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1.本实用新型涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种柔性微纳光纤耦合器及微应变传感应用系统。


背景技术：

2.柔性器件具有优异的可折叠和可穿戴性能，在生理监测、软机器人、生物电子学、柔性显示器和智能服装等领域有重要应用。柔性应变传感器能够实时原位测量弯曲运动过程中的环境应变和机械变形，已成为人体健康监测等领域必不可少的柔性设备。为了跟踪心血管疾病、血流、皮肤组织愈合和声学振动中极其微弱的应变信号，提高柔性应变传感器的灵敏度和检测极限已成为当务之急。这些先进的传感器将更容易捕捉人类生理指标的变化细节，并为药物开发、临床诊断和疾病治疗提供更有效的数据支撑。
3.电子柔性传感器通过测量电容、电阻、压电和摩擦电的变化，在识别极弱应变传感信号方面取得了卓越的性能。然而，寄生效应、绝缘不足和电磁干扰等问题在一定程度上限制了电子传感器的实际应用。
4.光学传感器，尤其是光纤传感器，具有灵敏度高、精度高、响应速度快、固有的电气安全性和抗电磁干扰能力强等显著优点，为电子传感器提供了一种很有前途的替代品。大多数光纤传感器都采用监测功率的变化来监测应变的变化，其中利用损耗的原理实现应变监测的传感器，灵敏度主要是由外部应力引起的结构畸变造成弯曲损耗或者光纤内掺杂了吸光的物质增大损耗。这种传感器与传统的电子传感器相比限制了灵敏度和紧凑性。另一种基于干扰效应的传感器，利用传统石英光纤中的干涉法测量应变，其灵敏度探测极限为亚pε级(10
–
11
％)，这为提高光纤应变传感器的灵敏度和检测极限提供了巨大潜力。然而这种未封装的传感器很容易受到外界环境的污染，影响使用寿命，而且传感时易受到外界微小振动的干扰，导致探测结果不准确，并且灵敏度太高又限制了探测范围。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是提出一种柔性微纳光纤耦合器及微应变传感应用系统。
6.本实用新型所采用的技术方案是：
7.一种柔性微纳光纤耦合器，包括：
8.第一石英光纤，第一石英光纤的中部经过熔融拉锥，出现第一锥区；
9.第二石英光纤，第二石英光纤的中部经过熔融拉锥，出现第二锥区；
10.耦合区，所述第一锥区和所述第二锥区上相互连接的光纤作为耦合区；
11.封装单元，为柔性透明的有机弹性体薄膜，用于封装部分第一石英光纤、第一锥区、耦合区、第二锥区和部分第二石英光纤；
12.其中，所述第一石英光纤的第一端作为柔性微纳光纤耦合器的输入端；所述第二石英光纤的两端作为柔性微纳光纤耦合器的输出端。
13.进一步地，所述耦合区上的光纤的直径为0.5-25μm，长度为0.1-20mm。
14.进一步地，所述封装单元的厚度为20-1000μm。
15.本实用新型所采用的另一技术方案是：
16.一种微应变传感应用系统，包括：
17.如上所述的柔性微纳光纤耦合器；
18.窄带光源，与是柔性微纳光纤耦合器的输入端连接；
19.两个光电探测器，两个光电探测器的输入端对应连接柔性微纳光纤耦合器的两个输出端；
20.多通道数据采集卡，两个光电探测器的输出端均连接至多通道数据采集卡；
21.上位机，与所述多通道数据采集卡连接，用于对接收到的信号进行信号解调。
22.进一步地，所述微应变传感应用系统包括单点探测系统和阵列探测系统；
23.其中，单点探测系统对应一个柔性微纳光纤耦合器，使用2个光电探测器；阵列探测系统对应多个柔性微纳光纤耦合器，使用光开关时分复用技术与光电探测器组合实现对不同点的定位及监测。
24.本实用新型的有益效果是：本实用新型基于分光比的分光效应进行应变的监测，具有很好的抗外界干扰能力，同时可监测周期和损耗的变化，既保证了灵敏度又扩大了传感范围。
附图说明
25.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
26.图1是本实用新型实施例中一种微应变传感应用系统的结构示意图；
27.图2是本实用新型实施例中柔性微纳光纤耦合器的应变与耦合比变化的关系曲线图；
28.图3是本实用新型实施例中音响振动发出的声音带动微纳光纤耦合器的微振动的示意图；
29.图4是本实用新型实施例中腕部脉搏测试曲线图；
30.图5是本实用新型实施例中喉部声音测试曲线图和频响曲线图；
31.图1的附图标记：1、窄带光源；2、石英光纤；3、锥区；4、耦合区；5、光电探测器；6、多通道数据采集卡；7、上位机；8、封装单元。
具体实施方式
32.本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方
