专利名称：用于检测大的反复形变的纤维应变传感器以及测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测大的反复形变的系统、方法以及纤维光学应变传感器。
背景技术：
光学纤维传感器具有特定的优点，包括不受电磁干扰的影响、重量轻、尺寸小、灵 敏度高、带宽大，以及容易进行信号光线传播(signal lighttransmission).近年来，光学 纤维传感器在控制压力、应变、位移、温度和湿度方面的用途变得日益普遍。已经有三种技术应用于聚合物光学纤维(POF)传感器领域干涉技术、纤维布拉 格衍射光栅(FBG)技术，以及光时域反射(OTDR)。这三种技术都具有非常高的灵敏度，但 是，它们需要复杂和昂贵的测量设备。测量结果对温度的变化是非常敏感的，因此，需要使 用复杂的补偿技术。而且，这些传感器对于大的反复形变具有非常有限的应变范围。针对使用POF传感器对混凝土梁的裂纹检查和垂直偏离监测，已经进行了实验研 究，其中，为了提高传感性能，任意地除去一段横截面轮廓。已经开发了基于弯曲的多环POF的光学位移传感器，所述弯曲的多环POF在其芯 的外侧具有多结构缺陷。发现功率损耗对于增加的缺陷的深度特别敏感。已经使用宏弯曲POF进行重量的测量。宏弯曲POF与便宜且简单的具有强度调制 的传感器一起使用。当塑料光学纤维完全地并且刚性地附着在金属悬臂梁上时，其在以重 量形式测量作用力方面是足够灵敏的。已经借助几何光学(器件)来模拟曲率传感器。单独计算了在锯齿状感光区的许 多平面中的每一个平面上发生折射的功率的分数。在这种光纤传感器的操作中涉及基本原 理的模型实现的可视化，从而能够获得更好的定性理解。WO 94/29671公开了一种曲率或弯曲和位移传感器，所述传感器由初始笔直的光 纤或光波导组成。所述传感器用于连接弯曲的或者发生位移的一个或多个元件。纤维的曲 率导致宏弯曲损耗(macrobending loss)，这有时伴随着在除测量曲率的平面以外的其他 平面上产生叠加曲率。检测这种宏弯曲损耗。使用光损耗检测来产生曲率或位移的指标。美国专利US 5，900，556公开了一种基于宏弯曲损耗的螺旋光学纤维传感器。所 述传感器嵌在混凝土中，并且用于监测由于压缩、拉伸和弯曲所造成的形变(应变)。螺旋 光学纤维的材料是硅橡胶。该专利没有公开所述传感器的形变和灵敏度的范围。
发明内容
在本发明的第一方面，提供了一种用于检测大的反复形变的纤维光学应变传感 器，所述传感器包括柔性聚合物光学纤维(POF)，所述纤维呈一系列延伸环的形式，所述延伸环是柔性 的从而能够在平面内旋转；在所述纤维的至少一侧上形成的凹槽；其中，通过检测光功率传输损耗(light power transmission loss)穿过所述凹槽的变化，来测量施加在应变传感器上的应变(strain)的量，所述变化是由于在应变传感 器上施加应变时所述凹槽的形状变化所引起的。可以借助光检测器来检测光功率的变化。凹槽的数量和形状可以与传感器的轴向应变相关联。可以借助选自以下的任何一种技术在纤维上形成凹槽激光烧蚀、电子束、热丝 ((hot wire)和机械切割。可以在纤维的每个环的顶部或底部形成凹槽。可以将传感器连接至弹性基底以检测施加在弹性基底上的应变，可以借助选自以 下的任何一种技术进行连接硅胶水、环氧胶水、螺纹(thread)，及其它们的任何组合。凹槽可以是“V”形的、矩形的或圆形的。光功率的变化可以是相对于对应变传感器施加应变之前的光功率增大或减小。在本发明的第二方面，提供一种用于检测大的反复形变的测量系统，其包括纤维光学应变传感器，其包括呈一系列延伸环的形式的柔性聚合物光学纤维 (POF)，所述延伸环是柔性的以允许在平面内旋转；以及形成在所述纤维的至少一侧上的凹 槽；与POF相连接的光源；以及光检测器，用于检测光功率传输损耗穿过所述凹槽的变化，所述变化是由于在应 变传感器上施加应变时所述凹槽的形状变化所引起的。应变传感器可以连接至弹性基底。