專(zhuān)利名稱：用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的纖維應(yīng)變傳感器以及測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的系統(tǒng)、方法以及纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器。
背景技術(shù)：
光學(xué)纖維傳感器具有特定的優(yōu)點(diǎn)，包括不受電磁干擾的影響、重量輕、尺寸小、靈 敏度高、帶寬大，以及容易進(jìn)行信號(hào)光線傳播(signal lighttransmission).近年來(lái)，光學(xué) 纖維傳感器在控制壓力、應(yīng)變、位移、溫度和濕度方面的用途變得日益普遍。已經(jīng)有三種技術(shù)應(yīng)用于聚合物光學(xué)纖維(POF)傳感器領(lǐng)域干涉技術(shù)、纖維布拉 格衍射光柵(FBG)技術(shù)，以及光時(shí)域反射(OTDR)。這三種技術(shù)都具有非常高的靈敏度，但 是，它們需要復(fù)雜和昂貴的測(cè)量設(shè)備。測(cè)量結(jié)果對(duì)溫度的變化是非常敏感的，因此，需要使 用復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)。而且，這些傳感器對(duì)于大的反復(fù)形變具有非常有限的應(yīng)變范圍。針對(duì)使用POF傳感器對(duì)混凝土梁的裂紋檢查和垂直偏離監(jiān)測(cè)，已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研 究，其中，為了提高傳感性能，任意地除去一段橫截面輪廓。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于彎曲的多環(huán)POF的光學(xué)位移傳感器，所述彎曲的多環(huán)POF在其芯 的外側(cè)具有多結(jié)構(gòu)缺陷。發(fā)現(xiàn)功率損耗對(duì)于增加的缺陷的深度特別敏感。已經(jīng)使用宏彎曲POF進(jìn)行重量的測(cè)量。宏彎曲POF與便宜且簡(jiǎn)單的具有強(qiáng)度調(diào)制 的傳感器一起使用。當(dāng)塑料光學(xué)纖維完全地并且剛性地附著在金屬懸臂梁上時(shí)，其在以重 量形式測(cè)量作用力方面是足夠靈敏的。已經(jīng)借助幾何光學(xué)(器件)來(lái)模擬曲率傳感器。單獨(dú)計(jì)算了在鋸齒狀感光區(qū)的許 多平面中的每一個(gè)平面上發(fā)生折射的功率的分?jǐn)?shù)。在這種光纖傳感器的操作中涉及基本原 理的模型實(shí)現(xiàn)的可視化，從而能夠獲得更好的定性理解。WO 94/29671公開(kāi)了一種曲率或彎曲和位移傳感器，所述傳感器由初始筆直的光 纖或光波導(dǎo)組成。所述傳感器用于連接彎曲的或者發(fā)生位移的一個(gè)或多個(gè)元件。纖維的曲 率導(dǎo)致宏彎曲損耗(macrobending loss)，這有時(shí)伴隨著在除測(cè)量曲率的平面以外的其他 平面上產(chǎn)生疊加曲率。檢測(cè)這種宏彎曲損耗。使用光損耗檢測(cè)來(lái)產(chǎn)生曲率或位移的指標(biāo)。美國(guó)專(zhuān)利US 5，900，556公開(kāi)了一種基于宏彎曲損耗的螺旋光學(xué)纖維傳感器。所 述傳感器嵌在混凝土中，并且用于監(jiān)測(cè)由于壓縮、拉伸和彎曲所造成的形變(應(yīng)變)。螺旋 光學(xué)纖維的材料是硅橡膠。該專(zhuān)利沒(méi)有公開(kāi)所述傳感器的形變和靈敏度的范圍。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的纖維光學(xué)應(yīng)變傳感 器，所述傳感器包括柔性聚合物光學(xué)纖維(POF)，所述纖維呈一系列延伸環(huán)的形式，所述延伸環(huán)是柔性 的從而能夠在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；在所述纖維的至少一側(cè)上形成的凹槽；其中，通過(guò)檢測(cè)光功率傳輸損耗(light power transmission loss)穿過(guò)所述凹槽的變化，來(lái)測(cè)量施加在應(yīng)變傳感器上的應(yīng)變(strain)的量，所述變化是由于在應(yīng)變傳感 器上施加應(yīng)變時(shí)所述凹槽的形狀變化所引起的。可以借助光檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)光功率的變化。凹槽的數(shù)量和形狀可以與傳感器的軸向應(yīng)變相關(guān)聯(lián)。