一种光纤角度传感器及其制备方法

1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤角度传感器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，角度传感器在工业建筑、人体运动与健康监测等领域逐渐成为研究热点。一般基于电类的角度传感器通过检测传感单元电阻、电容、电压等电学性质变化来实现传感。但电类传感单元易受电磁干扰等因素影响使得其应用发展受到阻碍。而基于光学的传感单元，尤其是光纤类传感具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、结构紧凑等优势更适合应用于人体运动与健康监测中。
3.光纤角度传感器通常分为两种：一种是基于波长调制，另一种是基于光强调制。基于波长调制的光纤角度传感器是通过检测波长的移动来检测角度弯曲程度，具有较高的精度和灵敏度，可以实现高精度的检测，如专利授权公告号cn108507598b的中国发明专利“一种光纤布拉格光栅角度传感器”，但是这种传感器往往都需要利用光谱仪等设备进行解调，结构复杂并且造价昂贵。基于光强调制的光纤角度传感器则是通过检测光强度的损耗来检测弯曲角度程度，解调信号是光强，使得解调电路简单并且成本低，如专利授权公告号cn111664811b 的中国发明专利“光纤角度传感器”，但是基于光强变化的光纤弯曲传感器的精度和灵敏度较低。
4.以上所述的光纤角度传感器大多使用石英光纤，相较之石英光纤质脆易碎，塑料光纤因其大芯径、弯曲半径小，柔韧性好以及易于进行结构改造等特点更适合于人体关节弯曲角度的监测。尽管塑料光纤有上述诸多优点但作为光纤角度传感器存在一个关键性问题：灵敏度低。为了提高塑料光纤的灵敏度，大多会对光纤本身结构进行改造，如刻槽、拉锥、侧面抛磨等，但光束经过这些光纤角度传感单元大部分光仍在纤芯中传输，若以输出光损耗变化量表征角度则很难得到较高的灵敏度。
5.因此，现有的光纤角度传感器主要存在着测量灵敏度低、结构复杂、制造难度大等技术问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种光纤角度传感器，该光纤角度传感器结构简单，且具有较高的精度和灵敏度。
7.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
8.一种光纤角度传感器，包括光纤传感单元和柔性封装单元；
9.所述光纤传感单元包括依次级联的输入光纤、u型光纤组和输出光纤，所述u型光纤组包括排布在同一平面内的n个u型光纤，n个所述u型光纤依次级联成蛇形线状，n为大于等于2的整数；
10.所述光纤传感单元被封装在所述柔性封装单元中，所述柔性封装单元的折射率小于所述光纤传感单元中光纤纤芯的折射率。
11.进一步的，所述u型光纤包括位于中间的弯曲光纤和两段分别位于两端的直光纤，n个所述u型光纤中的直光纤为平行排列。
12.进一步的，所述u型光纤中的弯曲光纤的弯曲半径为0.5～2mm。
13.进一步的，所述u型光纤由锥形结构光纤弯曲组成，其中位于中间的弯曲光纤由所述锥形结构光纤中间的锥腰区段形成。
14.进一步的，所述光纤传感单元中的光纤为塑料光纤，直径d为200～3000μm。
15.进一步的，所述锥形结构光纤的锥区段直径d为小于d/2、锥区段长度为10～20mm。
16.进一步的，所述柔性封装单元由聚二甲基硅氧烷膜制成。
17.本发明还提供了一种光纤角度传感器的制备方法，包括：
18.s1：将光纤放置在光纤夹具上，利用加热移动平台进行预热与拉伸，获得一个具有对称锥型结构的光纤；
19.s2：利用热定型技术，在光学显微镜下将光纤的锥区部分弯曲在固定直径的电热棒上加热定型，进行多次弯曲定型以获得u型光纤组。
20.优选的，所述步骤s1中，通过调整加热温度与移动速度来改变所述锥型结构的光纤锥腰区长度与直径。
