二维光波导压力感测器阵列

技术领域

本发明总体上涉及一种光波导压力感测器阵列，更特别的是涉及一种在光波导压力感测器阵列配置中使用聚合物光纖的二维压力感测系統。

背景技术

压力感测系统是提供二维位置信息例如从US 4,733,068和US2019/0302879等公知。从这些公开文件中可以知道，使用光纤感测器阵列来测量二维结构中施加的压力的空间分布。这样的二维压力感测器系统特别适用于测量和监测物体和/或人的具体位置和运动。

一种压力感测系统，其中感测器阵列由光纤配置，而这些光纤是聚合物光纤(POFs)，其优点是便宜、坚固、有柔性的和对电磁干扰(EMI)不灵敏。在这样的压力感测系统中，可以提供一个光纤网格，其中在一个方向上提供的光纤连接到光源(特别是发光二极管(LEDs))，而在横向上提供的光纤连接到高灵敏度的光接收器。在交叉点上，一些来自一个光纤的光可能会耦合到交叉点上的光纤。因为这种光功率耦合取决于施加在交叉点上的压力，所以网格的每个交叉点都可以作为一个局部压力感测器。这样一个压力感测系统需要修改阵列中的感测器，以提供足够灵敏的压力依赖性光耦合。为了实现这种足够的压力依赖性光耦合，从而改善感测器系统的传输特性，感测器可以有额外的机械结构，这些结构被配置为加强波导弯曲，从而改善传输特性。这样的机械结构是环形的，但这些结构需要与光纤的交叉点精确对齐，这增加了系统的复杂性。

因此，实现使用POF作为光波导的压力感测系统是有利的，其复杂程度较低，精确度高。

发明内容

在本公开的第一方面，提供了一种二维光波导压力感测器阵列，包括：两个或多个行光波导；

两个或多个列光波导，其中行光波导和列光波导是可变形的，并且排列在平面阵列中，以定义交叉点中的感测器，其中每个交叉点包括与列波导中的一个在其交点处接触的行波导中的一个；

其中每个交叉点进一步包括光耦合结构，其被配置为当压力施加到交叉点时增强波导的弯曲；

其中光耦合结构包括与行或列光波导中的至少一个接触设置的机械光散射材料层；

其中光波导压力感测器阵列被配置为通过向行光波导提供光和测量在每个交叉点耦合到其列光波导的光来感测压力，或反之亦然，并且其中耦合到列光波导的光依赖于施加到作为感测器的交叉点的压力。

所提供的是一种二维光波导压力感测器阵列。有了这样一个压力感测器阵列，就可以测量物体和/或人在某一结构上的压力的二维空间分布。为此，所述系统提供了光波导，优选是聚合物或塑料光纤(POF)。

光波导，进一步被称为POFs，被提供在一个由N x M光纤组成的二维网格中，定义Nx M感测器，包括至少两行和至少两列。技术人员会认识到，在一个优选的实施方案中，行和列的数量远远大于2×2网格，例如，8×8网格、16×16网格、32×32网格、64×64网格或具有不同数量的行和列，如8×16网格或16×32网格。

POF通常用于低速、短距离的光数据通信，它坚固、有柔性，对电磁干扰(EMI)不灵敏。POF很便宜，而且由于其芯材和包层的直径相对较大，容易处理并且容易将光耦合到其中。由于是由延展性聚合物(例如PMMA)制成，它不像二氧化硅光纤那样脆，当被拉伸时，它不会断裂但只是被拉长。对于两个POFs的互连，可以使用低精度的连接器，甚至可以跳过，即通过简单地劈开和对接POFs来实现互连。大直径的纤芯也减少了小划痕或灰尘颗粒对光纤端面的影响。由于其对弯曲灵敏的特性，再加上其延展性，POF也可用于感测。

基于二维(2-D)POF的压力感测器阵列只检测POF中的衰减原则上是不可能的，只有在复杂的光纤网格中才可能。在一个交叉POF的二维网格中，有N个POFs在x方向运行，M个POFs在y方向运行，会得到M x N个交叉点，这些交叉点不能通过只测量每个POFs在x和y方向的衰减变化来单独检测，所以N+M损失测量值。此外，使用光纤布拉格光栅进行POF压力感测从根本上说是一种复杂而昂贵的技术。

所提出的系统有一个POF网格，其中一个方向的光纤连接到光源，并且垂直方向的光纤连接到高灵敏度的光接收器。在一个交叉点上，光纤最好没有被修改，一个光纤的非常少量的光可能会耦合到交叉点上的光纤。因为这种非常小的光功率耦合取决于施加在交叉点上的压力，网格的每个光纤交叉点可以作为一个压力感测器，其中在交叉点或交叉点耦合的光取决于施加在相应交叉点上的压力。更优选地，在被耦合的光和施加在交叉点上的压力之间存在着一种比例关系，更优选地是线性关系。

