一种扭转应力释放原理的光纤形状传感器及制作方法技术

本发明专利技术提供了一种扭转应力释放原理的光纤形状传感器及制作方法，光纤形状传感器包括用于实时感知光纤三维形状的光纤光栅传感器和用于抗扭转的超弹性套管组成；光纤光栅传感器包括光纤传感信号传输部和光纤形状传感部，光纤传感信号传输部和光纤形状传感部均为多芯光纤，光纤形状传感部刻制有布拉格光栅；超弹性套管由固定连接的固定头、导管组成，固定头固定于光纤传感信号传输部和光纤形状传感部的连接处，导管套设在光纤形状传感部外。本发明专利技术采用超弹性套管释放扭转应力，隔绝扭矩，防止光纤光栅传感器受到外界扭矩影响而发生扭转，使光纤光栅传感器只会产生弯曲形变。提高了光纤三维形状重构的精度，有利于光纤光栅传感器大规模应用。传感器大规模应用。传感器大规模应用。

【技术实现步骤摘要】
一种扭转应力释放原理的光纤形状传感器及制作方法


[0001]本专利技术涉及光纤光栅形状传感领域，尤其涉及一种扭转应力释放原理的光纤形状传感器及制作方法。

技术介绍

[0002]光纤形状传感器可用于机器人、柔性医疗器械等细长构件的视觉不可及区域的形状测量。目前主流的光纤形状传感方案有：基于光频域反射计(OFDR)技术的弱光栅分布式传感器和基于波分复用的布拉格光栅(FBG)准分布式传感器。OFDR技术具有较高的精度，但是在成本和解调速度上存在明显的限制。波分复用方案结构简单，成本低廉，有望大幅度节省成本，而定位精度有待提高。
[0003]为了提高波分复用方案的精度，采用的方法主要有使用结构更精确的多芯光纤、增加FBG点的数量、使用扭转光纤、传感器封装、以及优化算法等。阻碍光纤形状传感器精度进一步提高的主要障碍在于多芯光纤的扭转。螺旋光纤可以解调扭转量，但解调精度受限、螺旋光纤的一致性加工较为困难。因此，避免多芯光纤在使用过程中发生扭转对于进一步提高光纤形状传感器精度至关重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种扭转应力释放原理的光纤形状传感器及制作方法。通过在光纤光栅传感器上安装一根超弹性套管有效地防止了光纤光栅传感器在使用过程中出现扭转现象，提高了光纤三维形状重构的精度，有利于加快光纤光栅传感器在形状感知领域大规模商业化应用的步伐。
[0005]本专利技术采用的技术方案具体如下：
[0006]一种扭转应力释放原理的光纤形状传感器，包括用于实时感知光纤三维形状的光纤光栅传感器和用于抗扭转的超弹性套管组成；其中，所述光纤光栅传感器包括光纤传感信号传输部和光纤形状传感部，所述光纤传感信号传输部和光纤形状传感部均为多芯光纤，光纤形状传感部刻制有布拉格光栅；超弹性套管由固定连接的固定头、导管组成，固定头固定于光纤传感信号传输部和光纤形状传感部的连接处，作为光纤形状传感部的起始端，导管套设在光纤形状传感部外。
[0007]所述超弹性套管用于防止光纤光栅传感器中的光纤形状传感部扭转，使光纤形状传感部只会产生弯曲形变，提高光纤光栅传感器的传感信号解调精度。所述超弹性套管由固定头和导管组成。所述固定头位于光纤形状传感部的起始端，用于将导管稳固的固定于光纤传感部分。同时，固定头有效防止无套管部分光纤的扭转带动传感部分光纤的扭转。所述导管为一细长形状的空心圆管，直径略大于多芯光纤直径，由镍钛合金构成，也可以是由其他合金材料构成。
[0008]作为一优选方案，为使制作的光纤形状传感器有更好的光纤形状重构性能，可在导管与多芯光纤外表面之间加一层防抖动涂层。防抖动涂层的添加方法为，将防抖动溶液
注入导管中，之后将多芯光纤塞入导管中固化，固化完成后即得到一层防抖动涂层。
[0009]作为一优选方案，所述防抖动涂层由聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化而成，其中，防抖动溶液由质量比为10比1的聚二甲基硅氧烷与固化剂组成；此外所述防抖动涂层也可以由其他杨氏模量小，流动性好的物质固化而成。为使防抖动涂层有良好的防抖动性质，配置好防抖动溶液后应静置或使用真空干燥机除去溶液中的气泡，防止固化后的涂层中有空心区域。所述防抖动涂层充满于导管与多芯光纤外表面之间，防抖动涂层限制了导管内光纤的抖动范围，可有效防止光纤形状传感器使用过程中内部多芯光纤在导管内抖动，使重构出的光纤三维形状拥有良好的重复性。所述防抖动涂层与多芯光纤外表面的摩擦系数很小，因此可以有效降低外界带给多芯光纤的扭矩，防止光纤产生较大的扭转从而影响最终的重构结果。
[0010]作为一优选方案，为使固化后的光纤有更好的抗扭转性能，在固化前可通过光纤拉直器给光纤两端施加预置拉应力，待防抖动溶液固化为防抖动涂层后停止施加预置拉应力，使导管内的光纤始终处于紧绷状态，进一步提高其抗扭转能力。