21.本发明的有益效果：
22.(1)本发明u型光纤组中的直光纤段，在锥形光纤的基础上呈平行排布使得光纤的输出光损耗增大。随着弯曲角度越大，光损耗越大，因而具有较高的精度和灵敏度。多个u型光纤，使得传感器在角度弯曲时能够对光纤多个位置同时发生弯曲，并产生联动效应，获得比单纯的多次弯曲更好的传感灵敏度，从而实现高效传感，并且本发明传感器的灵敏度及工作范围可以通过改变n的数值以及锥形光纤直径来进行调整，使得本发明传感器的用途广泛。
23.(2)本发明采用拉锥的方法使得光纤的包层变薄，再以柔性封装材料pdms封装光纤，从而减小光纤与外界折射率差，增大其弯曲损耗，光纤在发生角度弯曲时，其弯曲方向与封装的薄膜平面垂直，从而使得因角度弯曲而泄漏的光更容易被泄漏到外界中，获得更高的传感灵敏度。而且，以柔性封装材料pdms封装光纤不仅可以避免光纤表面被磨损或受到污染，而且传感器多次弯曲后薄膜贴片内的光纤结构不发生相对位移，使得本发明传感器可以长时间稳定地工作。
24.(3)本发明采用选择性拉锥光纤结构，使得在角度弯曲部分的光纤具有小的直径，从而更容易产生弯曲损耗，而未拉锥的弯曲光纤部分具有更低的弯曲损耗，保证非角度弯曲区域具有低的传输损耗。
25.(4)本发明传感器的传感单元的光纤选择塑料光纤，易于制备，结构紧凑，具有可穿戴性。
附图说明
26.图1为根据本发明实施例的一种光纤角度传感器结构示意图，其中(a)图是n＝2个u 型弯曲基于锥形结构组成的传感单元结构图；(b)图是n＝3个u型弯曲基于锥形结构组成的传感单元结构图；(c)图是n＝4个u型弯曲基于锥形结构组成的传感单元结构图；
27.图2为根据本发明实施例的一种光纤角度传感器的测量装置图；
28.图3是本发明光纤参数变化的光功率损耗图(a)不同锥区直径d的输出光损耗随弯曲角度变化(b)不同锥区长度的输出光损耗随弯曲角度变化；
29.图4是本发明光纤角度传感器的工作曲线。
30.附图标记：
31.1—输入光纤；2—u型光纤；20—直光纤；21—弯曲光纤；4—薄膜形贴片；3—输出光纤；5—光源；6—探测器；7—转轴；8—第一支撑臂；9—第二支撑臂；10—测角仪。
具体实施方式
32.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种光纤角度传感器。
34.请参阅图1，根据本发明实施例的一种光纤角度传感器，包括光纤传感单元和柔性封装单元；
35.光纤传感单元包括依次级联的输入光纤1、u型光纤组和输出光纤3，u型光纤组包括排布在同一平面内的n个u型光纤2，n个u型光纤2依次级联成迂回的蛇形线状，n为大于等于2的整数，设置多个u型光纤2的结构，使得本发明传感器在角度弯曲时能够让光纤多处同时发生弯曲，并产生联动效应，获得比单纯的多次弯曲更好的传感灵敏度，从而实现高效传感。
36.光纤传感单元被封装在柔性封装单元中，柔性封装单元的折射率小于光纤传感单元中光纤纤芯的折射率。
37.作为优选方式，u型光纤2包括位于中间的弯曲光纤21和两段分别位于两端的直光纤 20，u型光纤由锥形结构光纤弯曲组成，位于中间的弯曲光纤21由锥形结构光纤中间的锥腰区段形成。本发明采用选择性拉锥光纤结构，使得在角度弯曲部分的光纤具有小的直径，从而更容易产生弯曲损耗，而未拉锥的弯曲光纤部分具有更低的弯曲损耗，保证非角度弯曲区域具有低的传输损耗。
38.进一步的，n个u型光纤2中的直光纤20为平行排列。直光纤20呈平行排布使得光纤的输出光损耗增大。随着弯曲角度越大，光损耗越大，因而具有较高的精度和灵敏度，并且传感器的灵敏度及工作范围可以通过改变n的数值以及锥形光纤直径来进行调整。
