专利名称：可用作传感器或照明装置组件的光学纤维基质的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种包括功能光学纤维的分布式光学纤维稀松布
(scrim)的制造方法、由此制造的功能光学纤维稀松布、和其中结合 有光学纤维稀松布的复合材料。这种光学纤维稀松布可用于传感器组 件(例如，作为破裂、应变、压力或扭矩的检测器)、照明组件(例如， 在多种提供光的应用中)或数据分配组件。本发明的公开内容描述了 多种稀疏布织物，特别是粘接的非织造稀疏布材料，每种材料均包括 至少一种光学纤维，该光学纤维具有至少跨过织物长度或宽度的连续 通路。
背景技术：
过去就已经将光学纤维添加至纺织品结构、层压材料(laminate) 或复合材料中，以利用这些纤维的功能属性，如在较长的距离上传输 光和编码于光内的数据的能力。此外，对纤维进行改进——例如涂层 和/或纤维中的机械切口、纤维中的小半径弯曲部或光学纤维包层或保 护层的化学改性一一可以导致光从纤维泄漏，光传输降低。如果光传 输降低是由于与外部刺激的相互作用所致，则可以使用漏光来提供传 感特性。光信号输入的偏振、传播模式、介面效应的变化或者其它相 关光学参数的变化也可以加以处理，以在诸如纺织品基质的传感功能 性上获得所需的效应。另外可选地，光从光学纤维中泄漏可以为纺织 产品提供有意的照明效应。
:一些^^;中，光学纤维的载光和光分布功能用于为织物提供光 源或定向照明能力。
例如，美国专利第4,234,907号公开了在机织织物中使用光学纤维 代替一些传统纱线。光学纤维表面被有意地划伤，使得光可以从纤维
逃逸，为机织织物提供整体的照明。在该应用中有许多平行的光学纤 维，这些光学纤维必需在其末端聚集在一起，从而使光耦合进整个阵 列中，从而照亮整块布料。将光学纤维加入至机织结构中使纤维暴露 于巻曲和小半径的弯曲部。在径向或纬向上加入光学纤维。在纬向上，
使用能将光学纤维"末尾"仅留在一个织边(selvage)上的专用机器。 美国专利第4,652,981号利用光学纤维的载光能力来产生照明带。 在该应用中，光学纤维并不是结合在纺织品中，而是松散地捆扎在管 子中。
美国专利第4,727,603号描述了通过织物加进多根侧面发光的光学 纤维并将其连接在织物有美感的一侧用于在该表面上形成发光的美学 外观。这些纤维被捆扎在织物非美感的一侧上，从而将光引入其中。 这种加入光学纤维的方式通常是将光学纤维分布在表面上的一种更为 人工密集的方式，因为纤维是在纺织品制成之后添加到纺织品上，而 不是在织物形成过程屮结合的。
美国专利第4,875,144号是'603号专利的变体，其中光学纤维聚集 成束，使得不同颜色的光可以传输到不同的束中。美国专利第6,217,188 号是前述方法的另一变体，其使用颜色可变化的发光二极管和亮度控 制来产生更加吸引眼球的视觉显示以表现出纤维光学。在美国专利第 5,424，922号中，应用类似的结构产生发光的安全服装。在美国专利第 5,722,757号中，将发光二极管和不均匀的侧面发光光学纤维结合到软 物上，以便为诸如鞋提供照明。
美国专利第4,754,372号公开了一种具有纤维面的地板或墙壁覆盖 复合材料，光学纤维从该纤维面上突出，以提供发光效果。在该方法 中，多根平行的光学纤维聚集在一起以便将光束聚在其中。光学纤维 加入至复合材料结构中，但是纤维本身在任何单个纺织品组件中并不 是不可或缺的。美国专利第6,709,142号公开了一种带有光学纤维条带 的手套，该光学纤维条带置于手套内外层之间，使得光可以从手套中 泄漏出，以便为使用者提供照明。
,微H輔滅感器资腳诚
在其它纺织品应用中，制造商利用了光学纤维对其机械弯曲、扭
转、伸长、断裂状态或其中存在纤维的化学状态以及伴随的纤维光学 系统折射光学指数变化的敏感性(这导致光线如何通过光学纤维传播 发生变化)。
例如，在美国专利第5,567,932号中，多根平行光学纤维加入至废
物围堵土工膜(waste containment geo-membrane)中。它们被描述为层
压在结构中或构成纺织品的必需部分。它们在纵向上平行地加入。光 学纤维被捆扎以输入光。监控光通过光学纤维的传输，以寻找裂口、
坡体蠕变(slope creep)、沉陷(subsidence)、浸出物(leachate)水平、
火和所存在材料的类型和从该部位的泄漏。该专利没有提供如何将纤 维加入至纺织品中的细节。与将其直接加入至纺织品中相比，将光学 纤维放置在复合材料中涉及额外的工艺和人力。
在美国专利第6,145,551号中，公开了加入光学纤维作为数据传输 线或传感线的机织产品。美国专利第6,381，482号进一歩将该概念拓宽 至包括加入了传感用光学或电纤维的管状、平幅机织(flat woven)或 针织产品。织物必须舒适并且有功能，因为其穿戴要靠近人的皮肤以 监测其生命特征。美国专利第6,687,523号公开了带有用于向外部装置 通信的工具、用于保证松紧合适(snug fit)的装置的上述制品，以制 成监测婴儿生命特征(例如，防止新生儿猝死综合症)的服装。另外 设计用于服装的舒适、耐用的这些纺织品也能具有复杂的构造。
美国专利第6，727，197号中公开了另一个集成了光学纤维的可穿着 纺织品的实例。该光学纤维用于机织、针织或编织的数据或电传输电 缆中。该织物易于织造、可洗涤、耐腐蚀，并具有很高的疲劳强度。 因为该织物设计成穿着用的，其还具有服装织物典型的非常正面 (full-faced)的纺织品结构。
在美国专利第6,299，1.04号中， 一组光学纤维以及光源和检测器连 接在降落伞上，用于监控展开过程中施加于降落伞的负荷。该光学纤 维检测系统在降落伞生成之后与其连接，因此，其并不是纺织品的必 需部分。此外，在将系统装配在一起时还涉及大量人力的问题。
在己公开的美国专利申请第2004/0240776Al号中，公开了将光学 纤维用于座位占用传感器用的纺织品。基于光学纤维的传感器检测位 于座位上的负荷所引起的布拉格波长的微弯曲或改变。光学纤维可以
机织到座位覆盖物中或衬垫中。
因此，已经有许多基于纺织品的产品将光学纤维集成至纺织品中、 连接在纺织品上或加入至带有发光或传感用的纺织品的复合材料中。 但是，所公开的制品使用多根平行的光学纤维，并且不包括以弯曲的 方式沿纺织品放置的单根光学纤维。使用在纺织品制品的整个宽度和/ 或长度上分布的单根纤维能简化光电路，这对传感或发光装置来说是 必需的，因为这仅需要有单光源和任选的单个传感器。
而且，将光学纤维直接集成在纺织品结构中使得人们容易将相关 的纺织品加入到复合材料中，例如，并且确保可重复地放置光学纤维。 许多上述的现有制品需要在制造后将光学纤维系统附加在制品中(即， 在纺织品制成后将光学纤维固定在纺织品上)。本发明的公开内容提供 了一种纤维光学织物，其中光学纤维被集成到织物结构中。
在少数实例中，光学纤维直接加入至机织、针织或编织的织物中， 以产生对摩擦、弯曲、洗涤和类似条件具有高度耐受性的织物。在这 些实施方式中，可以在织物的制造过程中使纤维具有很高程度的小半 径弯曲部或巻曲部，导致基本上不能无损耗地传输光。在光学纤维通 路非常长的应用中，这种光学纤维巻曲所致的光损耗可能是不可接受 的。本公开内容通过提供一类稀松布织物而解决了这一问题，其中光 学纤维以基本上不含小半径弯曲部的方式结合在其中。任选地，单根 纤维的连续长度可以延伸贯穿整个织物。
由于光学纤维的经济学通常要求节约地使用该纤维，使用光学纤 维作为组成部分的纺织品可以优选地以开放结构来进行实施，例如稀 松布，其中相邻的纱线之间有大量开放空间。本发明的公开内容提供 了多种其中结合有光学纤维的稀松布织物。由于其开放结构，这种制 品可以更容易地加入到多种复合材料中，包括树脂浸制复合材料(热 固性或热塑性)、纺织品复合材料、水泥质复合材料、具有各种柔性、
刚性和半刚性基质，例如木材、金属片材、箔、多层增强材料(腿M-ply layup)的层压材料和类似物。应当理解到，不要求复合材料本身具有开 放结构，而是仅仅稀松布具有这样的结构。 在此描述本方法的其它目标和优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有开放结构的纺织品基质，其通常称 作稀松布，其中该稀松布具有至少一根用于提供传感特性、照明特性
或数据传感特性的集成(integrated)光学纤维。
