[發明專利]一種基于微納光纖的柔性熱導檢測裝置和方法

有效

• 申請號: 202010835525.2
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN111999341B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 董浩;張磊;唐瑤;付翔
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01K11/32
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 陳昱彤

本發明公開了一種基于微納光纖的柔性熱導檢測裝置和方法。本發明柔性熱導檢測裝置包括熱導傳感器、光源和控制器，熱導傳感器利用柔性導熱封裝物包覆微納光纖和柔性加熱器進行熱傳導，且熱導傳感器又與控制器形成閉合的溫度控制反饋回路，利用柔性導熱封裝物作為微納光纖的包層，基于微納光纖中傳輸光的強倏逝場與包層封裝材料的熱光效應的耦合，使單個的、柔性的熱導傳感器在控制器的調控下實現了溫度測量和溫度調節功能的微型化集成，無需增加其它額外的模塊即可實現待測物體導熱性能的準確評估，具有顯著的輕量化特征，且具有靈敏度高、響應速度快、不受電磁輻射干擾等顯著優勢，更適合在極端和特殊環境中的應用。

技術領域

本發明涉及微納光纖傳感以及熱導檢測，屬于光纖傳感領域。

背景技術

在物聯網和5G時代，觸覺傳感器在機器人、健康醫療、智能制造及基礎科學研究中具有廣闊應用前景。溫覺是觸覺的重要組成部分，是人類認知世界、實現材質識別的一個重要依據。目前，具有溫度檢測功能的柔性觸覺傳感器主要采用電學原理，其響應時間、分辨率、工作范圍和抗電磁干擾性能均難以滿足智能機器人對高性能溫度傳感器的需求。如何將溫度信息轉變成被測物的熱導信息，進而區分物體的材質，是智能機器人發展的迫切需求，亦是研究人員面臨的巨大挑戰。

傳統的熱導系數檢測方法包括穩態法和瞬態法，其中，穩態法是指當待測樣品的溫度分布達到穩定后，測定流過樣品的熱量和溫度梯度等來計算樣品的導熱系數。它是利用穩定傳熱過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡條件來測量導熱系數。穩態法具有原理清晰、模型簡單等優點，但其實驗條件苛刻、測量時間較長。瞬態法在測量時，通過發出一個熱源給樣品傳遞熱量，同時測定樣品的溫度-時間響應。相比之下，瞬態法由于其操作簡單、測量時間短、可測量的樣本種類多(例如：液體、粉末、凝膠)等特點，在實際中得到廣泛應用。然而目前基于瞬態法的熱導傳感器多采用剛性結構，包括剛性的熱源、溫度探頭和封裝材料。且在一些具有強電磁干擾的環境中，基于電學原理的溫度探頭的準確性也無法得到保證。因而在穿戴式、機器人和智能制造等場景中的應用受到限制。開發全柔性材質、抗電磁干擾的熱導傳感器在觸覺感知領域具有重要的應用價值。

微納光纖是一種其腰區的直徑接近或小于傳輸光波長的波導，當光在微納光纖中傳輸時，相當一部分能量以倏逝場的形式存在于光纖外部的介質，具有表面光滑、直徑均勻性好、機械性能高、強光場約束、強倏逝場及表面場增強效應等特性，在光傳感領域具有重要的應用前景。當采用具有高熱光系數的低折射率柔性聚合物封裝微納光纖的纖芯時，微納光纖輸出光強隨柔性聚合物溫度的變化而發生靈敏的變化，因此柔性聚合物封裝微納光纖可以用于溫度測量。當柔性聚合物封裝微納光纖與被測物體接觸且存在溫度差時，通過實時測量微納光纖輸出光信號的變化，不僅能夠獲得被測物體的溫度信息，而且通過分析溫度變化曲線，可獲得被測物的熱導信息。為了模仿人類恒定的體溫，將一個柔性加熱器與微納光纖溫度傳感器集成，使溫度傳感器在不與被測物接觸時保持高于環境溫度的恒定溫度。當溫度傳感器與溫度為環境溫度的被測物接觸時，加熱膜停止工作，通過測量傳感器與被測物接觸時的降溫曲線，計算被測物的熱導。本發明的溫度傳感器具有高精度、抗電磁干擾、成本低的特點，適合應用于智能機器人的觸覺感知，通過獲取物體的熱導，有助于實現被測物的材質識別。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于微納光纖的柔性熱導檢測裝置。