一种柱状柔性光纤光栅传感器

1.本实用新型属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种柱状柔性光纤光栅传感器。


背景技术：

2.目前，随着人们生活条件的不断提高，人们对于健康的重视程度不断加大。人们越来越看重体育活动可以对自身起到的锻炼保健功能，追求更高质量的运动效果。在市场上，消费者对于健康和健身控制方面的可穿戴技术装备表现出了浓厚的兴趣。可穿戴式传感器在健康检测与运动领域有着广阔前景。通过可穿戴式传感器，可以做到对人体运动的实时追踪(如整体姿态，肌肉收缩，关节弯曲)，检测运动中动作是否规范，从而进行纠正，避免运动中长期不规范的动作对人体造成损伤。此外可穿戴传感器还可以实时监测呼吸率、胸廓活动率等体征。通过收集这些体征数据可以分析人体状况是否正常。这些数据可以作为参考指标，使运动教练等指导人员为锻炼者制定更加合理的运动处方。
3.近年来国内外诸多可穿戴设备制造商与相关企业高校加大对运动检测设备与生命活动检测设备的研发力度。光电式、电阻式、生物电式等不同检测传感器方案被陆续提出。但是，现有传感检测设备大多具有不耐潮湿、功耗过高、生物兼容性差、很难实现人体全身形态的监测等问题存在。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种柱状柔性光纤光栅传感器。
5.本实用新型提供一种柱状柔性光纤光栅传感器，包括：光纤、光纤光栅、柔性光纤载体、封装薄膜；
6.所述柔性光纤载体为一空心圆柱状薄膜，所述柔性光纤载体的外表面布设有螺旋状凹槽；所述光纤光栅安装于所述光纤上，所述光纤光栅与所述光纤一同环绕在所述柔性光纤载体的所述螺旋状凹槽上；所述封装薄膜包覆所述光纤、所述光纤光栅和所述柔性光纤载体。
7.优选的，所述柔性光纤载体采用硅橡胶材料制成。
8.优选的，所述封装薄膜采用硅橡胶材料制成。
9.优选的，所述光纤为单模石英光纤。
10.优选的，所述光纤光栅为fbg光栅。
11.优选的，所述柔性光纤载体的外表面的第一区域部分布设有所述螺旋状凹槽，所述封装薄膜包覆所述光纤、所述光纤光栅和所述柔性光纤载体的所述第一区域。
12.本实用新型中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
13.在实用新型中，光纤光栅与光纤一同环绕在柔性光纤载体的螺旋状凹槽上，通过螺旋结构解决了传统的光纤光栅传感器延展性不足的限制，可以将光纤光栅传感应用于人体肌肉或者关节处等形变拉伸较大的部位，由于具有小型化的优点，还可灵活布设于人体全身，实现人体全身形态的监测。此外，封装薄膜包覆光纤、光纤光栅和柔性光纤载体，通过
封装薄膜能够将确保光纤光栅传感器具备耐潮湿和防水性能。本实用新型提供的柱状柔性光纤光栅传感器结构简单，选用的柔性材料不会对人体皮肤造成伤害，具备生物兼容的优点。
附图说明
14.图1为本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器的制备流程图；其中，图1(a)所示为光纤载体塑造模具，图1(b)所示为带有凹槽的圆柱状硅胶芯，图 1(c)所示为阶梯式圆柱二次浇注，图1(d)所示为ecoflex二次浇注过程，图1(e)所示为二次脱模后的光纤传感器；
15.图2为本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器的结构示意图；
16.图3为本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器检测拉伸工况的工作原理图；
17.图4为本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器检测弯曲工况的工作示意图；
18.图5为本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器监测呼吸率的工作示意图；
19.图6为本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器监测呼吸率的工作原理图；
20.图7为利用本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器对人体全身形态进行监测的示意图。
具体实施方式
21.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
22.本实施例提供了一种柱状柔性光纤光栅传感器，参见图1、图2、图3，包括：光纤、光纤光栅、柔性光纤载体、封装薄膜；所述柔性光纤载体为一空心圆柱状薄膜，所述柔性光纤载体的外表面布设有螺旋状凹槽；所述光纤光栅安装于所述光纤上，所述光纤光栅与所述光纤一同环绕在所述柔性光纤载体的所述螺旋状凹槽上；所述封装薄膜包覆所述光纤、所述光纤光栅和所述柔性光纤载体。
23.为了更好地理解本实用新型提供的柱状柔性光纤光栅传感器，下面对本实用新型对应的制作方法进行解释说明。
24.在制作本实用新型提供的柱状柔性光纤光栅传感器的过程中需要用到光纤载体塑造模具和光纤载体固定模具。参见图1(a)至图1(e)，传感器的制备流程大体可以分为：模具的第一次浇注及固化、圆柱膜具分型脱模、光纤的缠绕、阶梯式半圆柱再次浇注和最终固化脱模五个主要过程。