弹性基底能够发生大的反复形变，而没有显著 的作用力-形变滞后作用。所述系统可以进一步包括计算机，用于控制所施加的应变以及显示光功率，并且 记录由光检测器检测到的光功率的变化。光检测器可以是纤维光学功率计。在本发明的第三方面，提供一种用于检测大的反复形变的方法，其包括检测光功率传输损耗穿过所述凹槽的变化，所述凹槽形成在呈一系列延伸环形式 的柔性聚合物光学纤维(POF)的至少一侧上，所述延伸环是柔性的以允许在平面内旋转；其中，通过检测光功率传输损耗穿过所述凹槽的变化，来测量施加在应变传感器 上的应变的量，所述变化是由于在应变传感器上施加应变时所述凹槽的形状变化所引起 的。本发明涉及用于检测大的反复形变的纤维光学应变传感器。由于所述传感器成本 低、柔性好、灵敏度高以及测量范围广，因此可以广泛地使用。
下面结合附图描述本发明的实例，其中图1是根据本发明的实施方式用于测量大的反复形变的测量系统的示意图；图2是根据本发明的实施方式的POF传感器的横截面图；图3是根据本发明的实施方式的POF传感器的侧视图；图4是根据本发明的实施方式的POF传感器的放大侧视图；图5是根据本发明的实施方式的POF传感器的放大侧视4
图6是根据本发明的实施方式的POF传感器的放大侧视图；图7是根据本发明的实施方式的POF传感器的侧视图；图8是根据本发明的实施方式的POF传感器的侧视图；图9是具有四个环并且没有凹槽的现有技术的POF传感器的归一化校准曲线 (normalized calibration curve)图；图10是具有四个凹槽的传感器的三个应变周期的归一化校准曲线图；图11是具有五个环并且没有凹槽的现有技术的POF传感器的归一化校准曲线图； 以及图12是具有两个凹槽的传感器的三个应变周期的归一化校准曲线图。
具体实施例方式参见图1，提供一种用于测量大的反复形变的测量系统10。系统10大体上包括 光源11、聚合物光学纤维(POF)应变传感器12(箭头表示外力的方向)，以及光检测器13。 使用计算机14来控制所施加的应变的大小并且显示由光检测器13所检测的光功率。光 源11可以是灯泡或LED (波长为390纳米至1500纳米)。优选地，光源11直接耦联至POF 20。LED 11经由光学纤维适配器15将光线发射到POF 20上。优选地，光检测器是纤维光 功率计(fiber optic power meter) 13。应变传感器12在测量和监控柔性结构体的应变、运动、大的应变和作用在其上的 作用力方面具有广泛的应用。柔性结构体包括光-膜建筑(light-membrane building)、降 落伞、气囊、土工织物(geo-textile)和宇航结构体。应变传感器12能够检测工程结构体、 机械和药物中的大的反复形变。其他应用包括健康、医药、运动，以及人机界面。例如，应变 传感器12能够使用核磁共振(NMR)光谱学监测患者的呼吸速率，而不会产生电磁干扰。参见图2，描述了应变传感器12的横截面图。D表示应变传感器12中的聚合物光 线纤维(POF) 20的直径。POF 20的直径的范围在0. 1毫米至3毫米之间。d表示覆层的厚 度，其范围在10微米至100微米之间。参见图3，应变传感器12具有由一系列环40限定的结构。R表示环40的中心与 POF 20的中心线之间的距离。距离R的范围在5毫米至50毫米之间。η表示POF 20的环 40的数目，其范围在2至10之间。POF 20是柔性的且成型为一系列延伸环40的形状。POF 20连接在柔性和弹性基底30上。在POF 20的至少一侧上开槽口，从而在环40中形成凹槽 41。凹槽41可以是V形的、矩形的或圆形的，以及其他任何规则或不规则的形状。能够精 确地控制凹槽41的形状和深度。可以借助硅胶水、环氧胶水，或螺纹，或它们中的任意两者或全部，将POF 20的环 固定在弹性基底30上。替代方法是经由具有中空芯的可旋转铰链来固定POF 20，其中POF 20能够穿过中空芯并固定在弹性基底30上。而且，应变传感器12能够连接至柔性结构体 的表面或者嵌在柔性结构体内。