39.进一步的，光纤传感单元中的光纤为塑料光纤，直径d为500μm，纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.40。塑料光纤(pof)是由高透明聚合物如聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)作为芯层材料，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、氟塑料等作为包层材料的一类光纤，与石英光纤相比，具有易加工、易弯曲，不易折断等优点。
40.进一步的，在本实例中，光纤传感单元中锥形结构光纤的参数选择是经多次实验依据输出光损耗的变化情况得出，如图3显示，作为优选，u型光纤2中的弯曲光纤21的弯曲半径为0.5～2mm。锥形结构光纤的锥区段直径d小于d/2、锥区段长度为10～20mm。
41.进一步的，柔性封装单元由聚二甲基硅氧烷(pdms)膜贴片制成，聚二甲基硅氧烷 (pdms)膜折射率为1.40。以柔性封装材料pdms封装光纤不仅可以避免光纤表面被磨损或受到污染，而且传感器反复弯曲后薄膜贴片内的光纤结构不发生相对位移，使得本发明传感
器可以长时间稳定地工作。
42.本发明是实施例的柔性封装单元的制备方法具体包括以下步骤：
43.s1：首先，将原液与固化剂以10:1的比例混合搅拌均匀消气泡后得到pdms溶胶，再将 pdms溶胶旋涂在载玻片上，待固化后得到pdms膜，膜的厚度在250～500μm。
44.s2：其次，将多弯曲结构光纤传感单元放置到pdms膜上，再旋涂一层pdms溶胶，固化后则可以得到所需的封装结构。
45.根据本发明实施例的一种光纤角度传感器的制备方法，包括：
46.s1：将光纤放置在光纤夹具上，利用加热移动平台进行预热与拉伸，获得一个具有对称锥型结构的光纤，可以通过调整加热温度与移动速度来改变锥型结构的光纤锥腰区长度与直径；
47.s2：利用热定型技术，在光学显微镜下将光纤的锥区部分弯曲在固定直径的电热棒上加热定型，进行多次弯曲定型以获得u型光纤组。
48.下面以塑料光纤、光源、探测器等为例，以及以转轴连接支撑臂弯曲角度为例，介绍本发明光纤角度传感器的一种实际性能测试系统。
49.由于以下实施例中选用n个u型光纤2排布在同一平面内且封装在薄膜贴片中，将平铺时的测量角度设为180
°
。
50.将光纤角度传感器紧密固定在被测物体表面，使光纤角度传感器能够产生与被测物相同的弯曲角度。当光纤角度传感器未发生弯曲时规定此时的弯曲角度为180
°
，得到输出光损耗值。随着弯曲角度的变化，以弯曲角度为自变量，光损耗值为因变量进行分析，光损耗变化与对应的弯曲角度变化量的比值越大，即工作曲线的斜率趋势越陡，说明传感器的灵敏度越高，光损耗值随弯曲角度变化呈线性的区域越宽，说明传感器的工作范围越大。
51.如图2所示，输入光纤1的一端连接到光源5，u型光纤组紧贴于由转轴7、支撑臂8和支撑臂9组成角度测试装置，输出光纤3的输出光由探测器6收集，通过对比输出光强衰减的幅度，得到角度变化信息。以塑料光纤，直径在500μm，拉锥的锥区长度为10mm，u型结构的个数n为2，u型弯曲部分的弯曲半径为2mm的结构为例说明本发明传感器的技术效果。为了得到对比结果，选择分别与n＝0的u型结构、n＝2的无拉锥u型结构光纤的传感单元进行比较试验。
52.如图4所示，本发明光纤角度传感器中n＝2的u型锥形塑料光纤传感器的灵敏度为0.0871 db/
°
，比n＝0的u型结构锥形光纤灵敏度提高了六倍多，且在0～70
°
角度范围内，线性度较好，达到0.994。n＝2的u型结构灵敏度更高的原因是，2个u型结构在角度弯曲时，其锥区将发生三次弯曲。一方面是光从直光纤进入锥区，部分光线不再满足全反射将被辐射到外界环境中，产生光损耗。另一方面，锥区的两次弯曲使得光泄露在外部环境中，而被拉锥区域的包层对于光的束缚能力大大减弱，从而进一步增大了其输出光损耗。
53.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
54.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。