可以借助選自以下的任何一種技術(shù)在纖維上形成凹槽激光燒蝕、電子束、熱絲 ((hot wire)和機(jī)械切割。可以在纖維的每個(gè)環(huán)的頂部或底部形成凹槽?？梢詫鞲衅鬟B接至彈性基底以檢測(cè)施加在彈性基底上的應(yīng)變，可以借助選自以 下的任何一種技術(shù)進(jìn)行連接硅膠水、環(huán)氧膠水、螺紋(thread)，及其它們的任何組合。凹槽可以是“V”形的、矩形的或圓形的。光功率的變化可以是相對(duì)于對(duì)應(yīng)變傳感器施加應(yīng)變之前的光功率增大或減小。在本發(fā)明的第二方面，提供一種用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的測(cè)量系統(tǒng)，其包括纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器，其包括呈一系列延伸環(huán)的形式的柔性聚合物光學(xué)纖維 (POF)，所述延伸環(huán)是柔性的以允許在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；以及形成在所述纖維的至少一側(cè)上的凹 槽；與POF相連接的光源；以及光檢測(cè)器，用于檢測(cè)光功率傳輸損耗穿過(guò)所述凹槽的變化，所述變化是由于在應(yīng) 變傳感器上施加應(yīng)變時(shí)所述凹槽的形狀變化所引起的。應(yīng)變傳感器可以連接至彈性基底。彈性基底能夠發(fā)生大的反復(fù)形變，而沒(méi)有顯著 的作用力-形變滯后作用。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)，用于控制所施加的應(yīng)變以及顯示光功率，并且 記錄由光檢測(cè)器檢測(cè)到的光功率的變化。光檢測(cè)器可以是纖維光學(xué)功率計(jì)。在本發(fā)明的第三方面，提供一種用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的方法，其包括檢測(cè)光功率傳輸損耗穿過(guò)所述凹槽的變化，所述凹槽形成在呈一系列延伸環(huán)形式 的柔性聚合物光學(xué)纖維(POF)的至少一側(cè)上，所述延伸環(huán)是柔性的以允許在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；其中，通過(guò)檢測(cè)光功率傳輸損耗穿過(guò)所述凹槽的變化，來(lái)測(cè)量施加在應(yīng)變傳感器 上的應(yīng)變的量，所述變化是由于在應(yīng)變傳感器上施加應(yīng)變時(shí)所述凹槽的形狀變化所引起 的。本發(fā)明涉及用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器。由于所述傳感器成本 低、柔性好、靈敏度高以及測(cè)量范圍廣，因此可以廣泛地使用。


下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實(shí)例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式用于測(cè)量大的反復(fù)形變的測(cè)量系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的POF傳感器的橫截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的POF傳感器的側(cè)視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的POF傳感器的放大側(cè)視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的POF傳感器的放大側(cè)視4
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的POF傳感器的放大側(cè)視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的POF傳感器的側(cè)視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的POF傳感器的側(cè)視圖；圖9是具有四個(gè)環(huán)并且沒(méi)有凹槽的現(xiàn)有技術(shù)的POF傳感器的歸一化校準(zhǔn)曲線 (normalized calibration curve)圖；圖10是具有四個(gè)凹槽的傳感器的三個(gè)應(yīng)變周期的歸一化校準(zhǔn)曲線圖；圖11是具有五個(gè)環(huán)并且沒(méi)有凹槽的現(xiàn)有技術(shù)的POF傳感器的歸一化校準(zhǔn)曲線圖； 以及圖12是具有兩個(gè)凹槽的傳感器的三個(gè)應(yīng)變周期的歸一化校準(zhǔn)曲線圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，提供一種用于測(cè)量大的反復(fù)形變的測(cè)量系統(tǒng)10。