一种基于光纤宏弯损耗以及纤基系统几何屈曲变形结合的传感器及其制作方法和应用

1.本发明属于传感器设计领域，具体涉及一种基于光纤宏弯损耗和纤基系统几何屈曲变形结合的传感器及其制作方法和应用。


背景技术：

2.光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，一般作为光传导工具。光纤在弯曲的情况下，一部分光会不满足全反射条件，会从侧面发生泄漏。光功率也会随之衰减。通过检测输出端光功率的变化，可以反应光纤的曲率变化程度。
3.工程实践或实验室研究中，有时会遇到结构的大变形应变测量问题。比如说如今学界较为热门的折纸结构，软体机器人等的变形测量研究以及工程中橡胶、硅胶等软物质的变形测量。对于这些应用场景，现有的检测方法主要有两类。一种是非接触测量，这种传感概念可由激光多普勒、dic等方法实现，其中，除非是三维系统，一般而言单探头激光多普勒仅适用于测量物体表面法线方向上位移，并不能测量物体表面的面内变形测量。dic测量对被测物体、被测物体的变形状态以及光路布置也都提出要求。由于相对较小的离面位移通常会导致成像系统放大倍数的改变，从而引起显著的面内位移测量误差，而且二者所需要的设备较为昂贵，成本较高。另一种方法是通过间接测量其他物理量的变化来推算物体应变的变化，比如说有应变片，光纤光栅传感器等方法，这些方法往往会存在量程不足，架设不方便、动态测量解调速度和带宽可能受限等问题。相对于这些测量方法，基于光纤宏弯损耗的应变传感器在面临这一问题时有着较好的表现，目前的大多数光纤宏弯损耗传感器有着测量位移不连贯，光纤弯曲曲率不稳定等问题。本发明提出的光纤宏弯损耗传感器可以很好的解决这些问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光纤宏弯损耗和纤基系统几何屈曲变形结合的传感器及其制作方法和应用。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种基于光纤宏弯损耗和纤基系统几何屈曲变形结合的传感器，其包括弹性基底，以及设置在弹性基底上的至少一条光纤；所述的光纤呈连续波浪状；弹性基底在光纤布置方向上发生形变时可带动波浪状光纤发生光纤弯曲曲率变化；所述的光纤一端连接光源，另一端连接光电二极管。
7.优选的，所述的弹性基底上设有多条光纤，每条光纤均呈波浪状。
8.优选的，所述多条光纤至少沿两个不同的方向布置，，所述的弹性基底可在光纤布置方向上发生形变，优选的，弹性基底上的各光纤的布置方向均不相同，所述弹性基底可在其所在平面任意方向发生形变。
9.优选的，弹性基底的材质应该是具有弹性的，且可以通过胶水固接、plasma表面改
性、紫外光臭氧照射表面改性或其他方式和光纤固接在一起的材料，例如可选择为ecoflex，pdms，vhb。
10.更为优选的，所述的弹性基底在传感器初始状态下处于部分拉伸状态，其可在初始状态下发生收缩或伸长。
11.所述的光纤型号可选为smf28；弹性基底上，光纤屈曲后形成的波浪形状的周期至少为三个以上，以规避边界对屈曲形状的影响。
12.优选的，所述波浪状光纤的每个波浪可以相同也可以不同；优选每个波浪均相同(波幅、波浪周期相同)。
13.所述的传感器的量程以及灵敏度可以由基底初始的拉伸率来调节，但量程应考虑弹性基底可承受的拉伸程度，拉伸程度过大可能会导致弹性基底的破裂。
14.本发明还公开了一种所述传感器的制作方法；其包括如下步骤：
15.1)将弹性基底在某一方向上预拉伸至设定的最大拉伸状态；
16.2)在预拉伸状态下，将光纤与弹性基底上表面固接，且光纤呈直线布置，光纤布置方向与弹性基底预拉伸方向相同；
17.3)取消弹性基底的预拉伸，由于弹性基底和光纤应变不匹配，经过自发的变形协调，光纤收缩成为波浪状；光纤一端连接光源，另一端连接光电二极管。
18.优选的，当需要在弹性基底上设置多条光纤时，在通过步骤1)-3)已经获得一个方向的传感器(一维位移传感器)的基础上，选择另一方向作为弹性基底的预拉伸方向，重复步骤1)-3)，即可得到可测量多个方向形变的传感器。
19.进一步的，可根据需要在多个方向上设置光纤，多条光纤在弹性基底上可以交叉，不会影响测量精度。
20.优选的，在所述步骤2)中，光纤与弹性基底的固结方式可以为胶水粘接、plasma表面改性、紫外光臭氧照射表面改性等方法，固接处要保证光纤和基底在变形时不会脱离，固接用的胶水质地偏软，不会影响光纤和弹性基底两者的变形结果。
21.本发明还进一步公开了应用所述传感器进行位移测量的方法，具体方法如下：将弹性基底在光纤方向上进行预拉伸；预拉伸程度应小于传感器制作过程的最大拉伸状态；然后将预拉伸状态的弹性基底固定到待测结构的表面；光纤一端连接光源，另一端连接光电二极管；待测结构在光纤布置方向上的位移信号将转变为光纤弯曲的曲率变化，光纤弯曲变化最终将改变光电二极管接受到的光功率信号变化，光电二极管将光功率信号转换成电信号输出，即可进行位移测量。
22.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
23.(1)相比较于传统的光纤光栅传感器，本发明可以测量更大的变形。
