可解耦温度应变的印刷光纤传感器及喷印制造方法与应用

本发明属于柔性传感制造相关，更具体地，涉及一种可解耦温度应变的印刷光纤传感器及喷印制造方法与应用。

背景技术：

1、光纤传感器通过光信号传播承载外界信号变化，相对于普通电学传感器，光纤传感器因为不受外界电磁信号的干扰，且灵敏度高、响应速度快，在飞行器蒙皮信号采集、手术机器人射频传感、发动机性能监测等极端条件下有着广泛的应用前景。光纤传感器是一种将外界刺激信号转变为光信号，并通过光纤进行传输的传感器。当外界条件发生变化时，如温度、应变、气体浓度、湿度等变化时，光纤内传输的光信号的一些对应特征也会发生变化，如光强度、波长、频率、相位等，通过光纤后端光谱仪的解调后得到被测参量的变化。

2、光纤光栅是指在二氧化硅光纤内部预制的周期性栅格结构，能够在温度或应变变化时产生栅格周期的偏移，进而带来选择性反射光波长的变化，实现对外界温度或应变信号的感知，然而，考虑到光纤传感器工作环境的复杂性，如飞行器智能蒙皮表面，通常存在着温度与应变信号的同步变化，而传统布拉格光栅不能同时识别两种信号的区别，无法实现两种刺激信号的解耦合。

3、为了解决当前光纤光栅传感器无法实现温度应变解耦问题，当前研究在不同的方面提出了几种解决方法。如专利cn112945129a提出了一种同时监测温度和应变的光纤传感器，采用微光纤结为温度传感，长周期光纤光栅级联fabry-perot腔作为应变传感，用不同结构实现对温度应变的监测，结构复杂，制备方法困难，一条光纤上仅能布置一个温度和应变传感器，无法实现温度和应变的分布式传感；又如专利cn112212915a公开了一种应变温度完全同步测量的柔性光纤光栅传感器，将光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器分别熔接到光纤的不同位置，并通过柔性套管的封装与温度的补偿来实现温度应变的分布式测量，但无法实现温度和应变的原位监测，且传感器数量增加时，补偿难度增加。

4、近年来，光纤荧光传感器作为一种利用荧光原理实现外界信号监测的手段得到关注，现有光纤荧光传感器是采用泵浦光源作为激发源，通过入射光纤传输刺激荧光物质发光，通过检测荧光强度、衰减时间等来判断外界信号变化。如专利cn101726372a和专利cn101216355a提出的光纤荧光温度传感器，然而当前的光纤荧光传感器受限于制造工艺，均只能将荧光物质布置在光纤尾部，从而失去分布式测量的优势，且无法实现温度和应变的同时原位监测。

5、综上所述，现有基于光纤的传感器均为在光纤内部的不同位置设计微结构实现对外界温度或应变的响应，无法同时实现温度和应变的原位监测和分布式测量，且通常需要多种紫外曝光、多部件熔接等工艺制备过程，工艺路线复杂。因此，亟需提出一种基于光纤的温度应变原位监测传感器，可以通过相对简便的制备工艺，利用光纤实现温度和应变的原位监测。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可解耦温度应变的印刷光纤传感器及喷印制造方法与应用，其通过温敏荧光材料及力敏荧光材料受激散射，进而通过监测荧光的荧光寿命信息和光强来实现外界温度和应变的原位测量并实现温度应变的解耦。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可解耦温度应变的印刷光纤传感器，所述印刷光纤传感器包括光纤、分布式嵌设在所述光纤上的温敏传感结构及力敏传感结构；其中，所述温敏传感结构的材料为温敏荧光材料，所述力敏传感结构的材料为力敏荧光材料，所述温敏传感结构及所述力敏传感结构用于检测外界温度及应变的信息并发出相应的荧光，所述印刷光纤传感器依据荧光的寿命信息及光强实现外界温度及应变的原位检测及温度应变的解耦。