系統(tǒng)10大體上包括 光源11、聚合物光學(xué)纖維(POF)應(yīng)變傳感器12(箭頭表示外力的方向)，以及光檢測(cè)器13。 使用計(jì)算機(jī)14來(lái)控制所施加的應(yīng)變的大小并且顯示由光檢測(cè)器13所檢測(cè)的光功率。光 源11可以是燈泡或LED (波長(zhǎng)為390納米至1500納米)。優(yōu)選地，光源11直接耦聯(lián)至POF 20。LED 11經(jīng)由光學(xué)纖維適配器15將光線發(fā)射到POF 20上。優(yōu)選地，光檢測(cè)器是纖維光 功率計(jì)(fiber optic power meter) 13。應(yīng)變傳感器12在測(cè)量和監(jiān)控柔性結(jié)構(gòu)體的應(yīng)變、運(yùn)動(dòng)、大的應(yīng)變和作用在其上的 作用力方面具有廣泛的應(yīng)用。柔性結(jié)構(gòu)體包括光-膜建筑(light-membrane building)、降 落傘、氣囊、土工織物(geo-textile)和宇航結(jié)構(gòu)體。應(yīng)變傳感器12能夠檢測(cè)工程結(jié)構(gòu)體、 機(jī)械和藥物中的大的反復(fù)形變。其他應(yīng)用包括健康、醫(yī)藥、運(yùn)動(dòng)，以及人機(jī)界面。例如，應(yīng)變 傳感器12能夠使用核磁共振(NMR)光譜學(xué)監(jiān)測(cè)患者的呼吸速率，而不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。參見(jiàn)圖2，描述了應(yīng)變傳感器12的橫截面圖。D表示應(yīng)變傳感器12中的聚合物光 線纖維(POF) 20的直徑。POF 20的直徑的范圍在0. 1毫米至3毫米之間。d表示覆層的厚 度，其范圍在10微米至100微米之間。參見(jiàn)圖3，應(yīng)變傳感器12具有由一系列環(huán)40限定的結(jié)構(gòu)。R表示環(huán)40的中心與 POF 20的中心線之間的距離。距離R的范圍在5毫米至50毫米之間。η表示POF 20的環(huán) 40的數(shù)目，其范圍在2至10之間。POF 20是柔性的且成型為一系列延伸環(huán)40的形狀。POF 20連接在柔性和彈性基底30上。在POF 20的至少一側(cè)上開(kāi)槽口，從而在環(huán)40中形成凹槽 41。凹槽41可以是V形的、矩形的或圓形的，以及其他任何規(guī)則或不規(guī)則的形狀。能夠精 確地控制凹槽41的形狀和深度?？梢越柚枘z水、環(huán)氧膠水，或螺紋，或它們中的任意兩者或全部，將POF 20的環(huán) 固定在彈性基底30上。替代方法是經(jīng)由具有中空芯的可旋轉(zhuǎn)鉸鏈來(lái)固定POF 20，其中POF 20能夠穿過(guò)中空芯并固定在彈性基底30上。而且，應(yīng)變傳感器12能夠連接至柔性結(jié)構(gòu)體 的表面或者嵌在柔性結(jié)構(gòu)體內(nèi)。應(yīng)變傳感器12的末端分別連接至LED 11和纖維光功率計(jì) 13。能夠借助纖維光功率計(jì)13檢測(cè)通過(guò)POF 20中的凹槽41傳播的光的光功率。使用POF 20中的凹槽41來(lái)增大光功率傳輸損耗，用于改善靈敏度。當(dāng)拉伸應(yīng)變 傳感器12時(shí)，POF 20的曲率相應(yīng)地發(fā)生變化，POF 20中的凹槽41的形狀也發(fā)生變化。光 功率的變化取決于在施加給POF 20的不同應(yīng)變下凹槽41的形狀的變化。應(yīng)變與通過(guò)凹槽41的光功率傳播損耗之間存在可再現(xiàn)的關(guān)系。在圖3中，可以在每個(gè)環(huán)40的頂部㈧或者底部⑶上形成凹槽41，用于增大應(yīng) 變傳感器12的靈敏度。參見(jiàn)圖4至圖6，多種凹槽41都是可行的。使用激光在POF 20的環(huán)40上形成凹 槽41，從而能夠精確地控制凹槽41的形狀和深度。還可以通過(guò)激光燒蝕、電子束、熱絲或機(jī) 械切割在POF 20上形成凹槽41。參見(jiàn)圖4(a)，在環(huán)40的凸面上形成凹槽41。在圖4(b)中，在環(huán)40的凹面上形成 凹槽41。α表示V形凹槽的角度，其范圍在0°至150°之間。h表示V形凹槽41的深度， 其范圍在0.01毫米至D/2之間。參見(jiàn)圖5(a)，在環(huán)40的凸面上形成凹槽41。在圖5(b)中，在環(huán)40的凹面上形成 凹槽41。h表示矩形凹槽41的深度，其范圍在0.01毫米至D/2之間。w表示矩形凹槽41 的寬度，其范圍在0. 