本发明涉及一种光纤的角度传感器及其制备方法，属于柔性可穿戴传感领域。
背景技术：
柔性传感器在可穿戴设备、机器人和人机交互等热点领域具有重要作用，在康复医疗、机器人触觉以及虚拟现实等应用场景中具有广阔的发展前景。
随着柔性导电材料的发展，柔性可穿戴传感器逐渐成为研究热点。基于电学的柔性传感器一般通过检测传感单元的电阻、电容、电感等电学性质的变化实现传感。其基本结构是将导电传感单元封装在柔性材料内，当传感器的导电传感单元发生机械形变时，导电传感单元的电学性质发生改变。然而，由于导电传感单元的制备过程复杂，电路集成化导致的寄生电容效应，绝缘不足导致的电流泄露以及无法抵抗电磁干扰的本质缺陷等仍然是基于电学的柔性传感器目前无法有效解决的难题，一定程度上影响了其应用。
由于基于电学的柔性传感器存在上述不足，近年来科研人员将目光投向了光学传感器。相比于电学柔性传感器，光学柔性传感器具有良好的电气安全性、抗电磁干扰能力、极短的响应时间以及高信号分辨率，其中光纤柔性传感器由于结构紧凑、灵敏度高，获得了广泛关注。然而，目前报道的光纤传感器刚性较高，可拉伸性很低，在大角度弯曲形变情况下容易断裂，柔韧性较差，限制了光纤柔性传感器在可穿戴设备、机器人触觉等场景中的应用。
综上所述，研究一种柔韧性好，灵敏度高，结构紧凑的光纤柔性传感器对于可穿戴设备、机器人和人机交互等领域的研究发展具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种液芯角度传感器，它是基于液体的新型光纤传感器。
本发明的发明构思是：将两根光纤伸入软管的液体中（其中，液体的折射率小于等于软管的折射率），通过两根光纤的端面正对但不接触，使软管内的液体成为两根光纤之间的导光介质，传感位置位于插入软管的两根光纤的端面之间，输入光进入其中一根光纤，通过软管中的液体耦合至另一根光纤，再经由这根光纤输出至探测器。当软管弯曲时，两根光纤的耦合状态改变，输出光强减小，通过建立光强变化量与角度之间的一一对应关系，由此通过测量传感位置形变引起的信号光的损耗来实现角度传感，并可以通过改变液体的折射率来调整本发明传感器的灵敏度和工作范围，且可以长时间稳定工作，使本发明液芯角度传感器获得了电学柔性传感器和现有的光纤传感器所不具备的一系列突出的优点。
为实现以上发明目的，本发明所采取的技术方案是：本发明液芯角度传感器包括装有液体的密闭软管和两根光纤，所述液体的折射率小于等于软管的折射率，两根光纤的一端置于软管外、另一端置于软管的液体内，两根光纤置于液体内的端面正对且不接触，两根光纤之间能够通过所述液体实现耦合。
进一步地，本发明所述软管的内径小于等于光纤的外径。
进一步地，本发明所述光纤为石英光纤或聚合物光纤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）由于浸入液体内的两根光纤的端面相对但不接触，使得液体成为两根光纤之间的导光介质，由此可以通过测量传感位置形变引起的信号光的损耗来实现角度传感；并且，本发明传感器的灵敏度及工作范围可以通过改变液体的折射率进行调整，由此可以灵活地获得所需的工作范围及灵敏度，使本发明传感器的用途广泛。（2）由于本发明传感器中密封软管内的两根光纤端面不接触，并且浸泡在液体中，在传感器工作过程中避免了光纤端面被磨损或受到污染，因此本发明传感器可以长时间稳定地工作。（3）若本发明传感器使用的软管内径小于等于光纤的外径，则由于软管本身具有弹性，因此在制作传感器过程中只需分别将两根光纤的一端分别从软管两端插入软管，即可保证两根光纤端面正对，并且传感器多次弯曲后软管内的两光纤端面不发生相对位移，液体被密封在软管内，从而省去对光纤端面相对位置的矫正和软管密封的工序，降低制作成本。（4）由于本发明传感器由光驱动，不会受到电磁干扰，不会产生漏电、短路等安全隐患，安全性较高。（5）液芯角度传感器的输出信号仅表现为光强的变化，并且光强变化与波长无关，使用光电二极管或ccd等光敏元件即可实时获取传感器输出信号，并由此获得传感信息，不需要使用昂贵的外围仪器。（6）本发明具有灵敏度高、重复性好、鲁棒性强、抗电磁干扰的特点，并且测量范围、测量精度均可调。
附图说明
图1是本发明液芯角度传感器的结构示意图；
图2是本发明液芯角度传感器的两根光纤置于液体内的端面之间的间距不同时的工作曲线；
图3是本发明液芯角度传感器采用不同折射率的液体时的工作曲线；
