柔性的光纤微弯曲装置、传感器和使用方法制造方法及图纸

一种装接在光纤上的柔性微弯曲装置，其包括具有至少一个柔性元件的上部弯曲元件栅架和具有至少一个柔性元件的下部弯曲元件栅架。该上部弯曲元件栅架与下部弯曲元件栅架交替地接合。该柔性微弯曲装置装接在光纤上以形成传感器。该传感器或嵌入到基质材料中，或装接到结构上以检测各种应力和应变。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤装置，具体涉及柔性的微弯曲装置，该装置装接在光纤上，并且使用在一用于测量结构内部应变的传感器布置中。
技术介绍
光纤可用于在光源和光检测器之间传递光线。通过弯曲或使光纤形变可以调制光纤中的光。这样便产生调制信号，该信号可以利用光检测器进行检测和处理。微弯曲装置可以用来使光纤发生形变，使通过光纤的光被频率调制，调制频率对应于作用于装置的力。通常该装置装在光纤上，使得它围绕光纤。一种已知的装置是两个有波纹的夹钳装置，该夹钳装置通过挤压光纤而调制通过光纤的光信号。Macedo等人的美国专利4342907说明这样一种装置，其中上件通过支承件牢固地连接于外壳。下件固定于柔性膜上。当静态压力或随时间变化的动态压力作用于膜时，该膜便发生形变，将下件推向上件，由此使固定在装置脊部上的光纤形变。在美国专利4443700中，也说明另一种方式的装置，其中由两个钢片形成一个夹钳，该夹钳具有波纹形的表面以及交织的脊部，可以利用该夹钳来挤压光纤，使光纤发生形变，这些装置均没有测量结构内部力所需的紧凑性和柔性。Kramer的美国专利5193129通过梯子式结构的横档编织光纤，然后将其封装在泡末材料中，并用一个包层将其包起来，由此进行微弯曲。在沿其长度方向作用于光纤任一段上的压力引起微弯曲时，通过该光纤传递的光的强度值可以减少到低于阈值的光强。该梯子式结构的横档其尺寸和间隔被定为可以提供形成微弯曲的正确位置。Sansone的美国专利5694497指出这种传感器中的一个缺点，即这种传感器必须应用要嵌入的结构的一部分来形成传感器布置。事实上，利用这种传感器受到限制，因为光纤必须编织在要测量的底衬或结构中，不能随后按需要再进行配置。Udd等人的美国专利5118931将微弯曲装置引入到传感器系统中，方法是将光纤熔化，同时将其拉伸使光纤具有较小的直径。然后将此光纤段连接于未融化的光纤上，形成一个传感器。光纤的形变将影响光纤中光的传播，从而可以根据检测的光通量的变化进行测量。和Kramer装置一样，这种装置的缺点是，一旦连接于光纤，随后再不能改变结构的位置。Sansone的美国专利5694497说明一种内在的自形变的微弯曲形变装置。在这种装置中，光纤沿其本身被扭曲起来。至少一个扭曲部分起到内在自形变的微弯曲形变装置的作用。这种装置的问题是，无法获得固定的周期和/或不能够调节传感器的灵敏度。本专利技术的目的是提供一种微弯曲装置，该微弯曲装置沿光纤长度可以从光纤上取下来或装在一段光纤上。本专利技术的另一目的是提供一种柔性的微弯曲装置。本专利技术的又一目的是提供一种使用柔性微弯曲装置的传感器，使得该传感器可以用光强进行测量。本专利技术的再一目的是提供一种使用具有柔性微弯曲装置的传感器的方法，使得该方法可用于测量径向力或线性力。
技术实现思路
本专利技术提供一种装接在光纤上的柔性的微弯曲装置。该装置包括上部弯曲元件栅架和下部弯曲元件栅架，前者具有至少一个柔性元件，后者也具有至少一个柔性元件，每个上部弯曲元件栅架与每个下部弯曲元件栅架交替地接合。当将装置装接在光纤上时，便形成一个光纤微弯曲传感器。该光纤位于上部弯曲元件栅架的每个柔性元件和下部弯曲元件栅架的每个柔性元件之间，使得在上、下弯曲元件栅架之间的每个元件交替排列。在使用时，传感器或装接在结构的表面上或嵌入到基质材料中。将光能引入到微弯曲传感器内，并且用检测器检测反射的光。本专利技术的其它目的和优点部分说明于下面的说明中，部分可以从这些说明中明显看出来，或可以通过实施本专利技术而理解到。利用在所附权利要求书中特别指出的部件组合可以看出本专利技术的目的和优点。