01米至2D之間。參見(jiàn)圖6(a)，在環(huán)40的凸面上形成凹槽41。在圖6(b)中，在環(huán)40的凹面上形成 凹槽41。r表示圓形凹槽的半徑，其范圍在0.01米至D/2之間。h表示圓形凹槽41的深 度，其范圍在0. 01毫米至r之間。存在于POF 20的環(huán)40上的凹槽41影響應(yīng)變傳感器12的靈敏度。圖7和圖8中 描述了兩種類(lèi)型的應(yīng)變傳感器12。參見(jiàn)圖7，在凹面環(huán)40上的點(diǎn)A、B、C和D處分別形成四個(gè)圓形凹槽41。環(huán)40的 半徑是1厘米，POF 20的直徑是500微米。參見(jiàn)圖8，描述了應(yīng)變傳感器12的五個(gè)環(huán)40。應(yīng)變傳感器的高度為3厘米，長(zhǎng)度 為7厘米。在凸面環(huán)上的點(diǎn)A和B處分別形成兩個(gè)圓形凹槽41。環(huán)40的半徑為0.5厘米， POF的直徑為250微米。應(yīng)變傳感器12固定在機(jī)械拉伸系統(tǒng)上，機(jī)械拉伸系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)14進(jìn)行控制。應(yīng) 變形變?yōu)?%至30%。借助纖維光功率計(jì)13來(lái)檢測(cè)光功率的變化，并且借助計(jì)算機(jī)14來(lái) 記錄光功率的變化。三個(gè)周期中都要進(jìn)行所有的測(cè)量。參見(jiàn)圖9，描述了現(xiàn)有技術(shù)的沒(méi)有凹槽的四環(huán)POF傳感器的歸一化校準(zhǔn)曲線。當(dāng)施 加給應(yīng)變傳感器的應(yīng)變?yōu)?%至30%時(shí)，光功率幾乎沒(méi)有變化，誤差率小于1. 5%。光功率 的變化是由宏彎曲造成的。光功率的變化太小，以至于無(wú)法檢測(cè)應(yīng)變傳感器的形變。參見(jiàn)圖10，描述了開(kāi)有四個(gè)凹槽41的應(yīng)變傳感器12的三個(gè)應(yīng)變周期的歸一化校 準(zhǔn)曲線。當(dāng)拉伸應(yīng)變傳感器時(shí)，凹面環(huán)上的凹槽41被拉伸地更大，導(dǎo)致光功率減小。這些 曲線還表明，傳感器12具有高的再現(xiàn)性。參見(jiàn)圖11，描述了現(xiàn)有技術(shù)的沒(méi)有凹槽的五環(huán)POF傳感器的歸一化校準(zhǔn)曲線。可 以看出，當(dāng)施加給應(yīng)變傳感器的應(yīng)變?yōu)?%至30%時(shí)，光功率幾乎沒(méi)有變化，誤差率小于1%。參見(jiàn)圖12，描述了開(kāi)有兩個(gè)凹槽41的應(yīng)變傳感器12的三個(gè)應(yīng)變周期的歸一化校 準(zhǔn)曲線。當(dāng)拉伸應(yīng)變傳感器時(shí)，凹面環(huán)上的凹槽41被壓縮地更窄，導(dǎo)致光功率增大。這些 曲線還表明，傳感器12具有高的再現(xiàn)性。應(yīng)變傳感器12的測(cè)量范圍廣泛并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在光學(xué)纖維表面的側(cè)面施加激光 燒蝕處理，以形成凹槽41并且增大應(yīng)變傳感器12的靈敏度。應(yīng)變傳感器12能夠檢測(cè)高達(dá)
630%的大的反復(fù)形變中的應(yīng)變。操作應(yīng)變傳感器12不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。使用功率測(cè)量代 替光譜測(cè)量。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本文中廣泛描述的本發(fā)明的范圍或精 神的前提下，可以對(duì)如特定實(shí)施方式中所示的本發(fā)明做出多種變化和/或改進(jìn)。因此，無(wú)論 從哪方面來(lái)看，本發(fā)明的實(shí)施方式應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是示例性的，而非限制性的。
權(quán)利要求