24.(2)相比较于常见的光纤宏弯损耗传感器，本发明的测量范围是连贯的，而且曲率可以通过力学分析确定，更为的精确。并且可以通过设计初始的预拉伸程度，来调节传感器的灵敏度。
25.(3)想比较于常见的光纤宏弯损耗传感器，本发明使用时只需要将基底粘接到被测物体的表面即可，操作简便。
附图说明
26.图1为本发明一维位移传感器的结构示意图；
27.图2为本发明一维位移传感器的制作流程图；
28.图3为本发明一维位移传感器的一个应用实例架设图；
29.图4为图3所示的应用实例中的示波器信号结果；
30.图5位本发明一维位移传感器动态测量的结果图；
31.图6为本发明一维位移传感器的设计方案流程图。
32.图中，1-弹性基底；2-光纤。
具体实施方式
33.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的一部分实施例，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作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。
34.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
35.另外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
38.如图1所示为本发明的一维位移传感器的装置示意图，所述的传感器包括弹性基底，以及设置在弹性基底上的一条光纤；所述的光纤呈连续波浪状；弹性基底在光纤方向上发生形变时可带动波浪状光纤发生光纤弯曲曲率变化；所述的光纤一端用于连接光源，另一端用于连接光电二极管。
39.如图2所示为本发明提供的基于光纤宏弯损耗和纤基系统几何屈曲现象的光纤传感器的设计制作流程示意图。具体步骤如下：
40.(1)先制作一块弹性薄板作为光纤传感器的基底，本发明对基底的材料及尺寸没有特别要求，材料可以是pdms，ecoflex，vhb等，可以根据具体应用需求进行选取。尺寸方面光纤轴向的尺寸可以根据实际应用场景选取，本实施案例采用的是ecoflex，侧向尺寸不能太窄，建议不要小于50mm，否则会发生蜷缩现象。厚度方面不宜太厚，建议为1-3mm。
41.(2)根据实际会产生的位移选择弹性基底的初始长度，在制作好满足实际需求的弹性基底后，计算可以满足量程的拉伸比。然后使用夹具将制作好的弹性基底拉伸到对应的拉伸比，该阶段称为预拉伸，预拉伸所采用的拉伸比必须在弹性基底的可承受范围内(即弹性基底可在撤销拉伸力后复原)，拉伸比越大，传感器的测量范围越大。拉伸期间尽量保
持边缘同步拉伸，使应变均匀。
42.(3)保持基底的预拉伸状态，将一根光纤笔直地固接在弹性基底的上表面。本实施例为保持对称，使光纤呈直线布置，固接在中线处。光纤布置方向和基底预拉伸的方向保持一致。
43.(4)取消基底的预拉伸，由于弹性基底和光纤的应变不匹配及变形协调。光纤会自发收缩为波浪状结构。并且随着基底的拉伸，光纤曲率可以变化，例如基底被拉伸时，光纤曲率变小直至光纤被弯曲拉直(完全拉直对应基底在步骤(2)和(3)中预拉伸的状态)。
44.如图3所示为图2所示传感器的一个应用实例。将本发明提出的位移传感器布置在一维拉伸仪上，本实例最大拉伸比为130％，屈曲光纤两端分别连接激光光源和光电二极管。为了呈现对比效果，本实例中将光源输出的激光接入了一个分光计来搭建对照光路。为了直观展示激光的光功率变化，本实例将光电二极管的输出电信号接入示波器，我们记录了随着一维拉伸仪带动我们的位移传感器变形示波器读取的电压值的变化，如图4所示。其中，虚线为对照组，表示激光从光源通过分光计直接接到光电二极管得到的信号，实线为激光从光源通过分光计输入本发明的位移传感器，在经历了本发明提出的位移传感器的损耗后接入到光电二极管后得到的信号。从图中可以看出光功率和位移基本呈正相关，存在多个线性区域。证明了我们所述的传感器的精度，以及测量大变形的能力。
45.在上述实例中，我们验证了本发明提出的位移传感器的静态传感能力。我们仍然采用图3所示的实验架设布局，通过一维拉伸仪对本发明提出的位移传感器进行循环拉伸收缩。通过示波器记录光电二极管转化得到的电信号，结果记录如图5所示。从图5可以看出，在动态测量中，整个测量过程结果线性度良好，可重复性高。证明了我们所述的传感器在动态位移测量方面的准确性和可靠性。
46.如图6所示为本发明面临实际应用时的设计方案，当使用者在面临测量的要求时，首先要根据工作场景来确定所需要的量程的具体范围。然后根据所需要的量程范围选择初步的基底尺寸和拉伸比，保证拉伸范围涵盖所需要的量程，并根据图2提供的流程来制作响应的位移传感器。然后观察制作好的位移传感器的线性传感区是否涵盖了工作场景所需要的位移区间。如果满足条件，则完成设计；如果不满足条件，则优先改变弹性基底的初始长度来调整线性传感区的位置，在调解失败时，改变弹性基底的拉伸比。如果仍旧无法调整至合适的范围，也可以通过改变弹性基底的材料来进行调节。
47.以上所述实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。