应变传感器12的末端分别连接至LED 11和纤维光功率计 13。能够借助纤维光功率计13检测通过POF 20中的凹槽41传播的光的光功率。使用POF 20中的凹槽41来增大光功率传输损耗，用于改善灵敏度。当拉伸应变 传感器12时，POF 20的曲率相应地发生变化，POF 20中的凹槽41的形状也发生变化。光 功率的变化取决于在施加给POF 20的不同应变下凹槽41的形状的变化。应变与通过凹槽41的光功率传播损耗之间存在可再现的关系。在图3中，可以在每个环40的顶部㈧或者底部⑶上形成凹槽41，用于增大应 变传感器12的灵敏度。参见图4至图6，多种凹槽41都是可行的。使用激光在POF 20的环40上形成凹 槽41，从而能够精确地控制凹槽41的形状和深度。还可以通过激光烧蚀、电子束、热丝或机 械切割在POF 20上形成凹槽41。参见图4(a)，在环40的凸面上形成凹槽41。在图4(b)中，在环40的凹面上形成 凹槽41。α表示V形凹槽的角度，其范围在0°至150°之间。h表示V形凹槽41的深度， 其范围在0.01毫米至D/2之间。参见图5(a)，在环40的凸面上形成凹槽41。在图5(b)中，在环40的凹面上形成 凹槽41。h表示矩形凹槽41的深度，其范围在0.01毫米至D/2之间。w表示矩形凹槽41 的宽度，其范围在0. 01米至2D之间。参见图6(a)，在环40的凸面上形成凹槽41。在图6(b)中，在环40的凹面上形成 凹槽41。r表示圆形凹槽的半径，其范围在0.01米至D/2之间。h表示圆形凹槽41的深 度，其范围在0. 01毫米至r之间。存在于POF 20的环40上的凹槽41影响应变传感器12的灵敏度。图7和图8中 描述了两种类型的应变传感器12。参见图7，在凹面环40上的点A、B、C和D处分别形成四个圆形凹槽41。环40的 半径是1厘米，POF 20的直径是500微米。参见图8，描述了应变传感器12的五个环40。应变传感器的高度为3厘米，长度 为7厘米。在凸面环上的点A和B处分别形成两个圆形凹槽41。环40的半径为0.5厘米， POF的直径为250微米。应变传感器12固定在机械拉伸系统上，机械拉伸系统由计算机14进行控制。应 变形变为0%至30%。借助纤维光功率计13来检测光功率的变化，并且借助计算机14来 记录光功率的变化。三个周期中都要进行所有的测量。参见图9，描述了现有技术的没有凹槽的四环POF传感器的归一化校准曲线。当施 加给应变传感器的应变为0%至30%时，光功率几乎没有变化，误差率小于1. 5%。光功率 的变化是由宏弯曲造成的。光功率的变化太�。灾劣谖薹觳庥Ρ浯衅鞯男伪�。参见图10，描述了开有四个凹槽41的应变传感器12的三个应变周期的归一化校 准曲线。当拉伸应变传感器时，凹面环上的凹槽41被拉伸地更大，导致光功率减小。这些 曲线还表明，传感器12具有高的再现性。参见图11，描述了现有技术的没有凹槽的五环POF传感器的归一化校准曲线。可 以看出，当施加给应变传感器的应变为0%至30%时，光功率几乎没有变化，误差率小于1%。参见图12，描述了开有两个凹槽41的应变传感器12的三个应变周期的归一化校 准曲线。当拉伸应变传感器时，凹面环上的凹槽41被压缩地更窄，导致光功率增大。这些 曲线还表明，传感器12具有高的再现性。应变传感器12的测量范围广泛并且设计简单。在光学纤维表面的侧面施加激光 烧蚀处理，以形成凹槽41并且增大应变传感器12的灵敏度。应变传感器12能够检测高达
630%的大的反复形变中的应变。操作应变传感器12不会产生电磁干扰。使用功率测量代 替光谱测量。 本领域的普通技术人员应当理解，在不偏离本文中广泛描述的本发明的范围或精 神的前提下，可以对如特定实施方式中所示的本发明做出多种变化和/或改进。因此，无论 从哪方面来看，本发明的实施方式应当认为是示例性的，而非限制性的。
权利要求