所提出的低成本和坚固的二维光学压力感测器原理可用于许多应用，诸如：

-在非临床(家庭)情况下，用于长期不受干扰和精确睡眠运动监测，

-在虚拟现实(VR)地板垫中检测人员或游戏者的确切位置，以便这些人留在正确的区域，

-它可以应用在(或织入)地毯下或PVC地板下，用于对(老年)人的隐私友好的跌倒检测。

-或在核磁共振扫描(MRI)期间检测人的运动，这种光学检测方法甚至对非常强的磁场和射频场(RF)都有免疫力，

-用于监测运动受限的床上人员的精确压力曲线，以防止压力伤害(例如褥疮)，

-在适应性床垫中，局部压力被自动控制以提高睡眠舒适度。

已知的基于POFs的二维光波导压力感测器阵列需要小环形元件形式的光耦合结构来增强POF的波导弯曲。尽管增加环形元件可以增强波导弯曲，从而改善传输特性，但它也有一个缺点，即由于每个环需要与光纤的交叉点精确对准而增加了复杂性。

本发明人的见解是为了实现足够的、可被检测的、依赖于压力的光耦合，而构成光纤不需要修改，而是保持不变并且光耦合结构也不需要是环形的，光耦合结构可以采用各种形状和尺寸的光散射材料的小贴片的形式，这些贴片有利地应用在每个光纤交叉点。贴片相对于交叉点的定位不需要很高的精度，而环的位置则需要精确。

所述光耦合结构进一步优选为柔性的，例如包括白色硅橡胶。有了具有柔性光散射材料层的光耦合结构，就能以更好的方式检测光耦合。更特别的是，所提出的光耦合结构允许更多的线性传输特性，这不仅使感测器更准确，而且还简化了读出。

已经认识到，使用所提出的基于POF的系统，其光耦合结构具有一个或多个光散射材料层，感测器的传输特性得到了改善，而没有增加复杂性，因为具有(优选是柔性的)光散射材料的光耦合结构，不仅会导致宏观弯曲(光纤的特定最小弯曲半径，在所述半径下，光将通过包层离开纤芯)，而且还会导致微弯曲，当光纤接触时，会发生微弯曲，结果导致光纤的变形，在所述变形中，少量光将通过包层离开纤芯。只有少量的光通过包层离开纤芯的事实是有利的，因为大部分的光会留在纤芯中，从而进入下一个交叉点或感测器，在那里强度会大大降低。因此，任何进一步的交叉点的灵敏度几乎不受施加于特定交叉点的压力的影响。这使得所述系统可以很好地扩展到更大的二维矩阵。

有了柔性的光耦合结构，而不是像已知的光耦合结构那样配置成刚性的环形机械元件，光纤将有表现出更多的微弯和更少的宏观弯曲的趋势。使用光散射材料层将改善传输特性，因为通过包层流出纤芯的少量光将有更大的可能性通过散射材料耦合到交叉光纤的纤芯。

由于使用了POF，所提出的光学二维感测方法坚固、快速、柔性、防水，不受外部电场的影响，其本身也不产生任何电场。所述方法是可扩展的，因为用有限数量的LEDs和光学接收器就可以检测到许多感测器点。它是低成本的，因为POF本身以及光散射贴片都很便宜，容易配置和组装，而且可以使用现成的光学和电气元件。

在本公开的实施例中，压力灵敏的光耦合机制允许构建一个交叉点，其中的光纤没有被修改，所以是完整的，并且对准是非常宽容的，这使得POF网格容易以低成本制造。根据贴片的尺寸，可以实现不同的传输特性，从指数到更多的线性，甚至是对数的依赖，以实现大的检测范围的局部压力。使用刚性环结构只能获得指数特性，这只有在你想检测压力是或不是超过某个阈值水平时才是一个优势。柔性(橡胶)材料还可以通过吸收大的力来保护光纤免受永久的损害，所以坚固性得到了提高。

在一个实施例中，光耦合结构包括两层光散射材料，它们与行和列的光波导接触并配置在其两侧，其中行和列的光波导垂直配置在两层光散射材料之间，或被它们夹住。

根据本公开的几个实施方案，光耦合结构可以应用在行和列光波导的两侧，并且可以在一侧、两侧都有一层光散射材料，并且可以在任何一侧、一侧或两侧都有柔性材料。在最优选的实施方案中，提供最佳的传输特性，光耦合结构应用在两侧，并且在两侧都有柔性的光散射材料。