图4是本发明液芯角度传感器采用两根光纤置于液体内的端面之间的距离为4mm，液体折射率为1.38时的工作曲线；
图5是本发明液芯角度传感器应用于数据手套时的结构示意图；
图中：1－液体，2－软管，3－第一光纤，31－第一光纤的一端，32－第一光纤的另一端，321－第一光纤的置于液体内的端面，4－第二光纤，41－第二光纤的一端，42－第二光纤的另一端，421－第二光纤的置于液体内的端面，5－光源，6－探测器，7-液芯角度传感器。
具体实施方式
如图1所示，本发明液芯角度传感器包括装有液体1的密闭软管2和两根光纤（第一光纤3和第二光纤4）。“液芯”是指软管2内装有液体1之意。因软管2内装有液体1，传感位置弯曲角度的变化引起的液体的形变可以造成信号光透过率变化，由此可以通过测量传感位置形变引起的信号光的损耗来实现角度传感。液体1的折射率小于等于软管2的折射率。一般地，光纤可以选用石英光纤或聚合物光纤。在本发明中，第一光纤的一端31置于软管2外，使其与光源5相连；第二光纤的一端41置于软管2外，使其与探测器6相连。第一光纤的另一端32和第二光纤的另一端42置于软管2的液体1内，第一光纤3的置于液体内的端面321和第二光纤4的置于液体内的端面421正对，并且端面321和端面421之间不相接触，第一两根光纤3和第二光纤4之间能够通过液体1实现耦合。
作为本发明的一种优选实施方式，本发明软管2的内径小于等于第一光纤3和第二光纤4的外径。由于软管2本身具有弹性，因此在制作本发明传感器的过程中只需分别将两根光纤的一端分别从软管2的两端分别插入软管2，即可保证两根光纤的端面321、421正对，并且传感器多次弯曲后，软管2内的两光纤的端面321、421不发生相对位移，可以省去对两根光纤端面相对位置的矫正和软管2密封的工序，降低制作成本。
需要说明的是，在本发明中，若第一光纤3的端面321和第二光纤4的端面421直接接触，则传感器失效。
在本发明中，若液体1的折射率大于软管2的折射率，则信号光在液体1中传输时满足全反射条件，当传感器弯曲时，在液体1中传输的信号光极少因为传感位置弯曲而损耗，信号光透过率减弱幅度极小，导致传感器失效。
为了使本发明的设计目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以丙三醇、软管和标准通信光纤为例说明本发明液芯角度传感器的制备方法和结构；并以数据手套为例，介绍本发明基于液芯角度传感器的一种实际应用。应当理解，此处描述的数据手套仅用于解释本发明的一种应用场景，并不用于限定本发明。
由于以下实施例中选用的软管的内径小于光纤的外径，因此插入软管的光纤与软管贴壁接触，并且两根光纤的端面正对但不接触，在传感器弯曲角度为0°时，光纤端面的相对位置保持不变。
使用时，将液芯角度传感器紧密固定在被测物体表面，使液芯角度传感器能够产生与被测物相同的弯曲角度。当传感器弯曲角度为0°时，得到最大信号光透射率。随着弯曲角度增大，信号光透过率下降，通过测量输出的信号光的透过率的变化实现对角度的传感。
当信号光通过一根光纤进入液体时，信号光将在光纤端面和液体的接触面上发生折射，并产生一发散角，经过折射的信号光接触软管管壁，由于液体的折射率低于软管的折射率，信号光将在液体和软管的接触面上进一步发生折射和反射，信号光发生折射的部分从光路中逸出导致信号光损耗，在液体中经过多次折反射之后，剩余的信号光被另一根光纤通过端面耦合接收。通过对比信号光衰减的幅度，得到角度变化信息。
由于本发明软管中的两根光纤的端面之间为液体，两根光纤的端面之间的距离越长，信号光在液体和软管的接触面上进行折反射的次数越多，由角度变化引起的信号光损耗越大。以弯曲角度为自变量，透过率为因变量进行分析，透过率的变化量与对应的弯曲角度的变化量的比值越大，即工作曲线的变化趋势越陡，说明传感器的灵敏度越高；透过率随弯曲角度变化呈近似线性的区域越宽，说明传感器的工作范围越大。
