CN113138045A - 一种微纳光纤阵列应力定位分析*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种微纳光纤阵列应力定位分析***，将微纳光纤阵列、平面基底上和装压力触头的点阵基底相组合，形成完整的信号感知***。微纳光纤阵列与传导光纤通过光信号收发模块通往信号处理模块，得到完整的信号收集、处理***。光信号收发***发出光信号进入微纳光纤阵列后，点阵基底受到的外力作用将被传递至压力触头上，使得透射光信号的相位和强度发生了变化，再传递回到信号收集器中并由处理器完成信号解析，达到计算出应力空间分布强度的目的，从而据此达到应力定位分析的作用。精准的应力定位分析可以准确知道具体部分的受力大小，进行快速分析。该***可直接穿戴在人体手指或肩膀上，或植入人体细胞组织内部，促进人机互联技术的发展。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，涉及一种微纳光纤阵列与传导光纤及应力触头组成的应力传导结构，具体涉及一种基于该结构的应力定位分析***。
背景技术
早在19世纪，人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进，这是早期光纤的模型。典型光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5μm)，中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm)，最外是加强用的树脂涂层。而微纳光纤的包层一般为空气或者水等低折射率介质，纤芯和包层折射率差较大，光纤对光场的约束能力很强，因此，微纳光纤弯曲损耗很低，与其它同尺寸大小的微纳光波导相比其传输损耗小得多，具有更广阔的应用前景。
目前现有的技术大多为对于压力(应力)的多点测量以及分布式测量。如：分布式光纤温度压力传感器、波分复用光纤氢气传感***等。目前，现有的技术大多为对于压力(应力)的多点测量以及分布式测量。其中，与本专利最为相近的技术出自《基于REC技术的激光器阵列传感***设计》红外与激光工程2017年第10期。该技术分析并提出了基于重构等效啾啁(REC)技术激光器阵列的传感***和解调算法，提出了一种激光器扫描的高效算法用来测量光纤布拉格光栅(FBG)因外界应力而产生的位移量。该***的独特性在于阵列激光器通道仅需调谐0.4nm采样数据，取代了扫描FBG主功率峰，并且算法在FBG的任意谱段均适用，可以用于多通道波峰复用的FBG传感网络中，可以在单通道和四通道的实验中对FBG反射谱的位移进行精确定位。然而，相关“精确定位”仅限于对应光纤内部栅型的结构变化，针对空间应力的空间分布及精准定位仍无法很好地实现，限制了相关技术在人机交互领域的应用。
发明内容
本发明解决了传统光纤对光场的约束能力弱，传输损耗大以及无法实现应力空间分布强度及定位的问题，提出了一种微纳光纤阵列应力定位分析***。本发明创新性地提出以PDMS封装的阵列应力定位***，能够更好地对于应力进行测量与定位。微纳光纤阵列与传导光纤结构应用于检测外界对此模块所施加的压力的微小变化所导致的光信号变化差异，以分析计算出应力的空间分布强度，实现各个部分应力大小的感知和定位，有望实现对人体手臂、手指用力大小，受力大小及位置等的检测，甚至可将该***集成到可植入芯片内部，促进人机交互技术的发展。
为达到上述目的，本发明提出了一种微纳光纤阵列应力定位分析***，采用的技术方案如下：包括触发装置以及信号收发与处理装置；触发装置包括平面基底、对称均匀微纳光纤阵列、点阵基底、压力触头；平面基底与点阵基底相对布置，对称均匀微纳光纤阵列安装在平面基底上，压力触头均匀分布在点阵基底与对称均匀微纳光纤阵列相对的一侧；压力触头沿对称均匀微纳光纤阵列上的每根光纤均匀分布；信号收发与处理装置包括光信号收发模块和信号处理模块；对称均匀微纳光纤阵列通过耦合器和传导光纤与光信号收发模块联通，形成光信号收发通路，光信号收发模块与信号处理模块联通；