本发明的进一步目的是提供一种稀松布织物，其中至少单根光学 纤维可以在纺织品的整个表面上分布，优选其以弯曲的通路跨过该纺 织品的宽度，从而在纺织品的整个表面上提供均匀的敏感性或照明。 任选地，或者另外地， 一根或多根光学纤维可以贯穿稀松布织物的长 度(机器方向)以基本上平行的通路进行延伸。
本发明的另一目的是提供一种稀松布织物，其中光学纤维加入了 最少程度的巻曲部，这样可尽量减小从纤维上不希望的光损耗。
本发明的另一目的是提供一种光学纤维在纺织品表面上分布时具 有方形(square)或成角(angled)图案的稀松布织物。
本发明的进一步目的是提供一种纺织品基质，由于其具有开放结 构，可以容易地加入到多种复合材料中，所述复合材料包括树脂浸制 复合材料、纺织品复合材料、水泥质复合材料、具有各种柔性、刚性 和半刚性基质，例如木桐'、金属片材、箔、多层增强材料(muM-plylay up)的层压材料和类似物。
本发明的另一 目的是提供一种稀松布，该稀松布提供光学纤维的 功能，以及属于稀松布中其余纱线的增强或拉伸性能。
本发明的另一目的是提供一种易于制造的光学纤维构造或光电 路，其可加入到照明、传感或数据分配产品中。
本发明的另外一个目的是能够提供一种光学纤维分布式网络，其 用于监控分布表面上的条件，例如，像航空器机身或桥梁那样的结构 复合部件中的应力，或者反应器中的环境条件，其中应力可以通过， 例如光学纤维中的破裂来指示。
本发明的公开内容涉及一种纺织品稀松布材料，其中至少单根连 续的光学纤维优选地在机器交叉方向(cross-machine direction)、机器 方向或这两个方向上加入。产生的功能材料可以单独地或与其它材料 组合用作传感元件、光提供元件或数据分配元件。稀松布材料可以是 粘接的(adhesively bonded)无讳(laid)稀松布、热粘合(thermally
bonded)无讳稀松布、衬炜经编(weft-inserted warp knit)稀松布、多 向针织(multi-axial knit)稀松布、机织稀松布、交叉(cross-plied)稀松 布或缝编(stitch-bonded)稀松布。在一个实施方式中，稀松布和最终 的功能复合材料的制造得到简化，因为单根光学纤维沿纺织品的长度 以弯曲的通路进行分布。
图1是纺织品稀松布材料的俯视图，其中以弯曲通路走向的连续 光学纤维包括讳纱(weft);
图2是纺织品稀松布材料的俯视图，其中光学纤维包括经纱(warp) 和讳纱；
图3是纺织品稀松布材料的俯视图，其中多根以弯曲通路走向的 光学纤维包括纬纱；
图4是三向纺织品稀松布材料的俯视图，其中以弯曲通路走向的 光学纤维包括讳纱；
图5A是复合材料的俯视图，其中光学纤维稀松布与一层薄膜或织 物组合在一起；
图5B是复合材料的俯视图，其中仅有织边(selvage)纱线的光学 纤维稀松布与一层薄膜或织物组合在一起；
图6是衬纬经编织物的俯视图，其中以弯曲通路走向的光学纤维 包括讳纱；
图7是已经缝制在非织造薄板上的缝编织物的俯视图，其中以弯 曲通路走向的光学纤维包括缝编织物的纬纱；
图8是机织稀松布织物的俯视图，其中以弯曲通路加入的光学纤
维包括纬线(mi);
图9A是复合材料的剖视图，该复合材料包括光学纤维稀松布作为 其中心层；和
图9B是可选的复合材料的剖视图，该复合材料包括光学纤维稀松 布作为其中心层。
具体实施例方式
光学雜游微
例如，在电信工业中，光学纤维普遍用于，例如以极低的信号损 耗在很长的距离上使用光脉冲传输信号。光学纤维一般具有至少三部
分内芯(core)、包层(cladding)和缓冲涂层(buffer coating)。
光在其中传播的内芯通常由玻璃(如二氧化硅)制成，其已经设 计成吸收或散射损耗最小。另外可选地，内芯还可以由聚合物制成， 例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯，尽管这些内芯有使光 更加衰减的趋势。内芯通常具有圆柱形，其是光学纤维的中心。
包层是围绕内芯的外部材料，通常折射光学指数低于内芯。在内 芯和包层之间的边界处的这种折射指数不匹配(mismatch)导致假如 撞击角度小于临界角度时，光从内芯撞击到包层上，并反射回内芯内。 这种反射称为"全内反射"，是光学纤维能够以很低的损耗在很长的距 离上传输光的基本原理。对于大于临界角度的角度，光可以从内芯中 泄漏出，导致信号衰减。
光学纤维的优势之一在于即使当光学纤维被弯曲、扭曲或通过其 它方式机械变形时也可以传输光。但是，如果光学纤维暴露于临界弯 曲半径之下的弯曲半径，通过纤维的光传输会大大降低。通常的玻璃 内芯光的学纤维最小弯曲半径为大约1英寸，而聚合物内芯的光学纤 维的最小弯曲半径为大约0.125 cm。
缓冲涂层通常是内芯和包层之上并保护其免受湿气和损伤的塑料 涂层。在一些实施方式中，可以不存在有缓冲涂层。在一些可能优选 的实施方式中，缓冲涂层由易于压縮的材料(例如PVC)制成，从而 降低了光学纤维因偶然接触而巻曲或破裂的可能性。根据产品的需求， 上述基本的覆层之上可以添加额外的覆层。
光学纤维能提供为单模(single-mode)或多模(multi-mode)纤维。 单模纤维往往具有直径较小的内芯(大约10微米的量级)并在特定波 长下以很低的衰减传输红外光。光仅仅通过该纤维在单一通路中传播， 产生确定的光学曲线，其取决于纤维的几何形状、折射剖面的指数和 所传播光的波长。这些单模纤维提供了很高的信息承载能力和很低的 衰减性。
相反，多模纤维往往具有直径较大的内芯(大约60微米的量级)，使得能传输波长范围较宽的红外光。但是，多模纤维也表现出高于单 模纤维的衰减。通过多模纤维传输的光通过多个通路传播，导致光学 曲线不太确定。
单模或多模纤维均可以用于许多种应用中。对于要求衰减较少的 应用(例如在许多传感应用中)，可以优选使用单模纤维。
在上述的光学纤维之外，逐渐地出现了其它类型的光学纤维——
例如光导管、感光纤维、偏振保持纤维、多阶跃折射率纤维(multiple step-indexed fiber)、渐变式折射率纤维(graded index fiber)、小包层纤 维(reduced cladding fiber)、高指数纤维(high index fiber)、波导薄膜 (wave-guiding film)禾口光子晶4本纤维(photonic lattice fiber)。这些，fe 导纤维的所有变化形式均可以加入到本发明的用于不同应用的光学纤 维基质中。这些不同类型的光学纤维通常详述于技术和产品文献中， 关于这些内容的信息可以很容易从互联网上找到(例如，在制造商的 网址上)。
如上所述，光学纤维目前已经在多种应用中得到拓展。它们可以 用于数据传输，例如，作为电信工业用的陆线，以传输高密度信号。 它们已经用作光导元件或光导管，以提供美感的或功能性的照明，或 者将光传输至不方便加入独立光源的远程位置。该方法的一个实例是 在微创外科手术过程中使用光学纤维将集中的激光导入体内。光学纤 维还用于将图像从难于到达的地方传输至可以更有用于分析或捕获的 地方。分布式照明领域正在越来越受关注。 一个地方的高强光能通过 大量集合光导管的分布为多处地方提供光。
由于光通过光学纤维传输受到纤维几何形状以及纤维部件的化学/ 光学特性的影响，使纤维的许多方面特性可用作传感器。例如，不仅 纤维的重大变化(例如将其断裂)可以影响光的传输，而且更为微小 的影响——例如，将纤维弯曲、机械性地延长纤维或使其产生应变、 将其暴露于改变内芯或包层折射指数的化学品、将其暴露于温度或湿 度的变化、或者将其暴露于影响内芯吸收性损耗的电离辐射——也可 以影响纤维传输光的能力。
光学辦緣7V緣
光学纤维用于传感目的的应用在技术文献中己经进行了详细的论 述，其代表性实例包括在以下的列表中。
Luminescent optical fibers in sensing (传感中的照明光学纤维). Grattan, K. T. V.; Zhang, Z. Y".; Sun, T. Department of Electrical, Electronic & Information Engineering, City University, London, UK. Op"ca/ W6er S簡w 7k^w /ogy (1999)， 4, 205-247.