一种用于检测大的反复形变的纤维光学应变传感器，所述传感器包括柔性聚合物光学纤维(POF)，呈一系列延伸环的形式，所述环是柔性的从而能够在平面内旋转；在所述纤维的至少一侧上形成的凹槽；其中，通过检测光功率传输损耗在所述凹槽上的变化，来测量施加在所述应变传感器上的应变的量，所述变化是由于在所述应变传感器上施加应变时所述凹槽的形状变化所引起的。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，借助光检测器来检测光功率的变化。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述凹槽的数量和形状与所述传感器的轴向 应变相关联。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，借助选自以下的任何一种技术在所述纤维上 形成所述凹槽激光烧蚀、电子束、热丝和机械切割。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，在所述纤维的每个环的顶部或底部形成所述凹槽。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，将所述传感器连接至弹性基底以检测施加在 所述弹性基底上的应变，并且借助选自以下的任何一种技术进行连接硅胶水、环氧胶水、 螺纹，及其它们的任何组合。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述凹槽是“V”形的、矩形的或圆形的。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中，光功率的变化是相对于对所述应变传感器施 加应变之前的光功率增大或减小。
9.一种用于检测大的反复形变的测量系统，其包括纤维光学应变传感器，其包括呈一系列延伸环形式的柔性聚合物光学纤维(POF)，所述 环是柔性的从而能够在平面内旋转；以及形成在所述纤维的至少一侧上的凹槽；与POF相连接的光源；以及光检测器，以检测光功率传输损耗在所述凹槽上的变化，所述变化是由于在所述应变 传感器施加应变时所述凹槽的形状变化所引起的。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述应变传感器连接至弹性基底。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述系统进一步包括计算机，以控制所施加的 应变以及显示光功率，并且记录由所述光检测器检测到的光功率的变化。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光检测器是纤维光功率计。
13.一种用于检测大的反复形变的方法，其包括检测光功率传输损耗在凹槽上的变化，所述凹槽形成在呈一系列延伸环形式的柔性聚 合物光学纤维(POF)的至少一侧上，所述环是柔性的从而能够在平面内旋转，其中，通过检测光功率传输损耗在所述凹槽上的变化，来测量施加在应变传感器上的 应变的量，所述变化是由于在应变传感器上施加应变时所述凹槽的形状变化所引起的。
全文摘要
一种用于检测大的反复形变的测量系统(10)，包括纤维光学应变传感器(12)，其包括呈一系列延伸环(40)的形式的柔性聚合物光学纤维(POF)(20)，所述环(40)是柔性的以允许在平面内旋转；以及形成在纤维(20)的至少一侧上的凹槽(41)；与POF(20)相连接的光源(11)；以及光检测器(13)，用于检测光功率传输损耗在凹槽(41)上的变化，所述变化是由于在应变传感器(12)上施加应变时凹槽(41)的形状变化所引起的。
文档编号G01B11/16GK101943568SQ20101019483
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月7日 优先权日2009年6月10日
发明者孙晓红, 王广峰, 许智远, 郑伟, 陶肖明 申请人:香港纺织及成衣研发中心
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