该***的工作流程如下：光信号收发模块发出光信号进入对称均匀微纳光纤阵列后，点阵基底受到的外力作用传递至压力触头上，压力触头向下作用于称均匀微纳光纤阵列上，使得对称均匀微纳光纤阵列中对应位置光纤的前向透射光信号的强度和相位，以及后向散射光信号的频率移动量发生变化，再传递回到信号收发模块中并由信号处理模块完成信号解析，达到应力定位分析的作用。
微纳光纤阵列在无应力作用的情况下不会发生形变，其内部保持稳定的性质，使得恒定发出的光信号有着稳定的接收信号；而当有应力作用时，微纳光纤发生形变，使得透射光信号的相位和强度发生了变化，再传递回到信号收集器中并由处理器完成信号解析，达到计算出应力空间分布强度的目的，从而据此达到应力定位分析的作用。
本发明中所使用的对称均匀微纳光纤阵列，该类微纳光纤的材料为二氧化硅，直径为1μm，使得每两个光纤间距为5mm。
采用的平面基底将使用杨氏模量较低的聚合物制成，若使用PDMS，则厚度设为1mm。增强结构的柔韧性，使该结构更加方便装配，可以在高风险，需要高精度作业的环境下进行高精度操作。
点阵基底的材料需要用聚酰亚胺，厚度大约为1mm，压力触头所使用的材料为硅。杨氏模量较高的硅聚合物，增加测量精确度，提高***的分辨力。
微纳光纤阵列呈直角S形排布，光纤直径为1μm，阵列光纤间距为5mm。
光纤结构尺寸在微纳米量级，可以产生光学倏逝场，可以感受结构微小形变。而阵列之间的间距为毫米级别，可以借此避免一些由于光纤阵列安装位置偏移带来的可能影响。而由于微纳光纤对于径向变化不敏感，温度的影响可以忽略。应力作用下光学倏逝场的变化被有效耦合到附近光纤内，形成作用应力为中心的平面光场强度分布，实现对应力作用场的可视化监测。
所述的信号处理模块，通过后向散射光信号的频率移动量，结合拉曼散射，布里渊散射完成信号解析，计算出应力的作用位置；同时，结合对正向透射光的强度和相位，计算出应力的作用大小和空间分布。
与现有的技术相比，该发明的有益效果是：
1)使用对称均匀微纳光纤阵列，可激发光学倏逝场，对于微小应力变化极为敏感；可借助光纤之间的高效光学耦合作用，实现对应力作用场的可视化监测；最终结合后向散射光定位应力位点；结合上述三个因素提高应力检测的可靠性。
2)用聚合物PDMS封装增强了结构的柔韧性，降低了光路的耗散，使该结构可直接穿戴在人体手指或肩膀上，有助于工人在高风险，需要高精度作业的环境下进行高精度操作，避免危险情况的发生。
可用于可穿戴式行为监测及辅助设备，通过对信号的解析，分析计算出应力的空间分布强度，实现对空间各个部分应力大小的感知和定位分析。
附图说明
图1为一种微纳光纤阵列应力定位分析***。
图中：1平面基底；2对称均匀微纳光纤阵列；3光信号收发模块；4传导光纤A；5耦合器A；6耦合器B；7传导光纤B；8信号处理模块；9点阵基底；10压力触头。
图2为微纳光纤阵列定位分析***表面法向力和滑动剪切力作用时的应力分布特点。
图中：网格划分等效于对应点阵基底9的单个点阵对应力作用的响应范围。
具体实施方式
下面通过技术文案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图所示，本发明的一种微纳光纤阵列应力定位分析***，主体为对称均匀微纳光纤阵列2和传导光纤A4、B7、及压力触头10耦合成的压力传导结构；光信号收发模块3发出光信号，经过传导光纤A4和耦合器A5进入对称均匀微纳光纤阵列2，当有应力作用于点阵基底9表面时，将传递到不同的压力触头10，进而作用于对称均匀微纳光纤阵列2上，使透射倏逝场的光信号相位和强度发生变化，同时会在对称均匀微纳光纤阵列2中产生后向散射光信号。
其中，点阵基底9包括多个定位单元，定位单元由一根光纤多个位点构成。当外界应力作用于点阵基底9表面时，会将应力通过不同的接触位点作用到光纤上，从而影响在光纤表面传播的光学倏逝场，最后通过对光信号强度和相位的分析，明确特定位点的应力作用强度和范围。当应力作用于点阵基底9表面时，相应部位产生向下的形变，通过压力触头10作用于对称均匀微纳光纤阵列2相应部位，使得该部分的透射光信号相位和强度发生变化，同时会在对称均匀微纳光纤阵列2中产生后向散射光信号。对称均匀微纳光纤阵列2的光纤外部光学倏逝场对于微小应力变化极为敏感。