基于SMF-PDMS-DCF的柔性曲率传感器设计.pdf

2024 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:“十四五”国家重点研发计划项目(2022YFB3103501);河南省高等学校重点科研项目(21B510001);安阳市科技计划项目(20382)收稿日期:2023-06-01基于 SMF-PDMS-DCF 的柔性曲率传感器设计未庆超1,2,周曙光31.河南机电职业学院巨通电梯学院;2.安阳学院计算机科学与数学学院;3.中国科学院信息工程研究所,信息安全国家重点实验室 摘要:为克服现有曲率传感器测量曲率范围小、灵敏度不高等缺陷,设计了一种以单模光纤(single mode fiber,SMF)和双芯光纤(double-core fiber,DCF)为干涉结构的 SMF-PDMS-DCF 柔性曲率传感器。该传感器使用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)柔性材料作为耦合器,将单模光纤和双芯光纤软连接起来,利用 PDMS 材料和双芯光纤构成悬臂梁,使悬臂梁弯曲可以检测出曲率大小。经实验表明:曲率在 04.119 8 m-1时,反射光的波长、光谱强度都和曲率之间具有良好的线性关系;从波长和曲率的关系看,灵敏度最高可达-0.311 8 nm/m-1;从光谱强度和曲率的关系看,灵敏度最高可到-1.671 5 dB/m-1。关键词:曲率传感器;双芯光纤;聚二甲基硅氧烷;曲率;灵敏度中图分类号:TP212 文献标识码:ADesign of Flexible Curvature Sensor Based on SMF-PDMS-DCFWEI Qingchao1,2,ZHOU Shuguang31.Jutong Elevator College,Henan Mechanical and Electrical Vocational College;2.School of Computer Science and Mathematics,Anyang University;3.Institute of Information Engineering,Chinese Academy of Sciences,State Key Laboratory of Information SecurityAbstract:In order to overcome the defects of small curvature range and low sensitivity of existing curvature sensor,a SMF-PDMS-DCF flexible curvature sensor with single mode fiber(SMF)and double core fiber(DCF)as the interference structure was designed.A flexible material called polydimethylsiloxane(PDMS)was used as a coupler to soft connect single-mode fiber and dual-core fiber.The cantilever beam was made of PDMS material and double core optical fiber.The curvature could be detec-ted by bending the cantilever beam.Experimental results show that when the curvature is within 04.119 8 m-1,the wavelength and intensity of the reflected light have a good linear relationship with the curvature.From the relationship between the wavelength and the curvature,the sensitivity is up to-0.311 8 nm/m-1.From the relationship between the light intensity and the curvature,the sensitivity can be up to-1.671 5 dB/m-1.Keywords:curvature sensor;dual-core fiber;polydimethylsiloxane;curvature;sensitivity0 引言在机械制造、航空航天、地震勘探等领域,曲率测量非常重要。目前学者研究了不同类型的光纤曲率传感器1-9,虽然其结构多样、灵敏度高,用在多通道干涉仪上,但其制造过程很复杂,灵活性降低,易受温度干扰,尤其是曲率测量范围多在 02.0 m-1以内,测量范围窄,缩小实际应用的范围。所以,设计了一种采用单模光纤和双芯光纤为干涉结构的、基于光纤迈克尔逊干涉仪的 SMF-PDMS-DCF 柔性曲率传感器,采用聚二甲基硅氧烷10柔性材料把 SMF 和 DCF拼接在一起,解决了该类传感器灵敏度低、曲率测量范围小的问题。1 SMF-PDMS-DCF 传感器的设计SMF-PDMS-DCF 传感器使用单模光纤和双芯光纤为干涉结构,利用聚二甲基硅氧烷柔性材料把 SMF和 DCF 软拼接在一起,其结构如图 1 所示。