附图说明附图示出本专利技术一个完整的实施例，此实施例是迄今实施本专利技术原理的最好模式，这些附图是 图1A是本专利技术柔性微弯曲装置的上部弯曲元件栅架的顶视图；图1B是本专利技术柔性微弯曲装置的下部弯曲元件栅架的顶视图；图2A示出柔性的微弯曲装置的组装；图2B是柔性的微弯曲装置组装后的顶视图；图3是光纤微弯曲传感器的顶视图；图4示出传感器排列；图5A示出用于光纤微弯曲传感器的光学配置；图5B示出用于光纤微弯曲传感器的另一种光学配置；以及图6是光纤微弯曲传感器的侧视图，该传感器已被封装和嵌入到机体材料中。具体实施例方式现在参考附图，所有图中相似的元件用相同的标记表示，图1A和1B示出本专利技术的柔性的微弯曲装置10。对于此说明书和所附的权利要求书，所谓“柔性”是指该装置可以承受形变而不破裂。每个微弯曲装置10包括上部弯曲元件栅架20和下部弯曲元件栅架30。虽然图1A示出上部弯曲元件栅架20和图1B示出下部弯曲元件栅架30，但是这两个栅架可以反过来。每个弯曲元件栅架20和30包括至少一个柔性元件40、50。每个上部柔性元件40从上部互锁部件60伸出，而每个下部柔性元件50从下部互锁部件70伸出。图1A和1B示出优选实施例，其中每个弯曲元件栅架20、30包括多个弯曲元件40、50。然而本专利技术采用只有一个柔性元件的上部弯曲元件栅架和只有一个柔性元件的下部弯曲元件栅架也可以进行操作。每个柔性元件具有特定的宽度w、直径d和形成周期Λ的隔开距离。柔性元件的直径影响装置的灵敏度。已经发现，小直径的柔性元件比大直径的柔性元件更容易移动。每个柔性元件在一端具有固定位置，或在柔性元件固定于互锁部件的这一端具有固定位置，以便形成固定的周期Λ。该周期取决于用在传感器中的光纤是单模光纤还是多模光纤。柔性元件最好用从下面一组材料中选出的材料制成，这组材料是可模制的塑料、微加工的硅、弹性体和硅石纤维。硅石纤维的例子是切成适当长度的有涂层的光纤。互锁部件最好用从下面一组材料选出的材料制成，即可模制的塑料、微加工的硅和弹性体。如果采用微加工的硅，则可以在硅上腐蚀出V型槽，由此形成互锁部件。图2A示出如何将上部弯曲元件栅架20和下部弯曲元件栅架30组装在一起，以形成柔性微弯曲装置。上部弯曲元件栅架20具有至少一个位于每个柔性元件40端部的上部互锁部件60。同样，下部弯曲元件栅架30具有至少一个位于每个柔性部件50端部的下部互锁部件70。当接合时，上部弯曲元件栅架20的每个上部互锁部件60与下部弯曲元件栅架30的每个相应下部柔性元件50配合，使得下部柔性元件50嵌入上部互锁部件60内。同样，下部弯曲元件栅架30的每个下部互锁部件70与上部弯曲元件栅架20的每个相应下部柔性元件40配合，使得上部柔性元件40嵌入下部互锁部件70中。这样便可使上部弯曲元件栅架20固定于下部弯曲元件栅架30。在组装该装置时，该上部和下部互锁部件60、70均被示出为它们位于装置的同一侧面(或底部)。然而应当明白，可以这样放置上部互锁部件60，使其位于处在底部的下部互锁部件70的相反侧(顶侧)。也可以采用其它的适合于有关特殊应用的结构。图2B示出已经组装后的柔性微弯曲装置10。当上部弯曲元件栅架20与下部弯曲元件栅架30接合时，该柔性元件40、50是交替排列的。具体是，上部柔性元件40每隔一个柔性元件设置。这种啮合被定义为交替接合，或在其中，上部弯曲元件栅架交替地接合下部弯曲元件栅架。图3示出如何应用柔性微弯曲装置来形成光纤微弯曲传感器。在形成传感器时，将光纤80放置在上部弯曲元件栅架20的每个柔性元件40和下部弯曲元件栅架30的每个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于装接到光纤上的柔性微弯曲装置，该装置包括：上部弯曲元件栅架，其具有至少一个柔性元件；下部弯曲元件栅架，其具有至少一个柔性元件；并且其中，上部弯曲元件栅架的每个柔性元件与下部弯曲元件栅架的每个柔性元件交替地接合。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：KA莫菲，SA梅勒，ME琼斯，
申请(专利权)人：斯托伍德沃德公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]