位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
34.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
35.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
36.如图1所示，本实施例提供一种柔性微纳光纤耦合器，该柔性微纳光纤耦合器的制备方法包括微纳光纤耦合器的制备以及封装。作为可选的实施方式，微纳光纤耦合器可采用以下方式制备获得：首先将两根剥去涂覆层的石英光纤用无尘纸擦净固定于拉锥台上，通过熔融拉锥法拉制而成，微纳光纤耦合器由耦合区4，锥区3，以及石英光纤2组成，石英光纤2和锥区3部分相连，两端锥区3之间最细的部分为耦合区4。封装过程：柔性透明的有机弹性体薄膜封装微纳光纤耦合器，柔性透明的有机弹性体薄膜是经过其前驱体加热制备而成。
37.如图1所示，本实施例提供一种微应变传感应用系统，包括传感装置和信号解调部分。传感装置包括柔性微纳光纤耦合器，窄带光源1，两个光电探测器5和一个多通道数据采集卡6；信号解调部分包括上位机7。其中，柔性微纳光纤耦合器包括耦合区4，锥区3，以及石英光纤2。柔性微纳光纤耦合器的其中一个输入端口连接于窄带光源1，另外两个输出端口分别连接于两个光电探测器5，两个光电探测器5连接于一个多通道数据采集卡6，多通道数据采集卡6通过usb通信接口与上位机7相连接，利用上位机7中的信号处理单元来解调信号。
38.进一步作为可选的实施方式，微应变传感应用系统包括单点探测系统和阵列探测系统；其中，单点探测系统对应一个柔性微纳光纤耦合器，使用2个光电探测器；阵列探测系统对应多个柔性微纳光纤耦合器，使用光开关时分复用技术与光电探测器组合实现对不同点的定位及监测。
39.进一步作为可选的实施方式，上位机通过以下方式进行信号解调：
40.利用柔性微纳光纤耦合器的耦合区的分光效应，获取不同应变情况下的分光比，并对分光比做归一化处理，获得模型数据；
41.在微应变传感应用系统应用时，根据模型数据和获得的分光比，输出应变检测结果。
42.进一步作为可选的实施方式，上位机进行信号解调，还包括：
43.同时检测应变和损耗的变化，柔性微纳光纤耦合器拉伸时会导致光功率的变化，柔性微纳光纤耦合器的两个输出端口的光功率之和与输入的光功率之比为损耗的数值，根据损耗的数值查找周期的位点。
44.以下结合具体实施例对上述微应变传感应用系统进行详细解释说明。
45.选用耦合区半径为1μm，长度为18mm的柔性微纳光纤耦合器固定在高精度位移台上，一端与窄带光源1相连，另外两个输出端口连接于两个光电探测器5，光电探测器5接入一个多通道数据采集卡6，多通道数据采集卡6通过usb通信接口与上位机7相连接，利用上
位机7中的信号处理单元7来解调信号，来达到监测应变的作用。通过步进电机拉伸柔性微纳光纤耦合器，如图2所示，图2为拉伸柔性微纳光纤耦合器传感单元的应变与耦合比变化关系的曲线图。
46.连接方式与上述相同，将耦合区半径为1μm，长度为18mm的柔性微纳光纤耦合器放置在高精度位移台上固定不动，将一个音响放在柔性微纳光纤耦合器传感单元附近，音响振动发出的声音带动微纳光纤耦合器的微振动，使音响播放从20hz到20khz的单频信号，柔性微纳光纤耦合器可以探测不同频率的变化，如图3所示。
47.将所述耦合区直径为1μm，长度为18mm柔性微纳光纤耦合器传感单元贴附于人体不同部位或者集成于可穿戴装置中，具体连接方法与上述一样。将柔性微纳光纤耦合器传感单元贴附于手腕部位，测试手腕的脉搏跳动，得到的关系曲线图如图4所示。该传感器对脉搏的振动响应性良好，可以清晰的测出腕部的脉搏。同时将柔性微纳光纤耦合器传感单元贴附于喉部，声音带动声带的振动，分别说出s，c，u，t的单词，可以清晰的看出分光比的变化，如图5所示。
48.综上所述，本实施例相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：
49.(1)利用分光比的变化来监测光功率既实现了高灵敏度，达到了很低的探测极限，同时也很容易排除外界环境的干扰。
50.(2)同时监测周期和损耗的变化，利用损耗来定位周期上的位点分光比，既保证了高灵敏度，又扩大了传感范围。
51.(3)微纳光纤耦合器经过柔性透明有机弹性体的封装，提高了微纳光纤耦合器的稳定性，同时使得微纳光纤耦合器免受灰尘杂质等的干扰。
52.(4)本实用新型制备的传感器经过10000次重复拉伸实验后分光比的变化仍然很稳定，说明该传感器可进行长期使用。
53.以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。