图 1 SMF-PDMS-DCF 传感器的结构示意图当光从 SMF 中传输通过 PDMS 进入 DCF 时,由于 PDMS 具有 100%透光率且有一定的宽度,光到51 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期PDMS 中会发生散射现象。双芯光纤 DCF 的横截面显微镜图像如图 2 所示。图 2 双芯光纤 DCF 的横截面显微镜图像SMF 和 DCF 的纤芯直径和位置的不同会产生纤芯失配,使穿过纤芯的一束光进入 DCF 的高阶包层,包层模被激发;另一束光继续沿着 DCF 的纤芯传输。这两束光分别穿过纤芯模、高阶包层模后在 DCF 中继续传播一定距离,再到达 DCF 端面,发生反射现象;沿原路返回经 PDMS 到 SMF 输出。DCF 弯曲时,纤芯模和高阶包层模的有效折射率发生变化,且弯曲程度不同,导致两束信号的光程之差也发生改变,可以通过检测输出光信号的光谱,判断 DCF 的弯曲程度,从而检测出曲率。光纤迈克尔逊干涉仪结构中,两个纤芯分别起着传感臂和参考臂的功能。2 SMF-PDMS-DCF 传感器的制作选取 一 段 纤 芯、包 层 的 直 径 分 别 为 9 m、125 m,折射率分别为 1.468 2、1.462 8 的 SMF,一段具有距离相差 36.5 m、直径分别为 5.5 m 和8.5 m、折射率均为 1.457 的中心芯和侧面芯的 DCF。非对称 DCF 的包层直径为 125 m,折射率为 1.444。将两种纤维的纤维端面切割成平面,用酒精清洗干净,再把 SMF 和 DCF 在显微镜下对准,使它们的切面相互接触。在 SMF 和 DCF 的连接点加上一滴PDMS 溶液(道康宁 DC184,质量比 10 1),使 PDMS溶液充分浸透到 SMF 和 DCF 的接触面,再去除多余溶液。通过加热固化进行软拼接,形成 SMF-PDMS-DCF 的级联结构。固化后,PDMS 具有较高的极限抗拉强度,使传感器的结构具有弹性和柔性,同时仍保持足够的强度,可用于光纤连接。3 光纤传感原理SMF-PDMS-DCF 传感器中纤芯模和高阶包层模之间干涉的强度 I11为I=(Icore+Iclad+2IcoreIcladcos)R(1)式中:Icore、Iclad分别为沿着纤芯模、高阶包层模传输的光的强度;为纤芯模和高阶包层模之间的相位差;R 为 DCF 端面的反射系数12。=2(ncoreeff-ncladeff)L=2Lneff(2)式中:L 为 DCF 的长度;为光纤中的光波长;ncoreeff和ncladeff分别为纤芯模、高阶包层模的有效折射率;neff为纤芯模和高阶包层模之间的有效折射率之差。R=(ncore-nncore+n)2(3)式中:ncore和 n 分别为纤芯、环境介质的折射率。当对 SMF-PDMS-DCF 传感器外加应力时,该传感器发生弯曲,PDMS 材料的对称性被打破,内部处于压缩状态,外部处于拉伸状态。随着曲率的变化,传感器的干涉长度将发生变化。同时,由于 PDMS 材料的热光效应13,高阶包层模的有效折射率会发生变化,使纤芯模和高阶包层模之间有效折射系数之差随曲率的变化而变化,相位差 也会发生变化。因此,可通过输出干扰频谱的变化来检测曲率。SMF-PDMS-DCF 传感器中,可将 PDMS 和 DCF看作传感器的悬臂梁。DCF 弯曲时,相当于对 PDMS外加应力,产生响应特性,通过有限元建模建立传感器的力学模型如图 3 所示。SMF 的末端固定在矩形固定台上,SMF 为固定端,PDMS 和 DCF 为自由端。当自由端在精密平移台的驱动下沿垂直方向弯曲时,可得到不同的曲率值。图 3 SMF-PDMS-DCF 曲率传感器的力学模型曲率 C14表示为C=1R=3LXS3(4)式中:R 为弯曲半径;S 为悬臂梁的长度;L 为 DCF 的长度;X 为 DCF 的位移距离。当 S 和 L 固定时,曲率 C 与 X 成正比关系。取L 为 3 cm,S 为 3.2 cm,仿真结果如图 4 所示。图 4(a)表明传感器中应变从 DCF 逐渐扩展到PDMS,图 4(b)表示传感器的应力分布。当 DCF 沿垂直方向弯曲时,最大应力位于 PDMS 处。当 PDMS受到明显的外部挤压力后,光的入射角发生变化,使更多的光从纤芯模进入光纤的包层模,从而增强了包61 第 2 期未庆超等:基于 SMF-PDMS-DCF 的柔性曲率传感器设计 层模式。当环境曲率变化时,包层模式的有效折射率变化很大。因此,传感器输出的反射干扰频谱会随曲率的变化发生明显变化。图 4 传感器中应变分布和应力分布4 实验测试测量曲率的实验装置框图如图5 所示。该实验装置由 SM125 光纤解调仪、SMF-PDMS-DCF 柔性曲率传感器、精密位移台和固定台组成。其中,SM125 光纤解调仪的波长分辨率为 0.001 nm、强度分辨率为0.01 dB;解调仪由光源和解调器组成,光源输出光谱的波长范围为 1 5101 590 nm、波长精度为 0.001 nm。精密位移台的可调范围为 05 cm、位移精度为 10 m。图 5 测量曲率的实验装置框图光源发射的光进入 SMF-PDMS-DCF 传感器中沿着 SMF 传输,经 PDMS 材料后分成 2 部分光,一部分光沿着 DCF 的纤芯模传输,另一部分光进入 DCF 的高阶包层传输。这两部分光到 DCF 末端面后发生反射,再沿着 DCF 传输,经 PDMS 材料,最后到 SMF 的初始端,输出反射光。反射光进入解调仪进行解调,把结果记录在 PC 中。在光传输过程中,操作精密位移台使传感器不同程度弯曲,获得不同的曲率。