以下以液体的折射率为1.47，第一光纤3和第二光纤4置于液体内的端面321、421之间的距离依次为4mm、3mm、1.5mm的液芯角度传感器为例说明本发明传感器的技术效果。如图2所示，当第一光纤3和第二光纤4置于液体1内的端面321、421之间的距离为4mm时，液芯角度传感器的工作曲线近似线性的范围较小，即工作范围相对较窄，仅为0~15°；但是在该线性范围内，液芯角度传感器透过率的变化量与对应的弯曲角度的变化量的比值较大，即灵敏度较高。当第一光纤3和第二光纤4置于液体1内的端面321、421之间的距离减小为3mm时，液芯角度传感器的工作曲线近似线性的范围增大，约为0~60°；然而在该线性范围内，液芯角度传感器的灵敏度相比于光纤端面为4mm时降低。当进一步减小第一光纤3和第二光纤4置于液体1内的端面321、421之间的距离至1.5mm时，液芯角度传感器的工作范围进一步增加，为0~90°；同时在该工作范围内，液芯角度传感器的灵敏度进一步减小。由此可见，第一光纤3和第二光纤4置于液体1内的端面321、421之间的距离越小，传感器的工作范围越大。然而，随着工作范围的增加，液芯光纤角度传感器在工作范围内的灵敏度相应降低。
由于信号光通过一根光纤进入液体后，在该光纤端面和液体的接触面上产生的发散角的大小与液体的折射率相关，液体的折射率越低，发散角越大，信号光在传输时在液体和软管接触面上的折反射次数越多。当传感区域弯曲同等角度时，发散角更大的传感器的信号光透过率的变化量更大，即传感器的灵敏度更高，相应地，传感器工作曲线的线性区域更窄，即工作范围更小。
以下以第一光纤3和第二光纤4置于液体1内的端面321、421之间的距离为1.5mm，液体1的折射率依次为1.47、1.38的液芯角度传感器为例说明本发明传感器的技术效果。如图3所示，当液体1的折射率为1.47时，液芯角度传感器的工作曲线所显示的透过率随弯曲角度变化的线性区域较宽，约为0-80°；并且在该线性区域内，透过率的变化量与对应的弯曲角度的变化量的比值较小，即传感器的灵敏度较低。当液体1的折射率为1.38时，液芯角度传感器的工作曲线所显示的透过率随弯曲角度变化的线性区域较窄，即传感器的工作范围减小，为0-30°；同时在该线性区域内，透过率的变化量与对应的弯曲角度的变化量的比值较高，即灵敏度较高。由此可见，液体1的折射率较小时，液芯角度传感器的工作范围减小，但是相应的，传感器的灵敏度会上升。通过对本发明液芯角度传感器的第一光纤3和第二光纤4置于液体1内的端面321、421之间的距离和液体1的折射率进行调整，可以获得极高的角度灵敏度。以第一光纤3和第二光纤4置于液体1内的端面321、421之间的距离为4mm、液体1的折射率为1.38的液芯传感器为例，其工作曲线如图4所示：当该液芯角度传感器被用于探测2°以下的小角度时，信号光的透过率随弯曲角度变化的线性度较好，并且在该线性区域内，透过率的变化量与对应的弯曲角度的变化量的比值较高。若将光源的稳定性考虑在内，将信号变化幅度超过光源稳定性1倍标准偏差的数据视为有效数据，则该液芯角度传感器的最低检测限可达0.01°，超过多数电学传感器。
在可穿戴设备等实际应用中，光源和探测器部分通常被固定在穿戴者身上，以数据手套为例，使用一枚贴片式led作为光源，以及一枚ccd芯片作为检测设备，同时连接多个本发明液芯角度传感器7，实现手部14个手指关节弯曲角度和4个指缝开合角度的运动检测。如图5所示，为了避免影响到角度传感器的正常工作，光源5和探测器6均设置在数据手套的手背位置，而本发明液芯角度传感器7则被固定在数据手套的手指关节、指缝关节位置。如图5所示，各液芯角度传感器7分别被固定在手指关节和指缝共18个位置上，光源5的输出端与各液芯角度传感器7的第一光纤3的一端31连接，各液芯角度传感器7的第二光纤4的一端41分别与探测器6连接。光源5的输出光通过各液芯角度传感器7的第一光纤3的端面321进入软管2内的液体1中，经过在液体1中多次折反射后通过第二光纤4的端面421耦合进入第二光纤4，再通过第二光纤4耦合至探测器6。一枚ccd芯片可以同时处理多个液芯角度传感器7的探测数据。当穿戴数据手套的手部做出动作如手指弯曲时，液芯角度传感器7的输出光强相应变化。通过处理探测器6所获取的数据，可以对应得到每个液芯角度传感器7反馈的角度信息，从而实现手势检测。本发明液芯角度传感器7可以进行集成，灵敏度和工作范围可根据需求进行调整，适合用于可穿戴传感器、人机交互等领域。
1.一种液芯角度传感器，其特征是：包括装有液体的密闭软管和两根光纤，所述液体的折射率小于等于软管的折射率，两根光纤的一端置于软管外、另一端置于软管的液体内，两根光纤置于液体内的端面正对且不接触，两根光纤之间能够通过所述液体实现耦合。
2.根据权利要求1所述的液芯角度传感器，其特征是：所述软管的内径小于等于光纤的外径。
3.根据权利要求1或2所述的液芯角度传感器，其特征是：所述光纤为石英光纤或聚合物光纤。
技术总结