25.参见图1，所述光纤载体塑造模具包括一组(两个)半圆柱，所述半圆柱(即图1 中的一次固化模具101)的外围圆半径为r1，内围圆半径为r2，高度为h，两个所述半圆柱可拼成一个空心圆柱体，且使得内部载体凝固成型后易于分开。所述半圆柱的内表面设有一条环绕分布在体心上下对称、高度为h0、半径为r3的半圆蛇形状(螺旋状)突起，使得所注载体
溶液固化时制成留有同尺寸的螺旋状凹槽，利用所述光纤载体塑造模具得到所述柔性光纤载体。具体的，所述柔性光纤载体为用ecoflex系列的硅橡胶材料中a、b两种材料以1:1的质量比调配混合好的硅橡胶液态材料，注入到所述光纤载体塑造模具中，在100℃的条件下高温加热凝固后脱模取出得到的。
26.所述柔性光纤载体可以看做是带有凹槽的圆柱状硅胶芯，将所述光纤光栅安装于所述光纤上，然后将所述光纤光栅与所述光纤一同环绕在所述柔性光纤载体的所述螺旋状凹槽上。具体的，所述光纤的几何中心部位设有一所述光纤光栅，所述光纤光栅的尺寸与所述柔性光纤载体的凹槽的容纳空间相吻合。
27.所述光纤载体固定模具(即图1中的二次固化模具102)为一种倒置拱形体，内部构建如同阶梯式空心圆柱，且内围圆半径为r2，外围圆半径为r4。所述光纤载体固定模具的内部体心周围存在一个上下分布均匀、长度为h2的拱形凹槽，即二次浇注注胶区域。通过在所述光纤载体固定模具中浇注溶液得到所述封装薄膜，所述封装薄膜包覆所述光纤(即图1中的光纤103)、所述光纤光栅(即图1中的光栅104)和所述柔性光纤载体。具体的，所述封装薄膜为用ecoflex系列的硅橡胶材料中a、b两种材料以1:1的质量比调配混合好的硅橡胶液态材料，注入到所述光纤载体固定模具中，在100℃的条件下高温加热凝固后脱模取出得到的。
28.下面对本实用新型的应用进行举例说明。
29.将本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器利用医用黏性胶布固定于人关节或者是胸廓部位，可监测人体运动时的呼吸率，肌肉收缩情况。人体运动使传感器产生不同拉伸量，会造成传感器内部光纤光栅产生不同程度的轴向应变。该应变会使光栅的栅距发生改变，进而使解调仪接收的反射光谱中心波长发生变化，通过检测fbg中心波长的变化量，实现对被测参量的监测，参见图3。
30.参见图4，可利用本实用新型实施例提供的柱状柔性光纤光栅传感器检测弯曲工况。具体可将传感器通过绷带或者粘性医用胶带捆绑于人体肌肉或运动关节部位，当人体在运动时肌肉拉伸(弯曲)或者关节转动时会引起柔性光纤拉伸量的变化。在关节部位的传感器通过人体所带来的一定程度上的运动，传感器会进行正向/反向的拉伸/弯曲时，使光纤光栅的中心波长发生变化，具有较高的精度和灵敏度。
31.参见图5，可利用本实用新型实施例提供的柱状柔性光纤光栅传感器检测佩戴者的呼吸率。具体可将传感器缝合在普通弹性腰带上，然后被测人员佩戴腰带。参见图 6，假设人体处于呼出状态时为初始状态，附着于腹部的柔性传感器的长度为h，绕腹部的柔性传感器呈弧形，初始半径为r，圆心角为θ；吸气后腹部膨胀拖动传感器使传感器产生拉伸量，弧形半径增大δr，由此产生拉伸，长度增大为δh+h。得到变化量后，再根据拉伸长度随运动时间t的变化关系可得到呼吸率监测的理论模型。需要说明的是，本实用新型不涉及后期数据处理和理论模型的改进。
32.参见图7，可利用本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器对人体全身形态进行监测。具体可将多个柱状柔性光纤光栅传感器分布式固定在用户的关节、腹部、胸部等位置，安置时调整传感器使得用户身体处于直立状态时传感器为初始状态。通过若干柱状柔性光纤光栅传感器监测佩戴者的呼吸率以及活动时的各个关节转角的变化。例如，将1至10号传感器设置在一条光纤上，用于监测人体各主要关节的转动。将11至12号传
感器设置在另一条光纤上，用以监测人体运动时的呼吸率。将两根光纤分别接入解调仪，解调仪连接上位机，构建人运动状态监测系统。
33.本实用新型实施例提供的一种柱状柔性光纤光栅传感器至少包括如下技术效果：
34.(1)本实用新型所设计的光纤光栅螺旋结构解决了传统光纤光栅延展性不足的限制，可以将光纤光栅传感应用于人体肌肉或者关节处等这些形变拉伸较大的部位。
35.(2)本实用新型利用柔性材料将光纤光栅封装于柱状结构中，不仅可以将光纤光栅很好地与外界隔离，达到耐潮湿的性能，同时通过防水性实验也证明了这种利用柔性材料包裹封装的结构可以很好的起到防水作用。
36.(3)本实用新型具有小型化、多参数动态分布式分析反馈感知等优势，可实现对人体全身运动形态进行实时监测。
37.(4)本实用新型提供的传感器结构简单，具有更加强大的可伸缩性，可灵活安装于用户的重要关节外衣物表面而不影响其正常运动的自由度，从而提供用户运动的舒适条件。选用的柔性材料不会对人体皮肤造成伤害。
38.(5)本实用新型提供的传感器具有制造方式简单、成本低、解调电路简单、应用范围广泛、易于使用等优势，大大增加了实现产品化的可能性，市场前景广阔。
39.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。