在一个实施例中，两层光散射材料基本上具有相同的尺寸和形状，并且基本上横向排列。

尽管光散射材料的顶层和底层在尺寸和形状上可能有所不同，但在具有改进的传输特性的优选实施方案中，这些材料至少在尺寸和形状上基本相同，并且横向排列。

在一个实施例中，每个行光波导包括一个被波导包层包围的波导芯，每个列光波导包括一个被波导包层包围的波导芯，其中行光波导和列光波导的波导包层都被安排在一个或多个交叉感测器处进行透光接触。

在一个实施例中，每个行光波导包括被波导包层包围的波导芯，每个列光波导包括被波导包层包围的波导芯，其中波导芯相对于波导包层的横截面直径之比至少为50：1，优选至少为75：1，更优选至少为90：1，最优选约为100：1。

包层至少要足够薄，以至于有不可忽视的光可以从一根光纤的纤芯耦合到另一根交叉光纤。当纤芯与包层的横截面直径之比增加时，光更倾向于耦合到交叉光纤。因此，所述比率可以是至少50：1，但更优选的是更高。

在一个实施例中，光耦合结构包括可变形材料层，其中可变形或柔性层可由与提供光散射效应的材料相同的材料提供。然而，根据一个实施例，也可以在光耦合结构的堆栈中加入一个单独的层，所述层只提供变形特性。在一个实施例中，所述可变形材料层包括硅橡胶。在另一个实施例中，可变形材料是根据传输特性选择或调整的。这意味着，材料被选择或调整以优化传输特性，使其在对感测器施加压力时，即光纤交叉点，光纤被平滑地弯曲，造成大部分微弯曲和少量宏观弯曲，从而使光根据贴片的尺寸和形状，根据至少大部分线性或对数的传输特性进行指数耦合。

在一个实施例中，光耦合结构进一步包括刚性材料层，如聚氯乙烯。

在一个实施例中，光耦合结构包括与行和列光波导接触并在其两侧配置的两层光散射材料，以及与两层光散射材料接触并在其两侧配置的两层刚性材料，垂直配置在行和列光波导之间，或用两层刚性材料夹住两层光散射材料。

在一个实施例中，所述光耦合结构是根据圆形、椭圆形、长方形、正方形、菱形、十字形、钻形和多边形中的一组形状来成形，并且特别是，所述光耦合结构具有各种尺寸，特别是，所述光耦合结构的横截面直径约为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm，并且特别是，所述光耦合结构具有封闭结构，在所述封闭结构的中心，布置有可变形材料。

光耦合结构可以有各种形状和各种尺寸。此外，光耦合结构可具有0.5mm至3.0mm之间的横截面直径。与已知的环形机械贴片相比，本公开的光耦合结构优选为封闭式结构，后者在交叉点区域是开放的，这样光纤就不会在交叉点区域与结构接触。因此，根据本公开的光耦合结构，它提供了可变形的材料，如柔性硅，将提供除了宏观弯曲之外，对交叉点区域的散射。