3、进一步地，所述温敏传感结构及所述力敏传感结构内通过泵浦光源激光时，所述温敏传感结构及所述力敏传感结构发出不同波长的荧光。

4、进一步地，所述光纤对应所述温敏传感结构及所述力敏传感结构的区域的包覆层及包层均被去除，仅剩纤芯。

5、进一步地，所述光纤包括纤芯、包裹在所述纤芯外周面上的包层及包裹在所述包层外周面上的涂覆层；所述光纤开设有多个分布式设置的收容槽，所述收容槽贯穿所述涂覆层及所述包层。

6、进一步地，所述温敏传感结构及所述力敏传感结构成组设置，且同组内的温敏传感结构及热敏传感结构分别设置在相邻两个收容槽内。

7、进一步地，所述温敏传感结构及所述力敏传感结构成组设置，且同组内的温敏传感结构及热敏传感结构间隔设置在同一个收容槽内。

8、进一步地，所述印刷光纤传感器还包括泵浦光源、光纤耦合器、滤波器、光电探测器、信号放大器及处理模块；所述泵浦光源用于发射激光，所述激光通过光纤耦合器传输至所述光纤，并分别通过所述温敏传感结构及所述力敏传感结构，所述温敏传感结构和所述力敏传感结构产生的荧光反向传播以通过所述光纤耦合器传输至所述滤波器，所述滤波器用于对接收到的荧光信号进行滤波，提取需要分析的荧光信息，并传输给所述光电探测器，所述光电探测器用于将接收到的荧光转换为电信号后传输至所述信号放大器；所述信号放大器用于将接收到的电信号进行放大后传输给所述处理模块，所述处理模块用于对接收到的电信号进行分析处理以实现外界温度及应变的原位检测及温度应变的解耦。

9、进一步地，荧光寿命只与温度有关，通过光电探测器监测荧光衰减速率即荧光寿命的变化情况即可判断外界温度的变化，所述处理模块采用荧光寿命与温度的对应关系来计算得到对应的外界温度；荧光寿命与温度的对应关系为其中a、b、k、δe为常数，t为环境温度。

10、本发明还提供了一种如上所述的可解耦温度应变的印刷光纤传感器的喷印制造方法，所述方法包括以下步骤：

11、(1)在光纤上制备多个分布式设置的收容槽；

12、(2)分别以温敏材料及力敏材料为原料，采用电流体喷印方式在收容槽内制备温敏传感结构及热敏传感结构，进而得到所述印刷光纤传感器。

13、本发明还提供了一种如上所述的可解耦温度应变的印刷光纤传感器在飞行器蒙皮信号采集、手术机器人射频传感、发动机性能监测中的应用。

14、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的可解耦温度应变的印刷光纤传感器及喷印制造方法与应用主要具有以下有益效果：

15、1.温度与应变的解耦与测量：将温敏荧光材料和力敏荧光材料分别置于光纤的不同位置，利用不同荧光的衰减寿命和强度分别对温度和应变敏感的特性，实现温度和应变的分别测量，解决了普通光纤传感器无法实现温度应变解耦的问题。

16、2.利用高分辨率打印工艺实现了光纤表面荧光材料的图案化打印制造，实现了在125μm光纤表面进行温度应变传感器的制备。

17、3.实现了光纤传感器的分布式打印制造。利用送丝电机、收丝电机、双回转电机的配合，实现了长距离光纤表面分布式传感器的制造，解决了长距离分布式光纤传感器的打印制造问题。

18、4.本发明实现了包层内高强度荧光传感与光传输。泵浦光在光纤包层内传输，直接将泵浦激光传输至荧光材料表面，实现了荧光材料与泵浦光的直接接触，从而提高了荧光效率与荧光强度。

19、5.材料的荧光寿命仅与光纤所处环境温度有关，而与光纤产生的应变无关，且不受泵浦光源强度波动的影响；采用荧光寿命间接表征温度变化，测量系统结构简单，可以大大提高温度的测量精度。