一種用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器，所述傳感器包括柔性聚合物光學(xué)纖維(POF)，呈一系列延伸環(huán)的形式，所述環(huán)是柔性的從而能夠在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；在所述纖維的至少一側(cè)上形成的凹槽；其中，通過(guò)檢測(cè)光功率傳輸損耗在所述凹槽上的變化，來(lái)測(cè)量施加在所述應(yīng)變傳感器上的應(yīng)變的量，所述變化是由于在所述應(yīng)變傳感器上施加應(yīng)變時(shí)所述凹槽的形狀變化所引起的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，借助光檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)光功率的變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述凹槽的數(shù)量和形狀與所述傳感器的軸向 應(yīng)變相關(guān)聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，借助選自以下的任何一種技術(shù)在所述纖維上 形成所述凹槽激光燒蝕、電子束、熱絲和機(jī)械切割。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，在所述纖維的每個(gè)環(huán)的頂部或底部形成所述凹槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，將所述傳感器連接至彈性基底以檢測(cè)施加在 所述彈性基底上的應(yīng)變，并且借助選自以下的任何一種技術(shù)進(jìn)行連接硅膠水、環(huán)氧膠水、 螺紋，及其它們的任何組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述凹槽是“V”形的、矩形的或圓形的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，光功率的變化是相對(duì)于對(duì)所述應(yīng)變傳感器施 加應(yīng)變之前的光功率增大或減小。
9.一種用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的測(cè)量系統(tǒng)，其包括纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器，其包括呈一系列延伸環(huán)形式的柔性聚合物光學(xué)纖維(POF)，所述 環(huán)是柔性的從而能夠在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；以及形成在所述纖維的至少一側(cè)上的凹槽；與POF相連接的光源；以及光檢測(cè)器，以檢測(cè)光功率傳輸損耗在所述凹槽上的變化，所述變化是由于在所述應(yīng)變 傳感器施加應(yīng)變時(shí)所述凹槽的形狀變化所引起的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述應(yīng)變傳感器連接至彈性基底。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)，以控制所施加的 應(yīng)變以及顯示光功率，并且記錄由所述光檢測(cè)器檢測(cè)到的光功率的變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述光檢測(cè)器是纖維光功率計(jì)。
13.一種用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的方法，其包括檢測(cè)光功率傳輸損耗在凹槽上的變化，所述凹槽形成在呈一系列延伸環(huán)形式的柔性聚 合物光學(xué)纖維(POF)的至少一側(cè)上，所述環(huán)是柔性的從而能夠在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其中，通過(guò)檢測(cè)光功率傳輸損耗在所述凹槽上的變化，來(lái)測(cè)量施加在應(yīng)變傳感器上的 應(yīng)變的量，所述變化是由于在應(yīng)變傳感器上施加應(yīng)變時(shí)所述凹槽的形狀變化所引起的。
全文摘要
一種用于檢測(cè)大的反復(fù)形變的測(cè)量系統(tǒng)(10)，包括纖維光學(xué)應(yīng)變傳感器(12)，其包括呈一系列延伸環(huán)(40)的形式的柔性聚合物光學(xué)纖維(POF)(20)，所述環(huán)(40)是柔性的以允許在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；以及形成在纖維(20)的至少一側(cè)上的凹槽(41)；與POF(20)相連接的光源(11)；以及光檢測(cè)器(13)，用于檢測(cè)光功率傳輸損耗在凹槽(41)上的變化，所述變化是由于在應(yīng)變傳感器(12)上施加應(yīng)變時(shí)凹槽(41)的形狀變化所引起的。
文檔編號(hào)G01B11/16GK101943568SQ20101019483
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者孫曉紅, 王廣峰, 許智遠(yuǎn), 鄭偉, 陶肖明 申請(qǐng)人:香港紡織及成衣研發(fā)中心