[发明专利]一种微纳光纤阵列应力定位分析系统

说明书

本发明提出了一种微纳光纤阵列应力定位分析系统，将微纳光纤阵列、平面基底上和装压力触头的点阵基底相组合，形成完整的信号感知系统。微纳光纤阵列与传导光纤通过光信号收发模块通往信号处理模块，得到完整的信号收集、处理系统。光信号收发系统发出光信号进入微纳光纤阵列后，点阵基底受到的外力作用将被传递至压力触头上，使得透射光信号的相位和强度发生了变化，再传递回到信号收集器中并由处理器完成信号解析，达到计算出应力空间分布强度的目的，从而据此达到应力定位分析的作用。精准的应力定位分析可以准确知道具体部分的受力大小，进行快速分析。该系统可直接穿戴在人体手指或肩膀上，或植入人体细胞组织内部，促进人机互联技术的发展。

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种微纳光纤阵列与传导光纤及应力触头组成的应力传导结构，具体涉及一种基于该结构的应力定位分析系统。

背景技术

早在19世纪，人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进，这是早期光纤的模型。典型光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5μm)，中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm)，最外是加强用的树脂涂层。而微纳光纤的包层一般为空气或者水等低折射率介质，纤芯和包层折射率差较大，光纤对光场的约束能力很强，因此，微纳光纤弯曲损耗很低，与其它同尺寸大小的微纳光波导相比其传输损耗小得多，具有更广阔的应用前景。

目前现有的技术大多为对于压力(应力)的多点测量以及分布式测量。如：分布式光纤温度压力传感器、波分复用光纤氢气传感系统等。目前，现有的技术大多为对于压力(应力)的多点测量以及分布式测量。其中，与本专利最为相近的技术出自《基于REC技术的激光器阵列传感系统设计》红外与激光工程2017年第10期。该技术分析并提出了基于重构等效啾啁(REC)技术激光器阵列的传感系统和解调算法，提出了一种激光器扫描的高效算法用来测量光纤布拉格光栅(FBG)因外界应力而产生的位移量。该系统的独特性在于阵列激光器通道仅需调谐0.4nm采样数据，取代了扫描FBG主功率峰，并且算法在FBG的任意谱段均适用，可以用于多通道波峰复用的FBG传感网络中，可以在单通道和四通道的实验中对FBG反射谱的位移进行精确定位。然而，相关“精确定位”仅限于对应光纤内部栅型的结构变化，针对空间应力的空间分布及精准定位仍无法很好地实现，限制了相关技术在人机交互领域的应用。

发明内容

本发明解决了传统光纤对光场的约束能力弱，传输损耗大以及无法实现应力空间分布强度及定位的问题，提出了一种微纳光纤阵列应力定位分析系统。本发明创新性地提出以PDMS封装的阵列应力定位系统，能够更好地对于应力进行测量与定位。微纳光纤阵列与传导光纤结构应用于检测外界对此模块所施加的压力的微小变化所导致的光信号变化差异，以分析计算出应力的空间分布强度，实现各个部分应力大小的感知和定位，有望实现对人体手臂、手指用力大小，受力大小及位置等的检测，甚至可将该系统集成到可植入芯片内部，促进人机交互技术的发展。

为达到上述目的，本发明提出了一种微纳光纤阵列应力定位分析系统，采用的技术方案如下：包括触发装置以及信号收发与处理装置；触发装置包括平面基底、对称均匀微纳光纤阵列、点阵基底、压力触头；平面基底与点阵基底相对布置，对称均匀微纳光纤阵列安装在平面基底上，压力触头均匀分布在点阵基底与对称均匀微纳光纤阵列相对的一侧；压力触头沿对称均匀微纳光纤阵列上的每根光纤均匀分布；信号收发与处理装置包括光信号收发模块和信号处理模块；对称均匀微纳光纤阵列通过耦合器和传导光纤与光信号收发模块联通，形成光信号收发通路，光信号收发模块与信号处理模块联通；

该系统的工作流程如下：光信号收发模块发出光信号进入对称均匀微纳光纤阵列后，点阵基底受到的外力作用传递至压力触头上，压力触头向下作用于称均匀微纳光纤阵列上，使得对称均匀微纳光纤阵列中对应位置光纤的前向透射光信号的强度和相位，以及后向散射光信号的频率移动量发生变化，再传递回到信号收发模块中并由信号处理模块完成信号解析，达到应力定位分析的作用。