Sensing system using plastic optical fiber (使用塑料光学纤维的传 感系统).Muto, Shinzo; Morisawa， Masayuki. Grad. Sch. Med. Eng., Univ. Yamanashi, Kofu， Japan. C^o柚脂'(2004), 73(11)， 1423-1427.
Non-linear distributed optical-fiber sensing (非线性分布式光学纤 维j专感).Rogers, A. J. Dep. Electron. Electr. Eng., King's Coll. London, London, UK. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering (1993)， 1797 (Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors II), 50-62.
Distributed optical-fiber sensing (分布式光学纤维传感).Rogers, A. J. Dep. Electron. Electr. Eng., King's Coll., London, UK. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering (1991), 1504 (Fiber-Opt. Metrol. Stand.), 2-24.
Status of fiber-optic sensing (光学纤维传感现状).Davis, Charles M. Opt. Technol" Inc., Hemdon, VA, USA. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering (1988)，959 (Optomech. Electro-Opt. Des. Ind. Syst), 60-65.
Novel optical fibers for sensing applications (用—"JM专感应用白勺新光 令5纟千纟佳).Gambling, \V. A. Dep. Electron. Comp. Sci, Univ. Southampton, Southampton, UK. Jow77a/ 尸/2jks'/ca' ￡V Sc/ew"y c /"s/yw淤ewto (1987), 20(9), 1091-96.
通过选择用于光学纤维的包层材料，其折射指数在暴露于化学试 剂、湿气、pH变化或生物源时会发生改变，光学纤维正在越来越多地 用于向系统或复合结构中提供传感功能。可被检测到的化学品包括烃 类，例如用于燃料，或可用于制造操作中的危险工艺化学品。此外， 光学纤维还可以被制成为对来自核物质的中子或电离辐射是敏感的。
对上面所列的刺激有敏感性的光学纤维的相关技术文献的实例包
括
观学，敏縱
Sensing ammonia with ferrocene-based polymer coated tapered
optical fibers (用涂有二茂铁基聚合物的锥形光学纤维检测氨).
Shadaram， Mehdi; Martinez, Juan; Garcia, Fernando; Tavares， David. Department Electrical Computer Engineering, University Texas-El Paso, ElPaso, TX， USA. F/6e，d/,rate^ 一oy (1997)， 16(1), 115-122.
Chemical sensing by surface plasmon resonance in a muitimode optical fiber(通过多模光学纤维中的表面等离子体共振进行化学物质检 测) Trouillet, A.; Ronot-Trioli, C; Veillas, C; Gagnaire, H. Laboratoire Traitement du Signal et Instrumentation, CNRS-URA， Fr. Pwre J/ /9//e<i 一《 (1996), 5(2), 227-237.
Phase-sensitive polarimetric sensing in the evanescent field of single-mode fibers (单模纤维瞬逝场中的相敏感偏振式传感).Lehmann, H.; Lippitsch， M. E.; Ecke, W.; Haubenreisser, W.; Willsch, R.; Raabe, D. Institut fuer Physikalische Hochtechnologie, Helmholtzweg 4, Jena， Germany. iSemws朋(i^4c/Mators, C7ze冊'C(3/ (1995), B29(l-3)， 410-15.
Optical fiber chemical sensor (光学纤维化学传感器).Minami， Shigeo. Fac. Eng., Osaka Univ.， Suita, Japan. Qyo i w加r/ (1986)， 55(1)， 56-62.
变雄教縱
Optical sensing of pH in low ionic strength waters (〈氐尚子弓虽度7乂 中1 pH的光学传感).Swindlehurst, Ben R.; Narayanaswamy, Ramaier. Department of Instrumentation and Analytical Science, UMIST, Manchester, UK. Sen'es C/zew/ca/ Seraora aw<i
(2004), 1 (Optical Sensors), 281-308.
Recent progress in fiber optic pH sensing (光学纤维pH传感新进 展).Baldini, Francesco. 1st. Ric. Onde Electromagn.， CNR， Florence, Italy-Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering (1991), 1368 (Chem., Biochem., Environ. Fiber Sens. 2), 184-90.
Evanescent sensing of biomolecules and cells (生物分子禾n细胞的
瞬逝传感).Haddock, Hong S.; Shankar， R M.; Mutharasan, R. Department of Chemical Engineering, Drexel University, Philadelphia, PA, USA. 6"msora a/7(i^(c/腦tora, C7z，/ca/ (2003), B88(l), 67-74.
微激鄉敏纖
Application of an optical fiber-sensing technique for nuclear power plant monitoring (光学纤维传感技术在核电厂监控中的应用).Eiji, Takada; Nakazawa, Masaharu. Study Applying Optical Fiber Sensing Technique Nuclear Plant Monitoring, Fac. Eng., Univ. Tokyo, Tokyo, Japan. i/cw/2OTe" (1997)， 23(3)， 51-61.
Neutron-sensing scintillating glass optical fiber detectors (中子传感 闪烁玻璃光学纤维传感器).Bliss, M.; Reeder, P. L.; Craig， R.A. Pacific Northwest Laboratory, Richland, WA, USA. M/c/ea厂 Mafe"油 她腦g匿""1994), 23, 583-588.
Conception of an ionizing radiation detection scheme based on controlled light induced annealing of silica fibers (基于可控光弓l发萍火二 氧化硅纤维的电离辐射检测方案概念).Vassilopoulos, C; Kourtis, A.; Mantakas， C. Natl. Cent. Sci. Res., Inst. Inf. Telecommunicat" Athens, Greece. ZEE/VoceetZ/wgs-J: Qptoe/ec/row/oy (1993), 140(4), 267-72.
