位于腰区区间；
如果每一波长在施加压力下移动较短距离后的输出光谱中对应的光强相比每一波长在施加压力下移动较短距离前的输出光谱中对应的光强均降低，输出光谱相比原始光谱的光谱曲线具有长波压缩的情况，则当前按压头（8）施加压力的位置是位于第一区间或第三区间，进一步进行以下步骤的判断：
最后，将按压头（8）对微纳光纤（2）的锥区施加压力位置向微纳光纤（2）的腰区中间方向继续移动一段较长距离，并施加相同大小的压力，通过微纳光纤（2）输出光谱；
如果施加压力下移动较长距离后的输出光谱和施加压力下移动较长距离前的输出光谱具有中间压缩或者短波压缩的情况，则当前按压头（8）施加压力的位置是位于第一区间，否则当前按压头（8）施加压力的位置是位于第三区间。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力位置检测方法，其特征在于：经过微纳光纤（2）所检测到的光谱变化对待测压力的位置和大小进行检测。
3.根据权利要求1所述的一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力位置检测方法，其特征在于：所述的输出光谱相比原始光谱的光谱曲线塌缩明显且不稳定是指：每一波长在输出光谱中对应的光强相比在原始光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的峰值光强相比在原始光谱中的峰值光强更低，且输出光谱中的光谱曲线无法以正弦曲线进行拟合。
4.根据权利要求1所述的一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力位置检测方法，其特征在于：所述的短波压缩的情况是指：每一波长在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强降低，且两种光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合，并且：以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量比后光强减少量大；
所述的中间压缩的情况是指：每一波长在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强降低，且两种光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合；并且：以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量和后光强减少量之间的差值小于预设的光强减少阈值；
所述的长波压缩的情况是指：每一波长在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强降低，且输出光谱中的光谱曲线均能够以正弦曲线进行拟合，并且：以原始光谱中的峰值波长作为参考波长，取参考波长T-△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为前光强减少量，取参考波长T+△t处在后发生光谱中对应的光强相比在前发生光谱中对应的光强减少量作为后光强减少量，前光强减少量比后光强减少量小，△t表示预设的波长间隔。
5.根据权利要求1所述的一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力位置检测方法，其特征在于：当施加压力在第一区间时，通过将施加压力后的输出光谱输入到人工智能模型中进行处理，进而识别判断出施加压力在第一区间中的具体位置和压力大小。
6.用于实施权利要求1-5任一所述方法的一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力检测装置，其特征在于：所述装置包括白光光源（1）、微纳光纤（2）和用于光谱探测的光谱仪（3）、用于放置微纳光纤（2）的柔性基底（4）、用于覆盖微纳光纤（2）的柔性薄膜（5）、三维调节架（6）、三维压力传感器（7）和按压头（8）；微纳光纤（2）带有腰区，微纳光纤（2）放置在柔性基底（4）上并被上面的柔性薄膜（5）包埋，其中微纳光纤（2）的一端熔接单模光纤并直接连接白光光源（1），另一端熔接另一条单模光纤并直接与光谱仪（3）连接；在微纳光纤（2）正上方，通过一个三维调节架（6）安装设置一个三维压力传感器（7）；三维压力传感器（7）底面设置连接有一个按压头（8），按压头（8）用于施加压力到覆盖在微纳光纤（2）上的柔性薄膜（5）上进而施加在微纳光纤（2）上。
7.根据权利要求6所述的一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力检测装置，其特征在于：所述的微纳光纤（2）中间为小于原始直径的腰区，腰区两端均为保持原始直径的未拉伸部分，腰区两端分别和各自的未拉伸部分之间通过拉锥过渡区连接，拉锥过渡区作为锥区。
8.根据权利要求6所述的一种基于光谱变化的微纳光纤锥区受力检测装置，其特征在于：从白光光源（1）发出光束经微纳光纤（2）的拉锥过渡区和腰区传导至光谱仪（3）；当按压头（8）施加压力按压覆盖在微纳光纤（2）上面的柔性薄膜（5）上面，进而引起微纳光纤（2）的弯曲/变形，导致弯曲/变形弯处不同波长的光产生不同的弯曲损耗使得经微纳光纤（2）输出光谱的形状发生改变；最终通过光谱仪（3）所检测到的光谱变化，从而实现对微纳光纤（2）锥区和腰区的受力位置和受力大小的检测。
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