[0011]进一步地，所述光纤光栅传感器还包括一个扇入扇出模块、若干单模光纤。所述扇入扇出模块用于将多芯光纤扇出至各单模光纤。所述各单模光纤与多通道解调仪连接时，主机可实时处理解调信号和重构光纤三维形状，并将重构出的光纤三维形状实时显示在监视器上。
[0012]进一步地，多芯光纤是用于感知光纤三维形状的光纤形状传感部和用于传输解调信号的光纤传感信号传输部的主要组成部件，所述多芯光纤可以是常规的直芯多芯光纤，也可以是可解调扭转的螺旋多芯光纤。
[0013]进一步地，光纤形状传感部对应的多芯光纤的每根纤芯均刻有若干个布拉格光栅，纤芯相同位置处的布拉格光栅参数均相同，纤芯不同位置上布拉格光栅的中心波长均不同。
[0014]进一步地，所述光纤形状传感器需配合多通道解调仪，主机，监视器使用，使用时所述光纤形状传感器的光纤形状传感部应塞入被感知物体的内部钳道中或者绑在被感知物体的外表面。所述光纤形状传感部实时感知光纤三维形状的原理为：光纤发生应变会使该位置处的FBG的中心波长发生变化，根据该位置FBG中心波长的变化量可计算出该位置光纤的三维曲率，针对各位置的曲率使用插值或曲线拟合的方法获得整个光纤形状传感部的曲率函数，最后通过弗莱纳框架重构出光纤形状传感部的三维形状。所述光纤形状传感器使用过程中，由多通道解调仪向光纤形状传感部实时发送光信号并根据接收到的传感信号测量出FBG中心波长的变化量，由主机根据各位置FBG中心波长的变化量计算各位置的三维曲率，重构光纤三维形状。
[0015]相比于传统的无抗扭转封装的光纤光栅传感器，本专利技术所述的基于扭转应力释放原理的光纤形状传感器在使用过程中不会发生较大的扭转，有效提高了传感信号的解调精度和光纤三维形状重构的精度，有利于光纤光栅传感器大规模应用于实际生活中。
[0016]一种扭转应力释放原理的光纤形状传感器的制作方法，包括以下步骤：
[0017]步骤1，在多芯光纤各纤芯上刻写布拉格光栅；其中，刻制布拉格光栅的多芯光纤作为光纤形状传感部，未刻制布拉格光栅的多芯光纤作为光纤传感信号传输部。
[0018]步骤2，将超弹性套管套设于光纤形状传感部外，并将固定头固定安装于多芯光纤
的光纤形状传感部的起始端。
[0019]进一步地，所述步骤1中，可通过相位掩膜版法或紫外光刻等方法在多芯光纤上刻写布拉格光栅。刻有布拉格光栅的光纤容易断裂，光栅刻制完成后为防止光栅处光纤断裂应使用光纤涂覆机在光栅处涂覆一层涂覆层保护光纤。所述步骤1中，当布拉格光栅数量较多、中心波长范围较大无法一次性刻写光栅时，可分批刻写布拉格光栅，刻完后再将刻写好的多芯光纤熔接成完整的多芯光纤。
[0020]进一步地，所述步骤2中，为使制作的光纤形状传感器有更好的光纤形状重构性能，可在导管与多芯光纤外表面之间加一层防抖动涂层。具体地，将固定头安装于多芯光纤的光纤形状传感部的起始端；将防抖动溶液注入导管中，之后将多芯光纤塞入导管中直至导管一端与固定头接触，然后固化，固化完成后即得到一层防抖动涂层。
[0021]进一步地，由于导管内径极小，液体在导管内难以流动，从上往下注液会在注入过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扭转应力释放原理的光纤形状传感器，其特征在于，包括用于实时感知光纤三维形状的光纤光栅传感器和用于抗扭转的超弹性套管组成；其中，所述光纤光栅传感器包括光纤传感信号传输部和光纤形状传感部，所述光纤传感信号传输部和光纤形状传感部均为多芯光纤，光纤形状传感部刻制有布拉格光栅；超弹性套管由固定连接的固定头、导管组成，固定头固定于光纤传感信号传输部和光纤形状传感部的连接处，作为光纤形状传感部的起始端，导管套设在光纤形状传感部外。2.根据权利要求1所述的光纤形状传感器，其特征在于，所述导管的材质为镍钛合金。3.根据权利要求1所述的光纤形状传感器，其特征在于，所述导管与光纤形状传感部之间还设有一层防抖动涂层。4.根据权利要求3所述的光纤形状传感器，其特征在于，所述防抖动涂层由防抖动溶液固化制成。5.根据权利要求4所述的光纤形状传感器，其特征在于，所述防抖动溶液由质量比为10比1的聚二甲基硅氧烷与固化剂组成。6.根据权利要求3所述的光纤形状传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器带有预置拉应力。7.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟雷欣，王立强，杨青，陈哲涵，庄圆，董文飞，葛明锋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：