光耦合的依赖性和施加的压力可以通过光耦合结构的塑造进一步优化，例如通过选择一定的形状、层厚、尺寸和材料。

在一个实施例中，行和列的光波导选自包括：阶梯指数塑料光纤和分级指数塑料光纤的组。

在一个实施例中，二维光波导压力感测器阵列被配置为睡眠监测感测器，应用在垫子下面，用于不引人注意地监测垫子上个人的睡眠相关运动。

附图说明

图1显示了根据本公开的第一方面的二维光波导压力感测器阵列的示意图；

图2显示了根据本公开内容的一个方面，两侧都有柔性材料的POF交叉的顶视图和两个侧面图；

图3显示了根据本公开的一个方面，在一个侧面上有柔性材料的POF交叉的俯视图和两个侧视图；

图4显示了根据本公开的一个方面测量POF交叉的灵敏度特性的设置；

图5显示了在本公开的一个方面，在交叉点处没有柔性材料的情况下，接收器输出电压作为施加重量的函数的图表；

图6显示了在本公开的一个方面，接收器输出电压作为施加重量的函数的曲线图，在交叉点的两侧和一侧都有柔性材料；

图7显示了在本公开的一个方面，两侧都使用光散射材料时，散射材料的尺寸的影响；

图7显示了在本公开的一个方面中，一侧使用光散射材料时，散射材料的尺寸的影响。

具体实施方式

图1显示了一个实时二维(2D)压力感测系统的示意图，所述系统基于监测嵌入二维表面的二维结构上每个交叉点施加的局部压力，所述系统有一个二维POF网格、一个光电模块和一个数据采集和控制模块。二维POF网格由SI-POF(阶梯指数POF)的网格组成，形成一个交叉点的矩阵。POF网格的所谓发射光纤与LEDs相连，并且接收光纤与光电模块的光电二极管相连。LEDs是光电模块发射部分的一部分，并且光电二极管是光电模块接收部分的一部分。数据采集和控制模块控制LED发射器，并处理从光电模块的光电二极管接收器获得的测量数据。交叉点的POFs之间的光耦合是局部压力的函数，所以通过检测光电二极管接收的光功率，可以测量出交叉点的压力。由于发射和接收SI-POF光纤之间的光耦合效应非常小，因此需要高灵敏度的光接收器，使用具有高增益和高输入阻抗的跨阻放大器(TIAs)。此外，由于在各自的交叉点上施加压力时，只有少量的光功率被耦合出发射光纤，留在发射光纤中并进入下一个交叉点的光几乎没有减少。因此，一个交叉点的灵敏度几乎不受其他交叉点压力的影响，也就是说，一个交叉点的性能的位置依赖性可以忽略不计。这使得所述系统可以很好地扩展到更大的二维矩阵。为了实现一个简单和可扩展的系统，实施了一个交叉点扫描方法。图1中的数据采集和控制模块控制选择器，它一次只选择一个LED，交叉点被逐列扫描。同时逐行读取光电探测器的输出，使数据采集和控制模块能够进行二维压力检测。这个解决方案很容易扩展，因为N个光电探测器和M个LED源可以检测N x M个感测器点，其中垂直列被逐一扫描。

本公开的一个创新特点是压力灵敏的光耦合机制的设计和交叉点的构造，其中的光纤没有被修改，所以保持原样。此外，交叉点的设计对准性很强，因为增加灵敏度的散射材料不需要在交叉点上精确对准。这种创新的交叉点设计使POF网格易于以低成本制造。现在将介绍本发明的两个实施方案：在交叉点的两侧(上面和下面)使用柔性散射材料，以及只在一侧(上面或下面)使用柔性散射材料，这使得结构更薄。下面将讨论这些方案，包括其测量结果。

方案1：两侧都是柔性的散射材料。

如图2所示，聚合物光纤(POF)交叉点的两侧都有柔性光散射材料，例如10x 10x1.5mm

方案2：在一侧有柔性的散射材料

如图3所示，聚合物光纤交叉点的一侧(例如顶部)有柔性光散射材料，例如白色硅橡胶和薄的刚性材料，例如硬PVC。在另一侧(例如，底部)，交叉点有一个薄的光散射刚性材料，例如白色硬PVC，以集中垂直压力到交叉点。如果感测器铺设在固体表面上，这种刚性材料就没有必要。散射材料和POF的柔性应该是这样的，当施加垂直压力时，接收光纤将压迫和弯曲发射光纤进入柔性的散射材料。同时，两种光纤与柔性散射材料的物理接触也会增加。由于微观弯曲是因为光纤相互接触，宏观弯曲是因为发射光纤顺利弯曲，少量的光将从发射光纤中逸出并耦合到接收光纤中。光耦合的数量与施加的压力成正比。逸出的光将在(白色)柔性散射材料和刚性(白色)散射材料中向各个方向散射，并部分耦合到接收光纤中。同样，柔性材料使感测器的网格也非常坚固。当施加压力时，柔性材料使光纤在交叉点处的弯曲半径更加平滑，并且力被光纤交叉点外的柔性材料部分吸收。如果没有柔性材料，只用刚性材料，力就会集中在光纤的交叉点上，这可能会导致永久变形。刚性材料将压力集中在交叉点上。

所提出的系统在所有或某些方面具有以下优势：

-POF光纤保持其原始状态，即不需要修改

-尽管POFs没有被修改，但由于微弯曲(POFs相互接触)、宏观弯曲(光纤在交叉处被弯曲)和交叉处接触光纤的散射柔性材料，提供了高灵敏度。

-对柔性贴片相对于交叉点的定位非常宽容。

-非常坚固，因为柔性的材料保护了光纤交叉。

-根据贴片的尺寸，可以实现不同的灵敏度特性，见下面的测量结果。

POF光纤类型可以是CK20，Mitsubishi Rayon，直径0.5mm的阶梯指数PMMA POF。光纤的柔韧性对光耦合的压力灵敏性也有影响。从力学上看，已知弯曲杆子所需的力随着杆子的直径增加。因此，光纤直径越小，光纤就越有柔性。因此，0.5mm直径的POF比标准的1mm直径的POF更加有柔性和灵敏。另外，光纤的散射损失也很重要。光纤必须具有相对较高的散射和较低的吸收损耗，才能在接收器的输入端获得可检测的光信号功率。因此，硅玻璃光纤并不适合，因为与POF相比，硅玻璃的散射损失非常低。光纤还应该有一个薄的包层，以防止相邻交叉点的影响，因此，分级指数的POF也不适合。包层直径优选是500μm，纤芯直径是486μm。白色硅橡胶材料的尺寸优选是10x 10x 1.5mm