光学纤维还可以用于对系统的多种机械变化，例如断裂、应变、 压力、扭力、转矩、加速和旋转进行传感。这种传感可以具体地用于 结构复合材料，例如桥梁或飞行器机身的智能监控系统，以感知即将 发生的故障。其它光学纤维系统还可以用于在很宽的温度范围内以空 间分辨率进行温度测量。这种温度测量可以用于制造过程反应器、建 筑物中用于内部温度控制和类似目的。
基于分析测量技术，光学纤维传感器可以用作干涉传感器、吸收 传感器、外差传感器、布拉格光栅传感器、反向散射系统、反斯托克 斯温度测量法、偏振光学时间域反射测量法和拉曼、布里渊和光学克 尔效应传感器，以及简单的裂缝探测仪。
用于对如上述列举的机械变化进行传感的相关技术文献的实例包
括
舰变游敏戲
Distributed sensing of strain in synthetic fiber rope and cable constructions using optical fiber sensors (使用光学纤维传感器对合成纤 维绳索和电缆中应力的分布式传感).Uttamchandani, Deepak G.; Culshaw， Brian; Overington， M. S.; Parsey, M.; Facchini， Massimo; Thevenaz， Luc. Dep. Electronic Electr. Eng., Univ. of Strathclyde, Glasgow, UK. 尸raceWwgs < 57^ffi-77z6 /"ter"加'o腦/ 6bc/, C^/7'c"/
(1999)， 3860(Fiber Optic Sensor Technology and Applications), 273-275.
W教力游敏微
Novel fiber grating sensing technique based on the torsion beam (基 于扭力束的新的纤维光栅传感技术).Zhang, Weigang; Feng, Dejun; Ding, Lei; Zhang, Ying; Dong, Xin-Yong; Zhao, Chunliu; Dong， Xiaoyi. Institute of Modern Optics, Nankai Univ., Tianjin, Peop. Rep. China.
(2000), 4082 (Optical Sensing, Imaging, and Manipulation for Biological and Biomedical Applications), 157-160.
观度游敏縱
A high spatial resolution distributed optical fiber sensor for high-temperature measurements(用于高温测量的高空间分辨率分布式光 学纤维传感器).Feced, Ricardo; Farhadiroushan， Mahmoud; Handerek, Vincent A.; Rogers, Alan J. Department of Electronic and Electrical Engineering, King's College London, Strand, London, UK. i ev/evv Sc/e一c/w自画to (1997), 68(10), 3772-3776.
Distributed sensing technique based on Brillouin optical-fiber frequency-domain analysis(基于布里渊光学纤维频域分析的分布式传感 t支术).Garus， Dieter; Krebber, Katerina; Schliep, Frank; Gogolla, Torsten. Ruhr-Universitaet Bochum， Bochum, Germany. C^/cs(]996), 21(17), 1402-1404.
Temperature sensing elements (温度传感兀件).Meijer, Gerard; Herwaarden, Sander van; Kapsenberg, Theo; Venema, Adrian. Department
Electrical Engineering, Delft University Technology, Delft, Neth. Editor(s): Meijer， Gerard C. M.; van Herwaarden, A. W. r/2e服S面.(1994), 90-133.
此外，光学纤维相对于传感用电子系统具有一些优势。光学纤维 电缆不会腐蚀。由于它们不载有电流，不可能诱发火花或着火。它们 不像导电体那样对电磁脉冲敏感。因此，光学纤维在对不同刺激进行 传感或者任选地提供照明或承载信息方面具有广泛的应用性，而且环 境稳定性使其在加入到功能产品中时具有很高的价值。
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为了提供可加工和/或加入到功能产品中的规则的、可制造的光学 纤维回路，优选将光学纤维加入到稀松布织物中。
如本文所用，术语"稀松布"是指用作基础织物或强化织物的具 有开放结构的织物，其可以制造成粘合或热粘合的无纬稀松布、衬纬 经编针织稀松布、多向针织稀松布、缝编稀松布或交叉稀松布。这些 稀松布可以在制造过程中连接在载体层，例如薄膜或织物网上。
稀松布织物的开放结构有助于其很容易地结合到复合结构中。具 体地，在这些应用中，使用粘合剂来结合多个层，稀松布的开放性使 得粘合剂得以流通，以致复合材料各个组成部分之间地结合得更强。
如本文所述，稀松布含有至少一组经纱和至少一根交织纱(crossing yam)。优选地，经纱组含有大约每60英寸1根纱线至大约每英寸25 根纱线；更优选地，经纱组含有大约每30英寸1根纱线至大约每英寸 12根纱线；最优选地，经纱组含有大约每英寸1根纱线至大约每英寸 8根纱线。经纱密度可以由若干因素中的任一种决定，这些因素包括， 例如，最终产品的拉伸要求。另外，还应当理解到，经纱密度低(例 如大约每60英寸1根纱线)的稀松布可以直接附着在柔性载体薄片上， 以提供额外的机械稳定性。
优选地，交织纱的间隔为大约每10英寸1根纱线至每英寸24根 纱线；更优选地，交织纱的间隔为大约每4英寸1根纱线至每英寸12 根；最优选地，交织纱的间隔为大约每2英寸1根纱线至每英寸8根。 应当理解到，交织纱的间隔可以通过将多根纤维定位于在经纱组上，或者通过定位单根纤维实现，使得它在织物的宽度上来回弯曲，如本 文所进一步要描述的那样。
为了达到本发明公开内容的目的，目的稀松布要使至少单个光学 纤维连续通路在织物中走向或者结合在织物中。在第一个实施方式中， 在径向上使用至少一根光学纤维，通常作为经纱组的一部分，其中多 根纱线沿织物的长度以基本上为直线的通路延伸。在该实施方式中， 术语"连续"是指光学纤维的通路在径向上未断裂或未分节。
