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技术方案

本发明专利技术提供了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。传感器包括弹性基底，以及设置在弹性基底上的至少一条光纤；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，将传感器设置在被测物上，继而可以间接实现被测物形变或位移的检测。本发明专利技术传感器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。节传感器的灵敏度。节传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。本专利技术提出的光纤宏弯损耗传感器可以很好的解决这些问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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)。
[0013]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。
[0014]本专利技术还公开了一种所述传感器的制作方法；其包括如下步骤：
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]本专利技术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。
[0022]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果有：
[0023](1)相比较于传统的光纤光栅传感器，本专利技术可以测量更大的变形。
[0024](2)相比较于常见的光纤宏弯损耗传感器，本专利技术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。
[0025](3)想比较于常见的光纤宏弯损耗传感器，本专利技术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
[0026]图1为本专利技术一维位移传感器的结构示意图；
[0027]图2为本专利技术一维位移传感器的制作流程图；
[0028]图3为本专利技术一维位移传感器的一个应用实例架设图；
[0029]图4为图3所示的应用实例中的示波器信号结果；
[0030]图5位本专利技术一维位移传感器动态测量的结果图；
[0031]图6为本专利技术一维位移传感器的设计方案流程图。
[0032]图中，1
‑
弹性基底；2
‑
光纤。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]需要说明，本专利技术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。
[0035]另外，在本专利技术的描述中，“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述的弹性基底上设有多条光纤，各光纤均呈连续波浪状。3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述的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，其特征在于，所述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。5.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述的弹性基底在传感器初始状态下处于部分拉伸状态，弹性基底能够基于初始状态下发生收缩或伸长。6.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述弹性基底上，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。7.一种权利要求1所述的传感器的制作...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄国志，王宇涵，许著龙，王永，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：