4.1 曲率标定实验在相同的实验条件下,选取长度为 2、3、4 cm DCF的 3 个 SMF-PDMS-DCF 柔性曲率传感器,分别测试其反射光谱,如图 6 所示,干涉条纹清晰,最大消光比为 17 dB,完成了干涉仪的构建。从图 6 可知:含 4 cm DCF 传感器的反射光谱中主峰最多,含 2 cm DCF 传感器的反射光谱中主峰最少,这表明 DCF 的长短影响反射光谱中主峰的数量。为分析干扰图样的特征,对图 6 中干扰频谱进行傅里叶变换,获得相应的空间频谱,如图 7 所示,在 3种频谱中都存在一个主峰和若干个弱峰,表明干扰频谱中有一个主激励包层模和若干个弱激励包层模。图 6 不同长度 DCF 下 SMF-PDMS-DCF 传感器的反射光谱所以,干涉图样主要由主包层模和纤芯模之间的干涉形成。同时看出,DCF 越长的传感器越能激发更多的高阶模式,而这些高阶模式对环境变化很敏感,所以将对曲率产生高度敏感的响应。因此,SMF-PDMS-DCF 传感器中不同长度的 DCF 对曲率影响不同。图 7 反射光谱的 FFT 频谱若传感器中 DCF 长度太短,如 2 cm 或更短,则在光源的光谱范围内可能没有共振峰。反之,DCF 长度太长,如 4 cm 或更长,则反射光谱中会出现较多个共振峰,但光谱形状会越来越杂乱,这不利于曲率测量。所以选取含 3 cm DCF 的 SMF-PDMS-DCF 传感器进行曲率测量实验。4.2 灵敏度实验室温 27 下,测试 SMF-PDMS-DCF 柔性曲率传感器的灵敏度。调整精密位移台,在 01 500 m 范围内以 100 m 的步长驱动 DCF 沿垂直于粗锥的方向线性移动,使 DCF 不同程度弯曲,从而得到不同的曲率值。在一定的曲率范围内记录传感器的反射光谱,如图 8 所示,在 04.119 8 m-1内,随着曲率增加,反射光谱的峰值位置逐渐向短波移动,呈现蓝移现象,71 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期光谱强度也逐渐向短波方向减小。图 8 曲率传感器在一定曲率范围下的反射光谱以光谱中波长为 1 545 nm 的干涉峰 Peak3 为例,分析其波长、光谱强度和曲率之间的关系,如图 9 所示。图 9 波长、光谱强度与曲率之间的关系随着曲率从 0 m-1到 4.119 8 m-1,波长从约1 544.23 nm 减小到 1 543.00 nm,呈现蓝移现象,并且以 0.983 3 的系数线性移动,线性拟合的关系式为式(5),这表明波长和曲率之间的关系稳定。y=-0.311 8x+1 544.278 1(5)随着曲率从 0 m-1到 4.119 8 m-1,光谱强度从约-44.218 1 dB 减小到-51.104 3 dB,以 0.982 3 的系数线性移动,线性拟合的关系式为y=-1.671 5x-44.218 1(6)所以,采用 SMF、PDMS 材料和 DCF 组成的结构提高了传感器的灵敏度,从波长和曲率的关系看,灵敏度最高可达-0.311 8 nm/m-1;从光谱强度和曲率的关系看,灵敏度最高可到-1.671 5 dB/m-1。同时,表明该传感器能进行大范围曲率检测,曲率范围为 04.119 8 m-1。5 结束语针对现有光纤传感器存在的缺点,设计了一种基于 SMF-PDMS-DCF 干涉结构的柔性光纤曲率传感器,利用 PDMS 耦合材料和 DCF 作为悬臂梁,调节DCF 的垂直位移大小,可获得不同的曲率,DCF 的长度对曲率有着较大的影响。在不同的曲率情况下测试了传感器的反射光谱以及波长、光谱强度和曲率之间的关系。实验结果表明:在 04.119 8 m-1的曲率范围内,该传感器的灵敏度最高,为-0.311 8 nm/m-1、-1.671 5 dB/m-1。同时也表明了传感器可测量大范围的曲率。设计的曲率传感器具有结构简单、高灵敏度、可检测曲率范围大的优点,可适用于各种工程结构的大范围健康监测。参考文献:1 ZHOU R,QIAO X,WANG R,et al.An optical fiber sensor based on lateral-offset spliced seven-core fiber for bending and stretching strain measurementJ.IEEE Sensors Jour-nal,2020,20(11):5915-5920.2 MARRUJO-GARCIA S,HERNANDEZ-ROMANO I,TORRES-CISNEROS M,et al.Temperature-independent curvature sensor based on in-fiber Mach-Zehnder interferometer using hollow-core fiberJ.Journal of Lightwave Technology,2020,38(15):4166-4173.3 XU S,CHEN H,FENG W.Fiber-optic curvature and temper-ature sensor based on the lateral-offset spliced SMF-FCF-SMF interference structureJ.Optics&Laser Technology,2021,141:107174.4QI K,ZHANG Y,SUN J,et al.High-performance bending sensor based on fiber microspheres