在第二个实施方式中，其中纬向上至少结合有1根光学纤维，光 学纤维位于跨稀疏布宽度的弯曲通路中。术语"弯曲"是指单根光学 纤维的通路优选跨稀疏布的宽度来回曲折。尽管可以优选规则的(即 对称的正弦形)曲线，这并非是必需的。类似地，尽管可以优选弯曲 的光学纤维通路基本上跨织物的宽度延伸，这一要求也不是必要的。 应当注意到，弯曲通路本身可以交叉，例如，如果在放置光学纤维时 和通过胶粘剂、热粘合、缝合或其它方式固定时之间光学纤维发生移 动。最后，应当理解到，相同稀松布织物中可以存在有多个弯曲通路。
在一个优选的实施方式中，交织纱是光学纤维。当使用光学纤维 作为交织纱时，纤维的间隔受光学纤维在不经历明显衰减的情况下可 以实现的最小弯曲半径控制。具有玻璃制内芯的光学纤维通常最小弯 曲半径为大约1英寸，而具有聚合物内芯的光学纤维最小弯曲半径可
低至大约0.125 cm。
当光学纤维结合到纺织品织物中时，光学纤维往往起到类似单丝 (monofilament)的作用。因此，这些光学纤维必需在加工和织物形成 的过程中小心加以处理，以生成功能性织物。与许多其它单丝类似， 光学纤维通常包装在每一端都具有法兰(flange)的巻轴(spool)上， 其中法兰防止纱线脱开(slough off)(这可以由于纱线的表面摩擦低而 引起的)。
如果纤维开始从包装上脱开，它会与自身绞合或打结，致使其断 裂。在最小程度上，打结纱线也会引起制造过程停顿和稀松布中的瑕 疵。类似于单丝的纱线在涉及将纱线在同一方向上连续旋转的制造过 程中还表现出扭转的倾向。这种扭转可以导致单丝，例如光学纤维绞 结和/或断裂，或者至少使所产生稀松布的几何形状变形。此外， 一些
光学纤维可能抗拉强度非常低，导致在对其施加电压脉冲(tension impulse)时，例如启动时会发生断裂。
为了解决这些困难，可以将光学纤维以几种不同的方式为机器供 料。光学纤维可以置于圆筒(barrel)或类似容器中，该圆筒或容器具 有防止光学纤维从包装中脱开并扭曲的壁，然后将光学纤维通过筒盖 中的小孔供给稀松布形成机器。另一种选择是使用驱动轧辊将光学纤 维提供至稀松布形成机器中，其中对驱动轧辊的速率进行优化，以防 止电压脉冲。另外可选地，在将纱线供给稀松布形成机器之前，可以 使用蓄纱器(yarn accumulator)以保护纱线不受电压脉冲影响，以及 使纱线发生一些扭转，以抵消稀松布形成过程中所强加的扭转。
除可以导致断裂的扭转倾向之外，光学纤维还具有与纤维弯曲有 关的独特问题。在光从纤维中还是泄漏并增加衰减之前，光学纤维仅 可以弯曲至某一临界弯曲半径。这一特性使纤维在应用中在没有严重 衰减损耗的情况下可以经受的半径弯曲受到了功能上的限制，其取决 于所用纤维的类型。这种对弯曲半径的敏感性通过稀松布的开放结构 得以缓和。由于相邻的经纱和纬纱之间有相当大的间隔，织边上的线 圈(loop)可以具有足够的半径使光学纤维不开始衰减光。
微賴賴辦
有许多种织物形成技术可以提供结合有光学纤维的稀松布织物。 一个优选的方法包括形成图1所示的粘接稀松布。这种形成光学纤维 基质10的方法包括形成两组经纱——上组6和下组6，，连续的机器交 叉方向纱线4 (在该情况下，为连续光学纤维)以弯曲的通路在其间走 向。
经纱组6，6，的纱线可以选自本领域已知的市售纱线，包括短纤纱 (spun yarns)、复丝(muW-filament yarn)或单丝，其可以由聚酯、聚 酰胺、聚烯烃、陶瓷、玻璃纤维、玄武岩、炭、芳族聚酰胺、金属或 其组合制成。经纱6，6，可以另外地进行绞合、覆层和/或合股(plied)。 它们可以任选地是单一组分或双组分纱线，例如在鞘中具有低熔点粘 合材料的皮芯式(sheath-core)纤维。优选地，经纱6,6，可以是聚酯或 玻璃纤维。
图1中还显示了织边纱线8，其固定了光学纤维基质10的所需尺
寸。织边纱线8优选地选择为强度高于剩余部分的经纱6，6'，使得可以 向织边纱线8施加更多的张力，以保持基质10的宽度和纬纱的几何形 状。应当理解到，经纱6，6，的旦尼尔(denier)决定基质10的强度，纱 线6，6，可以选择成为基质10提供强化作用。因此，可以使用任意旦尼 尔的纱线，只要可以满足最终产品(即基质10或含有基质10的复合 材料)的强度要求。
在一个实施方式中，通过使用在一组经纱片(warp sheet)相反两 端上的旋转螺杆(rotating screw)和当其旋转时将纱线穿过两个螺杆之 间的单个转动臂，可以将机器交叉方向的纱线4 (优选光学纤维)衬入 至经纱组6，6，之间。当螺杆转向时，它们将在其之间延伸的纱线以固定 的数目/英寸衬入到经纱片之间，以提供所需的结构。这就是将单根纱 线以所谓的"方形图案"置于经纱片中的作用，如图l所示。
方形图案包括结合在弯曲通路中的方向交叉(cross-direction)的 纱线，其几乎以直角与经纱片交叉，在经纱片的边缘形成线圈，以一 定的固定间隔以与第一根纱线等相反的方向再次几乎以直角与经纱片 交叉。螺杆上螺纹(flight)之间的节距(pitch)决定纱线之间的间隔。 间隔可以通过更换机器中的螺杆来调节。因为方向交叉的纱线没有经 纬交错或者以紧密的间隔围绕多数其它纱线起圈，因此方向交叉的纱 线以最小的纱线巻曲(纱线中的小半径弯曲)加入至织物中。纱线在 其位置上保持紧张状态，通过使用织边纱线来保持稀松布的几何形状， 该织边纱线上施加有很高的张力，方向交叉的纱线围绕其起圈。
依靠纱线中的残余扭转作用，交叉方向(即光学纤维)纱线可以 具有移动的倾向，使得生成的稀松布不具有方形图案，而是其中光学 纤维可以在经纱片上移动的图案。在光学纤维传输光的能力不受该运 动损害的程度下，这种图案不规则的稀松布完全可被接受用于目的应 用。在交叉方向的纱线，优选光学纤维能移动的这些情况下，通过将 稀松布直接连接在载体基质上或者将稀松布粘接固定就位，光学纤维 的移动可以受到约束。
在优选地粘接或热粘合稀松布中，其中纬纱由光学纤维构成，经 纱设置成大约每2英寸1根经纱至每英寸25根经纱，由光学纤维构成
的讳纱设置成大约每10英寸1根光学纤维至多达每英寸12根光学纤
维。更优选的织物结构为径向上每英寸大约1至12根经纱，纬向上大 约每4英寸1根光学纤维至每英寸8根光学纤维。最优选的织物结构 为每英寸大约1至8根经线，每2英寸大约1根光学纤维至每英寸大 约4根光学纤维。如上所述，如果对光学纤维光传输的要求很高，则 光学纤维的间隔(每英寸的讳纱数)必须受在光开始在弯曲处泄漏之 前纤维可以承受的最小弯曲半径所控制。
在可选的实施方式中，可以将独立的光学纤维在机器方向以及交 叉方向上均置于织物结构中，如图2所示。在该实施方式中，光学纤 维加入到经纱组4'和4"中，其间有机器交叉方向的纱线4 (也是光学 纤维)走向。产生的光学纤维基质20具有多个不同的传感通路、照明 线、数据分配线或其组合，其提供了穿过基质20的不同的几何路径。 尽管所说明的是所有纱线均由光学纤维组成，但可以代替以使用光学 纤维和非光学纤维的组合，从而除提供光学功能之外还为稀松布提供 了机械强度。
图3说明了粘接非织造稀松布材料30，其中多根纱线4、 12在机 器交叉方向上走向。再次，经线组6位于交叉方向的纱线4、 12之上， 而经线组6'位于交叉方向的纱线4、 12之下。如图所示，纱线4是光 学纤维。纱线12是不同类型的纤维，例如，聚酯或玻璃纤维纱线。尽 管图3中显示了 3根交叉方向的纱线，但可以使用任意数量的纱线， 其仅仅受设备能力的限制。而且，尽管图3在机器交叉方向上显示了 两根光学纤维，但所有机器交叉方向的纱线，以及，或者另外可选地， 经纱组中的一些或全部纱线，可以是光学纤维。