如图2所示，当该应力分析***受到法向压力作用场或者滑动剪切力作用场时，会在X和Y轴方向对光纤阵列产生作用，此时光纤排列成阵列型结构，应力作用下光学倏逝场的变化可被有效耦合到附近光纤内，形成作用应力为中心的平面光场强度分布，可实现对应力作用场的可视化监测。变化的透射光信号经过耦合器B6和传导光纤B7后由光信号收发模块3接收，同时向后散射的光信号经过耦合器A5和传导光纤A4后由光信号收发模块3接收，通过后向散射光信号的频率移动量来进行分析的，结合拉曼散射，布里渊散射完成信号解析，计算出应力的作用位置；同时，结合对正向透射光的强度和相位的分析，计算出应力的作用大小和空间分布。
由于是微纳米尺寸的对称式结构，所以该结构更易在外力作用下产生形变，灵敏度也相对较高。另外，本阵列采用PDMS进行封装，其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，性能优越，不易与其他物质进行化学反应，电绝缘性和耐候性、疏水性好，并具有很高的抗剪切能力，具有高耐久性。在温度适应方面，可在-50℃～200℃下长期使用，耐受温度范围广，可适用于不同的温度环境。
在实际应用中，经聚合物PDMS封装后，可增强结构的柔韧性，降低光路的耗散，精准的应力定位分析可以准确的知道目前那个部分的受力是多大，进行快速分析目标。由于其体积小等特点，可以嵌入微型芯片中，使该结构可直接穿戴在人体手指或肩膀上，或植入人体细胞组织内部，促进人机交互技术的发展。
Claims (6)
1.一种微纳光纤阵列应力定位分析***，其特征在于，包括触发装置以及信号收发与处理装置；触发装置包括平面基底(1)、对称均匀微纳光纤阵列(2)、点阵基底(9)、压力触头(10)；平面基底(1)与点阵基底(9)相对布置，对称均匀微纳光纤阵列(2)安装在平面基底(1)上，压力触头(10)均匀分布在点阵基底(9)与对称均匀微纳光纤阵列(2)相对的一侧；压力触头沿对称均匀微纳光纤阵列(2)上的每根光纤均匀分布；信号收发与处理装置包括光信号收发模块(3)和信号处理模块(8)；对称均匀微纳光纤阵列(2)通过耦合器和传导光纤与光信号收发模块(3)联通，形成光信号收发通路，光信号收发模块(3)与信号处理模块(8)联通；
该***的工作流程如下：光信号收发模块(3)发出光信号进入对称均匀微纳光纤阵列(2)后，点阵基底(9)受到的外力作用传递至压力触头(10)上，压力触头(10)向下作用于称均匀微纳光纤阵列(2)上，使得对称均匀微纳光纤阵列(2)中对应位置光纤的前向透射光信号的强度和相位，以及后向散射光信号的频率移动量发生变化，再传递回到信号收发模块(3)中并由信号处理模块(8)完成信号解析，达到应力定位分析的作用。
2.根据权利要求1所述的微纳光纤阵列应力定位分析***，其特征在于，所述平面基底(1)使用PDMS封装。
3.根据权利要求2所述的微纳光纤阵列应力定位分析***，其特征在于，平面基底(1)使用PDMS封装，厚度为1mm。
4.根据权利要求1所述的微纳光纤阵列应力定位分析***，其特征在于，所述的对称均匀微纳光纤阵列(2)，材料为二氧化硅，直径为1μm，该微纳米尺寸的光纤外部可激发光学倏逝场；光纤呈直角S形排布，光纤之间的间距为5mm。
5.根据权利要求1所述的微纳光纤阵列应力定位分析***，其特征在于，所述的信号处理模块(8)，通过后向散射光信号的频率移动量，结合拉曼散射，布里渊散射完成信号解析，计算出应力的作用位置；同时，结合对正向透射光的强度和相位，计算出应力的作用大小和空间分布。
6.根据权利要求1所述的微纳光纤阵列应力定位分析***，其特征在于，所述的点阵基底(9)的采用聚酰亚胺，厚度为1mm，压力触头(10)所使用的材料为硅。
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Non-Patent Citations (2)
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| 李科杰等: "新型光纤阵列触觉传感器", 《北京理工大学学报》 * |
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