array Michelson interfer-ometer J.IEEE Sensors Journal,2020,21(5):6145-6151.5NAN T,LIU B,WU Y,et al.Three-parameter measurement optical fiber sensor based on a hybrid structureJ.Applied Optics,2020,59(27):8190-8195.6 ZHU F,ZHANG Y,QU Y,et al.Fabry-Perot vector curvature sensor based on cavity length demodulationJ.Optical Fi-ber Technology,2020,60:102382.7 YANG W,WANG W,CHEN H,et al.Fiber-optic multimode interferometric curvature sensor based on small-inner-diame-ter hollow core fiberJ.Optical Fiber Technology,2021,67:102749.8 ZHU F,ZHANG Y,QU Y,et al.Fabry-Perot vector curvature sensor based on cavity length demodulationJ.Optical Fi-ber Technology,2020,60:102382.9 ZHUANG W,NIU H,DONG M,et al.A curvature sensor based on single mode-no-core-twisted single mode fiber structureJ.Optical Fiber Technology,2019,48:225-228.(下转第 27 页)81 第 2 期倪子威等:基于 CH579 的高速串口服务器 表 3 丢包率和误码率测试结果工作时长/h丢包率/%误码率/%10.063 5030.064 5060.065 0090.066 60120.065 20150.065 30180.065 10210.065 104 结束语基于 ARM-M0 内核的 CH579 单片机芯片设计的高速串口服务器充分利用了器件的内部资源(串口八级 FIFO 缓存和内置的 10 Mbit/s 收发器 PHY),通过配置系统时钟、优化串口数据接收方式、使用乒乓缓存方式、设计串口成帧机制,实现数据从串口到网口的高速透明传输。在此基础上,上位机远程配置串口参数和以太网接收端 IP 地址,实现串口设备高效灵活地接入以太网。参考文献:1 李鹏启,李娟亚,代波,等.一种基于 DSP+FPGA 的多路串口和以太网通信系统J.兵工自动化,2020,39(8):1-3.2 王庆贺,吴超,唐顺晨,等.基于 DSP 的以太网-RS422 通信转换器的设计与实现J.电子质量,2020,394(1):26-29.3 何凯彦,李维波,许智豪,等.基于双 CPU 的双以太网与双 RS-422 交互通信技术J.中国舰船研究,2020,15(3):177-184.4 徐巧玉,周新稳,王军委,等.一种 ARM+FPGA 的可裁剪以太网串口服务器设计J.河南科技大学学报(自然科学版),2018,39(6):24-29.5 王海勇.基于 ARM9 的嵌入式多串口服务器设计J.化工自动化及仪表,2022(3):372-376.6 余毅,苏淑靖.一种嵌入式多路以太网串口服务器设计J.电子设计工程,2023,31(2):141-145.7 蔡华锋,廖冬初,王小平,等.嵌入式以太网串口服务器设计J.湖北工业大学学报,2018,33(1):9-13.8 吴荣斌.基于 ARM9 的以太网串口服务器的设计与实现D.兰州:兰州交通大学,2014.9 曾广圣,曾维清,徐冉.一种基于 ARM 的以太网串口服务器的设计J.科技广场,2012(5):248-253.10 张峻豪,张晓龙,王聪,等.嵌入式以太网串口服务器设计与实现J.软件导刊,2021,20(9):123-129.11 陈晓锦,刘跃成,刘慧芳,等.高波特率网口与串口的转换模块设计J.单片机与嵌入式系统应用,2022,22(8):75-78.12 张洪强,张雪娜,程相文,等.数控机床 RS-232 串口转TCP/IP 网口技术研究J.现代制造程,2021(3):72-75.13 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C.Efects of ploymer micro-struc-tures on the thermo-optical properties of a flexible softmater film based on liquid crystals/polymer compositeJ.Poly-mer,2018,146:161-168.14FU Y,DI H,LIU R.Light intensity modulation fiber-optic sensor for curvature measurement J.Optics&Laser Technology,2010,42(4):594-599.作者简介:未庆超(1985),讲师,硕士,主要研究方向为电子技术。E-mail:625240971 通信作者:周曙光(1985),工程师,硕士,主要研究方向为电子技术。E-mail:515714861 72