通过将多种光学纤维加入到相同的纺织品中，有可能包括对不同 环境源(例如，某些化学品和湿气)具有敏感性的纤维。另外可选地， 例如，可以将具有传感能力的光学纤维与提供数据分配或照明功能的 光学纤维组合使用。不同的光学纤维也可以代表不同的数据分配节点。
在可选的实施方式中，多根交叉方向的纱线可以同吋以山形构造 在经纱片之间走向。例如，可以将多达96个纱线巻筒连接到旋转轴上， 并同时供料给不同的螺杆螺纹中。使用该方法，织物结构不再表现出 方形图案，而是表现出图4所示的所谓的"三向"图案。在三向结构
中，具有向上对角线斜面(diagonal slope)又具有向下对角线斜面的多 根纬纱4定位在多根纵向的经纱6、 6'之间，上述经纱位于纬纱4之上 和之下，从而产生三向稀松布40。在该情况下， 一根或更多根的交叉 方向的纱线4可以是光学纤维(如图所示，两根交叉方向的纱线均为 光学纤维)。
三向光学纤维基质优选的织物结构的范围是大约25 x 4 x 4 (径向 上每英寸25根，纬向上在向上的对角线斜面上每英寸4根，纬向上在 向下的对角线斜面上每英寸4根)至2 x 1/6 x 1/6 (径向上每英寸2根， 纬向上向上的对角线斜面上每6英寸1根，纬向上在向下的对角线斜 面上每6英寸1根)，最优选为8xl/2x1/2 (径向上每英寸8根，纬向 上向上的对角线斜面上每2英寸1根，纬向上向下的对角线斜面上每2 英寸l根)。如前文所述，光学纤维的间隔(每英寸的纬纱数)必须受 在光开始在弯曲处泄漏之前纤维可以承受的最小弯曲半径所控制。经 纱密度可以由，例如，最终产品的拉伸要求所决定。
己经提及，对于双方向和三方向的稀松布(如图l-4所示)，其中 光学纤维在平行通路中在机器方向上延伸的可选的实施方式可以如下 获得形成其中光学纤维以任意所需间隔代替一根或更多根传统经纱 的经轴(warp beam)。以这种方式，可以使光学纤维横穿稀松布的长 度。再次，光学纤维以相当直的方式置于稀松布结构中，以尽量减小 纱线的巻曲。在该方法的变体中，光学纤维可以与非光学纤维(例如， 玻璃纤维或聚酯)组合使用，以产生经纱组，在该经纱组中相邻纱线 可以是不同的类型。
如上所述，无论交叉方向的纱线以方形或三向织物的形式衬入， 它们优选永久地被固定在位。这通常用胶粘剂组合物来实现。在织物 形成的最初部分，纱线仅仅通过交错的纱线之间的摩擦保持就位。典 型地，然后将结构(a)在辊上直接传送至化学浸浴中，用胶粘剂涂覆 织物，(b)通过辊隙(或一组挤压辊)传送，挤压掉过量的胶粘剂， 和(c)传送至烘箱中，或者在一组用蒸气或油加热的罐(can)上传送 使胶粘剂干燥并固化。光学纤维上的缓冲涂层是优选的，以保护纤维 免于制造过程中引起的衰减，这种衰减是由轧辊(nip roll)处压力对 内芯或包层的损害所引起的。 用于将经纱和交叉方向的纱线相互粘合在一起的胶粘剂可选自如 下物质，例如，聚乙烯醇(PVOH)、丙烯酸类、聚乙酸乙烯酯、聚氯 乙稀、聚二氯乙烯、聚丙烯酸酯、丙烯酸胶乳、苯乙烯丁二烯橡胶
(SBR)、 EVA、塑料溶胶或任何其它合适的胶粘剂。而且，如果合适 的低熔点物质作为纱线系统的一部分存在，则这些纱线可以任选地进 行热粘合，以形成光学纤维基质。
通过修改用于制造前述稀松布的设置，可以得到这些稀松布的可 选实施方式。在形成稀松布时，在粘合剂轧辊(adhesive nip)之前使 用额外的辊，可引入柔性载体薄片，如非织造(例如热压粘合非织造 的、熔喷法非织造的或机梳非织造网)、机织或针织纺织品、薄膜、纸 巻或箔。在该情况下，载体薄片，例如非织造的载体，可以提供结构 支撑，使得将稀疏布保持在一起所需经纱的量可大为降低。该实施方 式在图5A中显示，其中光学纤维基质具有优选由光学纤维制成的经纱 组6, 6'、织边纱线8和机器交叉纱线4，并与一层材料16结合，产生 复合材料50。尽管在一些应用中可以优选薄层非织造织物，覆层16 可以代替以由例如单层或多层薄膜、机织织物层、泡沫层、复合层和 类似材料的材料组成，其取决于最终产品中所要求的特性。
为了将经纱降至最少，如图5B所示，可以单独使用织边纱线8， 以将光学纤维4保持在织物宽度上，可以将所有额外的经纱均除去。 该稀松布(由光学纤维4和织边纱线8制成)直接铺在柔性层16上， 并通过粘接或热粘合区，将光学纤维直接固定在柔性载体基质16上， 并产生复合材料52。 一个不太极端的实例(没有显示)可以包括，例 如，在形成稀松布时仅仅使用单个经纱片。
在最极端的实例中，织边纱线以及经纱片均被除去，光学纤维直 接在载体薄片上以弯曲通路走向。通过将柔性载体与附着有光学纤维 的弯曲通路结合，以及将第二柔性载体仅与附着的单向纱线(例如， 仅有经纱)结合，可以形成附着有载体层的交叉稀松布。使用该方法， 可以在机器方向上、在机器交叉方向上或这两个方向上使用光学纤维。
#芽经编#力织裙松布
另一种形成具有连续光学纤维的稀松布的方法是使用衬纬经编机
来构造织物，该机器可以获自，例如，Liba Corporation或Mayer Corpomtion。这种机器在经纱片的任一侧装有钉钩系统(hook system), 使得当讳纱走车(weft carriage)在其来回移动时引入纱线时，讳纱围 绕钉钩成圈(loop),并通常在经纱换向(indexing)之后，可被连续衬 入。在一个实施方式中，可以衬入一根或更多根光学纤维。任选地， 一根或更多根光学纤维，加上可以为稀松布提供额外的纬向抗拉强度 的附加纱线，均衬入到稀松布中。衬讳纱线使用下针(knit stitch)例 如钩编组织(tricot stitch)、平针组织(flat stitch)或者其一定组合与经 纱片连接。以这种结构，可以形成开放稀松布，其中光学纤维以直的 方式衬入，以尽量减小纱线的巻曲。
衬纬经编织物的一个代表性实例在图6中显示。使用光学纤维4 作为光学纤维基质60的纬线。经纱66优选由一种或更多种前述类型 的非光学纤维组成。缝编纱线(stitch yarn) 68显示形成钩编组织，优 选纤维类型与经纱66相同，但优选其旦尼尔小于(直径较小的纱线) 经纱68。例如，仅仅作为实例，经纱66可以是1000旦尼尔的高韧度 聚酯，而缝编纱线68是大小为70至150旦尼尔的聚酯。如图所示， 光学基质60中使用的缝编纱线可以多于纬纱(即，缝编纱线68与经 纱66的连接要比缝编纱线68将经纱66与光学纤维4连接更为常见)。 光学纤维纬衬之间的线迹(stitch)的数目可以变化，其取决于机器的 设置、光学纤维的弯曲半径和所需的结构。可以使用钩编、平针或组 合线迹。前述的通常的结构范围同样适用于衬纬稀松布。
另外可选地，也可以制造多向经编稀松布，使得光学纤维可以类 似于三向稀松布的角度走向。
缝薪裙辦
作为进一歩可选的实施方式，可以类似于衬纬经编织物的形式形 成缝编稀松布，其受到类似限制。但是，稀松布与附加层，例如非织 造品连接。在制造稀松布时，通过直接将稀松布缝到非织造品上的针 织用针(knittingneedle)来进行连接。这种构造表示在图7中。
在图7中，光学纤维4包括纺织品的讳线。在该实施方式中，经 纱是任选的(没有显示)。在形成复合材料70时，将柔性成巻制品(rolled
