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可穿戴式光纤应变传感器

发布:opticsphotonics    |    2017-10-17 10:12    阅读:728
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清华大学的研究人员设计了一种具有高柔性的可穿戴式光纤传感器,它可以测量人体运动中常见的应变现象,例如手指的弯曲等,可以检测伸展超过30%的应变。[图片:杨昌喜,清华大学]

随着国际关注热点逐渐倾向于未来的可穿戴技术,可以实时测量应变(如身体的运动)的传感器已经成为一种热门商品。但是,找出能够经得起较大应变的光学传感器,例如测量弯曲的肘部或者紧握的拳头,已变成一个棘手的问题。

由美国光学学会(OSA)成员杨昌喜领导的清华大学的研究团队,现在已经给出了一个解决方案:一种由有机硅聚合物制成的光纤传感器,能够承受和检测伸长率达100%的形变,并且能毫不费力的回到原始状态并继续重复使用。 (Optica,doi: 10.1364/OPTICA.4.001285)

材料问题

目前,应用在可穿戴技术设计中的这种应变传感器往往需将其设计为电子器件:石墨烯、碳纳米管或基于纳米光纤的小工具,可以根据电阻或电容的变化来检测应变。虽然这些传感器成本低、灵敏度高,但由于难以微型化、易发生电流泄漏以及遭受外界电磁噪声干扰和其他问题,使其难以真正实用化。

光学应变传感器——特别是基于光纤的传感器,它们具有较长的谱系,可以用作桥梁、油田和其他基础设施检测的应变传感器。在这样的设施中,嵌入式光纤可以用来测量长距离的微小温度和应变变化。但是,传统的刚性玻璃和塑料纤维不具备任何柔性,不能用于可穿戴应变传感器,例如,手指关节的弯曲就会导致超过30%的应变。

大约一年前,杨昌喜与美国麻省理工学院和哈佛大学的研究人员合作,展示了一种由水凝胶高分子聚合物制成的可伸缩光纤,解决了其中的一些问题。水凝胶光纤被证明具有高弹性,可复原高达700%的巨大应变,并且它作为生物相容性的材料,有望用于如可植入传感器和诊断学等。但水凝胶光纤不适用于可穿戴技术,因为当其暴露在空气中时,会变干和变质。

有机硅材料途径

现在,清华研究人员针对可穿戴光学应变传感器已经采取了另一个研究途径:由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的光纤,这是一种柔软的、可伸缩的有机硅弹性体,已经成为可伸缩电子产品的常见基底。该团队通过在80℃的管状模具中制备液体硅氧烷溶液,并且在光纤中掺杂了光吸收主要依赖波长的罗丹明B染料分子。因为光纤拉伸时直径缩小,使其总体积保持不变,所以光纤拉伸时会增加光通过染料掺杂光纤的光程。这又可以反过来读取与光纤中应变量相关的透射光谱的衰减量。

在测试中,杨的团队发现,直径为0.5毫米、长度为4厘米的光纤,可以承受近100%的应变,即使在500次循环后也能迅速回到原始状态且长度不变。为了现场检测光纤实际承受应变的能力,研究人员将环氧树脂短光纤连接到两个二氧化硅多模光纤上,并测量了白光信号的衰减谱,作为柔性部分经受的各种应变。研究小组发现,重复测量时传感器测量的应变误差小于0.6%,光纤的弯曲并没有减小应变传感器的能力。

从手指运动到深呼吸的人体运动检测

为了强调这种材料在可穿戴技术领域的潜力,研究人员甚至将传感器用于橡胶手套中,并证明了其对手指运动的敏感性——作者坚持认为,这是我们所了解的第一份使用光学传感器进行人体运动检测的报告。研究人员还将传感器安装在实验室志愿者的颈部,并努力找出与呼吸相关的细微应变的强烈信号,这展示了该材料的另一种应用。

该团队认为,这种材料“可能会在穿戴式智能设备中广泛应用,特别是关于人体运动的检测”。

来源: https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2017/october/optical_strain_sensor_for_wearable_tech/

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