测量结果

A.在交叉点没有柔性材料

为了显示柔性散射材料的影响，首先显示接收器输出电压作为施加重量的函数，图2的交叉点周围没有柔性材料。图5所示的测量结果是在交叉点周围的刚性硬PVC材料的两个表面都是a)黑色光吸收，b)白色光散射或c)用白色粘性胶带粘在一起的情况下。通过在交叉点周围使用白色散射材料或白色胶带，对于较大的重量来说，灵敏度是非常大的。然而，光学接收器的输出电压总是有限的(在这种情况下约为3伏)。这就限制了感测器可以使用的压力范围，在使用白色胶带的情况下，大约是600g。输出电压与重量的关系曲线显示出类似指数的行为，见图5。小于200g的重量已经很难检测。通过降低LED输出功率等方式使感测器的灵敏度降低，增加了最大重量，但使检测小重量变得更加困难。因此，这些指数特性不是很实用。为了检测更大的范围，优选地采用线性或甚至对数特性。

对于灵敏检测，无论是否有一定的压力，指数特性都不是问题。

用白色硅酮密封剂将交叉点处的光纤粘在一起的实验，导致灵敏度特性的重复性不高。

图5是接收器输出电压作为施加重量的函数的关系图，在交叉点处没有柔性材料：

a)在交叉点两侧有黑色吸收性刚性材料

b)在交叉点两侧有白色散射性刚性材料

c)光纤用白色粘性胶带粘在一起

B.在交叉点使用柔性材料

图6显示了在a)如图2所示，在交叉点周围两侧使用柔性散射材料，以及b)如图3所示，只在一侧使用柔性散射材料的情况下，接收器输出电压与施加重量的关系。与图5的结果相比，小重量的灵敏度有所提高，特性更加线性，因此适合于测量更大的压力范围。因为在图3的结构中，一侧是柔性的，另一侧是刚性的，与两侧都是柔性材料的交叉点相比，会引入更多的宏观弯曲。这说明第二种方案的灵敏度更高。

图6是接收器输出电压作为施加重量的函数的关系图：

a)在交叉点两侧的柔性散射材料(根据图2的交叉点)

b)在交叉点一侧的柔性散射材料(根据图3的交叉点)

图7和图8显示了散射材料的尺寸的影响。图7是在两侧都使用散射材料的情况下，图8是只在一侧使用时。可以看出，散射材料的尺寸对灵敏度特性的形状有影响。对于灵敏的检测，无论是否有一定的压力，图7(a)和图8(a)的指数特性使用5x 5mm

图7是接收器输出电压作为施加重量的函数的关系图，在两侧具有柔性材料(所以根据图2)，并且柔性材料的尺寸：

a)5x 5mm

b)10x 10mm

c)15x 15mm

d)20x 20mm

图8是接收器输出电压作为施加重量的函数的关系图，柔性材料只在一侧(所以根据图3)，并且柔性材料的尺寸：

a)5x 5mm

b)10x 10mm

c)15x 15mm

d)20x 20mm

这里描述的实施方案能够在一秒钟内检测一个人在床垫上的50个压力曲线，床垫下有一个16x 8的POF网格，所以有128个交叉点。

这种低成本和坚固的二维(2D)光学压力感测器原理可用于许多应用。

在非临床(家庭)情况下，用于长期不受干扰的精确睡眠运动监测。

用于监测活动受限的床上人员的精确压力曲线，以防止压力伤害(例如，褥疮)。

在自适应床垫中，局部压力被自动控制以提高睡眠舒适度。

它可以应用在地毯下(或编织在地毯中)，或者应用在例如用于检测(老年)人跌倒的PVC地板。

在虚拟现实(VR)地板垫中，检测人/游戏者的确切位置，以便这些人/游戏者停留在正确的区域。

现在已经根据几个示例性的实施方案对本发明进行了描述，这些实施方案旨在说明所有方面，而不是限制性的。因此，本发明在详细实施中能够有许多变化，本领域的普通技术人员可以从这里的描述中得出这些变化。所有这些变化都被认为是在本发明的范围和精神之内，如以下权利要求及其法定等同物所定义的。