good) 16，如非织造织物或薄膜固定在稀松布上。在该情况下，基质 16提供了结构支撑，使得经纱可以是任选的。覆层16可以由多种材料 组成，例如非织造品、单层或多层薄膜、机织或针织层(闭合或开放 结构)、泡沫层、箔、纸层、复合层和类似材料，其取决于最终产品所
需的特性。该实施方式与图5中所示的类似，不同之处在于在图7中， 稀松布是衬纬稀松布，而不是非织造稀松布。缝编纱线68将光学纤维 4固定在覆层16上。
以这些织物形成技术(衬纬经编和缝编)，衬纬纱线的扭曲和产生 的扭结可以导致纱线的断裂和光学连续性的损失。如上所述，优选采 用退出(roll-off)机制或其它控制纱线扭曲和脱开的方法。
对于衬纬经编和缝编稀松布，其中光学纤维通路在机器方向上以 平行通路延伸的可选实施方式可以如下获得形成其中光学纤维以任 意所需间隔代替一根或多根传统经纱的经轴。使用该方法，可以使光 学纤维横穿稀松布的长度。再次，光学纤维以相当直的方式置于稀松 布结构中以尽量减少纱线的巻曲。作为另一个可选的实施方式，与图2 中显示的类似，可以将独立的光学纤维在机器方向以及机器交叉方向 上置于织物结构中。
教织微蕃
另一种不太优选的织造光学纤维稀松布的方法是通过机织。机织 光学纤维稀松布80是使用片梭织机(projectile weaving machine)制造 的，其使得光学纤维4具有弯曲的通路。将光学纤维4在经纱26之上 和之下喂纱，该经纱26优选类型不同于光学纤维的纤维。另外可选地， 如上文，经纱26可以是单一纤维类型或者多种纤维类型的组合，还可 以包括光学纤维作为一种成分。这种结构在一些应用中可能不太优选， 因为通过将其穿过经纱26编织在光学纤维4中引入了巻曲部。对于机 织稀松布，也适用前述稀松布结构的大体范围。
#絲辦娜灘游复会層
预计任何在先的强化织物均可以与附加的材料层连接，如图9A和 9B中的代表性形式所示。这种复合材料可根据需要设计成提供减震、
耐久性、结构支撑或负荷承载能力、热性能、耐冲击性、耐磨性、化 学包封性、选择性化学品渗透性、扩散层、刚度和各种其它性能。
可以任选地与结合有光学纤维的稀松布连接的覆层包括如下基 质柔性、成巻制品、半柔性基质或刚性基质。在最终的复合材料中， 可以有一组、两组或所有这些组代表的成分。
柔性成巻制品的实例包括非织造品、其它纺织品织物，例如机织、 针织或其它的稀松布层、薄膜、箔、泡沬、纸或其它合适的材料。非 织造品、织物和稀松布可以由聚烯烃、聚酯、聚酰胺、玻璃纤维或其 它本领域已知的材料制成。箔可以由各种种类的金属制成。泡沫可以 由多种开放或闭孔泡沫，例如聚氨酯、聚苯乙烯、聚异氰脲酸酯
(polyisocyuranate)、泡沫橡胶和本领域已知的其它泡沫制成。
这些材料中的一些可以用于吸收冲击能量，从而保护光学纤维稀 松布不受机械损伤。这些材料成为"能量吸收"材料。该组材料包括 开放和闭孔的泡沫、非织造品、橡胶和凝胶材料、和间隔织物(具有 在压缩方向上走向的纱线、通常为单丝的三维纺织品，其能提供压缩 性和回复性)。
为了保护光学纤维不受集中于很小面积上的机械损伤，复合材料 中可以包括有应力分布材料。这些材料往往是将冲击力散布至更大面 积上的半刚性或刚性材料。半柔性基质的实例可以包括金属薄片、复 合增强材料(lay up)和类似物。刚性基质的实例可以包括金属板；木制 品，例如胶合板(plywood)、定向包lj花板(oriented strand board)或类 似物；石膏或水泥质板；陶瓷板；热塑性或热固性聚合板；和本领域 已知的其它材料。
可以使用附加层，以提供用以展开(deploy)制品、吸收冲击以保 护光学纤维基质、提供电绝缘、提供必要的热性能或提供其它所需性 能的固体结构。这样的结构在图9A和图9B中显示，其中光学纤维基 质10夹在其它材料层之间，产生复合材料40和42。在图9A中，光 学纤维10位于相对的应力分布材料层100之间。这些层可以用胶粘剂 固定(没有显示)，或者任选地，加以热粘合或焊接(welded)。在图 犯中，光学纤维10位于相对的能量吸收材料层102之间。应力分布 材料层100进一步包绕复合结构。再次，这些覆层可以用胶粘剂、热
粘合、焊接或本领域技术人员已知的其它方式彼此固定。
如上所述，层100、 102可以是若干不同材料中的任一种。相对的
层可以是相同材料或不同材料，其选择基于复合结构40或42的既定
用途。此外，尽管所图示的结构是对称的，但对称并不是必要条件(即， 光学纤维基质之下的覆层可以多于之上的覆层，反之亦然)。光学纤维
稀松布上也并非必需覆盖有另一层。尽管图示的复合材料40和42均 以光学纤维基质10作为功能性成分，但也可以使用其它的光学纤维基 质或纤维基质复合材料(例如图2、 3A和3B中所示)。在一些实例中， 在同一复合材料中使用多种光学纤维稀松布也是合乎需要的。
实施例
使用单臂机器，制造宽度为49英寸的双向紡织品稀松布材料。每 个经纱组含有120 500旦尼尔的聚酯纱线。织边纱线是1500旦尼尔的 聚酯纱线，使得可以向织边区域施以较高的张力，将光学纤维织物保 持在合适的宽度，并将光学纤维纱线在织物结构中正确定位。交叉方 向的纱线是连续的覆有PVC的光学纤维，其获自Corning, Part Number 001E41-31131-24,在各端均具有法兰的巻轴上传送。
使用单释放螺杆(single release screw)将光学纤维在经纱组之间
以每英寸1根纤维的间隔喂纱。要加以小心，以尽量减少引入光学纤 维中的扭曲程度。发现在光学纤维中扭曲常常导致纽结，这会进一歩 造成断裂。另一个考虑是扭曲的纱线可能在蓄纱器中缠结，导致机器 停止运转。为了减轻这些问题，将光学纤维从巻轴喂给蓄纱器，该巻 轴位于在其盖子中具有开口的围堵容器内。这样的作用是保持光学纤 维不从纱包(pack)脱开并扭曲或纽结，并降低光学纤维上的冲击力。 基于该试验，还预计驱动轧辊的退出(driven roll-off)将有效地将光学纤 维引入蓄纱器，同时尽量减少扭曲和断裂。
制造中遇到的另一个问题是冲击力对光学纤维的影响。最初将光 学纤维喂给经纱组的尝试导致光学纤维仅由于从巻轴上牵拉纤维的力 而断裂。我们发现，蓄纱器通过将冲击力缓冲到光学纤维纱包上而减 轻了这一问题。最后，在织物行成的过程中扭曲的纱线倾向于发生位 移，有时严重位移，形成了纱线几何形状(即纱线的平直度和图案规
则性)不规则的织物。
然后将产生的光学纤维基质浸入到含有聚乙烯醇粘合剂的化学浸
轧浴(pad)中。使用一系列六个蒸气圆筒烘燥机(steam cans)在300°F 的温度下运行，对PVA进行干燥。胶粘剂成功地将覆有PVC的光学纤 维以大约12-15 wt^的拾取率(pick-up rate)与聚酯(经)纱结合。
对实施例的光学纤维稀松布进行初步的实验室检测，以测定光学 纤维的光传输能力是否在稀松布制造过程中得以保持。使用激光二级 管(Thorlabs Model CPS 180,波长635 nm,输出功率1 mW)、硅检波 器(Newport Model 883-SL)和一些光学纤维耦合器，使用大约18英 寸长的粘接光学纤维稀松布，形成光电路和传感器系统。
激光通过耦合器并导入光学纤维中，该光学纤维结合在稀松布中。 可以看到激光从光学纤维中在与激光相反的一端射出。因此，很显然 制造过程能够产生光学纤维没有损坏的稀松布织物。
为了测试光学纤维稀松布的传感性能，安装光学纤维的出口端， 使得从纤维端口发射的光被导入功率计中(Newport Model 1815-C)。 归属于从纤维发射的激光的功率测量为2.4 nW。该测量在一段时间内 相当稳定。然后，将光学纤维稀松布在不同的位置处弯曲，导致功率 计读数变化。在一处，功率测量值降低至1.4 nW。当撤去导致功率水 平降低的压力时，功率读数返回至初始水平。该测试说明光学纤维稀 松布对甚至是局部的弯曲或屈曲是敏感的。
总之，本发明的光学纤维稀松布代表了对现有技术有用的改进。 本领域技术人员可以在不偏离本公开内容精神和范围的情况下对本文 所述的产品和方法进行修改和变化。而且，本领域技术人员将会认识 到，前述描述仅通过实施例来进行，其并非对所附权利要求的范围进 行限定。
权利要求
1.一种稀松布织物，其包括(a)至少一个具有至少两根纱线的经纱组和(b)至少一根与所述经纱组交叉的纱线，其中所述纱线中的至少一根由光学纤维组成。
2. 根据权利要求1所述的稀松布织物，其中所述稀松布具有选自 粘接无纬稀松布、热粘合无纬稀松布、机织稀松布、衬纬经编针织稀 松布、多向针织稀松布、缝编稀松布和交叉稀松布的结构。
3. 根据权利要求1所述的稀松布，其中所述经纱组具有用量在大 约每60英寸1根纱线至大约每英寸25根纱线之间的纱线。
4. 根据权利要求3所述的稀松布，其中所述经纱组具有川量在大 约每30英寸1报纱线至大约每英寸12根纱线之间的纱线。
5. 根据权利要求1所述的稀松布织物，其中所述光学纤维具有由 选自玻璃和聚合物的材料制成的芯。
6. 根据权利要求1所述的稀松布，其中所述光学纤维当暴露于一 种或多种选自机械试剂、化学试剂、湿气、温度、pH变化、生物源、 中子和电离辐射的来源时其光传输特性发生变化。
7. 根据权利要求1所述的稀松布织物，其中所述至少一根光学纤 维是选自单模纤维、多模纤维、光导管、感光纤维、偏振保持纤维、 多阶跃折射率纤维、渐变式折射率纤维、小包层纤维、高指数纤维、 波导薄膜和光子晶体纤维的类型。
8. 根据权利要求7所述的稀松布纤维，其中所述光学纤维是单模 纤维。
9. 根据权利要求1所述的稀松布，其中所述至少一根光学纤维包 括可压縮鞘。
10. 根据权利要求1所述的稀松布，其中所述经纱组包括至少一根 光学纤维。
11. 根据权利要求1所述的稀松布，其中至少一根光学纤维与所述 经纱组交叉。
12. 根据权利要求11所述的稀松布织物，其中多于一根的光学纤维与所述经纱组交叉。
13. 根据权利要求11所述的稀松布织物，其中与所述经纱组交叉 的所述纱线进一歩包括选自聚酯、聚酰胺、聚烯烃、陶瓷、玻璃纤维、 聚芳酰胺、棉、木、金属、碳及其组合的纱线。
14. 根据权利要求11所述的稀松布织物，其中所述经纱组包括选 自聚酯、聚酰胺、聚烯烃、陶瓷、纤维玻璃、聚芳酰胺、棉、木、金 属、碳、光学纤维及其组合的纱线。
15. 根据权利要求14所述的稀松布织物，其中所述经纱组进一步 包括至少一根光学纤维。
16. 根据权利要求11所述的稀松布织物，其中所述至少一根光学 纤维位于与所述经纱组交叉的弯曲通路中。
17. 根据权利要求16所述的稀松布织物，其中所述稀松布的结构具有方形图案。 '
18. 根据权利要求16所述的稀松布织物，其中所述弯曲通路中的 所述光学纤维的最小曲率半径大于大约0.1英寸。
19. 根据权利要求18所述的稀松布织物，其中所述弯曲通路中的 所述光学纤维的最小曲率半径大于大约0.5英寸。
20. 根据权利要求11所述的稀松布织物，其中所述稀松布结构具 有三向图案。
21. 根据权利要求20所述的稀松布织物，其中所述三向稀松布纱线具有如下结构其中所述交叉纱线在向上对角线方向上和向下对角线方向上的用量为大约每6英寸1根所述交叉纱线至大约每英寸4根 所述交叉纱线之间。
22. 根据权利要求11所述的稀松布织物，其中所述稀松布是粘接 稀松布。
23. 根据权利要求22所述的稀松布织物，其中所述的至少一根与 所述经纱组交叉的纱线位于两个经纱组之间。
24. 根据权利要求22所述的稀松布织物，其中所述经纱组含有仅 仅存在于所述稀松布织物的织边区域的纱线，并且其中所述稀松布织 物连接在柔性载体薄片上，所述载体薄片选自薄膜、箔、非织造织物、 机织织物和针织织物。
25. 根据权利要求1所述的稀松布织物，其中所述稀松布织物包括 多于一种类型的所述光学纤维。
26. —种制造光学纤维稀松布的方法，所述方法包括通过选自粘 接、热粘合、片梭机织、衬纬经编、多向经编、缝编和交叉合股的方 法制造稀松布，其中所述稀松布织物包括(a)至少一个具有至少两根 纱线的经纱组和(b)至少一根与所述经纱组交叉的纱线，其中所述纱 线中的至少一根由光学纤维组成。
27. 根据权利要求26所述的方法，其中所述稀松布通过粘接法制造。
28. 根据权利要求26所述的方法，其中所述至少一根光学纤维位 于与所述经纱组交叉的弯曲通路中。
29. 根据权利要求26所述的方法，其中所述至少一根光学纤维以 基本没有巻曲的方式进行走向。
30. 根据权利要求26所述的方法，其中在制造过程中所述稀松布 被连接在柔性载体上。
31. —种具有多组分的复合材料，其中所述组分的第一种是包括 (a)至少一个具有至少两根纱线的经纱组和(b)至少一根与所述经纱组交叉的纱线的稀松布，其中所述纱线中的至少一根由光学纤维组 成，并且其中所述成分的第二种是选自开孔泡沫、闭孔泡沫、非织造 品、橡胶、凝胶物质和间隔织物的能量吸收成分。
32. 根据权利要求31所述的复合材料，其中所述复合材料具有对 称结构，所述对称结构包括位于所述复合材料中心的所述稀松布层、 与所述稀松布层每一侧接触的能量吸收层和与所述能量吸收层每一层 接触的应力分布层，所述应力分布层选自刚性和半刚性材料。
33. 根据权利要求31所述的复合材料，其中所述复合材料包括粘 接稀松布、与所述稀松布每一侧接触的泡沫层和与所述泡沫层每一层 接触的刚性热塑性材料。
34. —种具有多组分的复合材料，其中所述组分的第一种是包括 (a)至少一个具有至少两根纱线的经纱组和(b)至少一根与所述经纱组交叉的纱线的稀松布，其中所述纱线中的至少一根由光学纤维组 成，并且其中所述成分的第二种是选自金属薄片、金属板、复合材料、 胶合板、定向刨花板、石膏心墙板、水泥板、陶瓷板、热塑板和热固 板的应力分布材料。
35. —种复合材料，其包括与至少一根光学纤维连接的柔性载体薄片，其中所述光学纤维位于横跨所述柔性载体薄片的弯曲通路中，所 述柔性载体薄片是选自薄膜、箔、纸张、非织造织物、机织织物和针 织织物的材料。
全文摘要
本发明主要涉及一种包括功能光学纤维的分布式光学纤维稀松布的制造方法、由此制造的功能光学纤维稀松布和其中结合有光学纤维稀松布的复合材料。本发明的公开内容描述了多种稀松布织物，特别是粘接的非织造稀松布材料，每种材料都包括至少一根光学纤维，该光学纤维具有跨过至少织物的长度或宽度的连续通路。这种光学纤维稀松布可以单独或与其他材料，例如织物、薄膜、泡沫和类似物组合使用，以用作传感器组件(例如，作为断裂、应变、压力或扭矩的传感器)、照明组件(例如，在多种提供光的应用中)或数据分配组件。
文档编号D04H3/04GK101184882SQ200680018638
公开日2008年5月21日 申请日期2006年5月17日 优先权日2005年5月27日
发明者J·G·利弗, P·艾伦, R·S·科尔曼, W·R·赫西 申请人:美利肯公司