光纖布拉格光柵柔性傳感器研究進展

徐小強，杜 陽，冒 燕，宋子奇

（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070）

引言

目前的電類柔性傳感器多采用電阻應變片、壓電材料、電容、微機電系統(tǒng)（micro-electromechanical system，MEMS）等技術(shù)[1-2]，其中傳感元件的彈性模量比較大，且屬于電類傳感元件，易受電磁干擾，在潮濕、易燃、易爆等惡劣的工作環(huán)境中應用受到限制。隨著新型柔性材料技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的同步發(fā)展，加快了生物醫(yī)學和仿生機器人等熱點學科對柔性傳感器的需求，生物醫(yī)學方面的臨床手術(shù)操作、生理指標監(jiān)測、病人關(guān)節(jié)矯正[3-5]以及仿生機器人的關(guān)節(jié)控制、皮膚感知、視覺伺服[6-7]均需要靈巧的柔性傳感器。在此背景下，憑借光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）的獨特性能優(yōu)勢[8]以及日新月異的先進制備工藝，基于光纖布拉格光柵柔性傳感器的研究工作已經(jīng)取得了很多研究成果。

基于光纖布拉格光柵柔性傳感器（以下簡稱光纖柔性傳感器），根據(jù)光纖光柵的安裝方式，可分為嵌入式、粘貼式和懸空式[9]；根據(jù)檢測功能的不同，可分為壓力傳感器[10]、觸覺傳感器[11]、滑移傳感器[12]、形狀傳感器[13]和加速度傳感器[14]；根據(jù)不同的柔性基體材料，可分為硅橡膠柔性傳感器[15]、紡織編織品柔性傳感器[16]和其他聚合物類柔性傳感器[17]。

目前，柔性傳感器在應用研究中還存在以下技術(shù)難題和瓶頸。1）溫度與壓力交叉敏感問題 在溫度不穩(wěn)定的環(huán)境中，光纖光柵在測形變、壓力等時，光纖光柵會同時受到溫度變化而引起的波長漂移，從而導致測量誤差增加； 2）柔性材料與制備工藝問題 在特殊應用場合，需要大面積高密度FBG分布的柔性傳感器，在同一根光纖上刻蝕數(shù)間距小、數(shù)量多、反射率低的弱光柵制備技術(shù)仍然是當前的前沿研究重點。另外，光纖光柵柔性傳感器在長時間使用情況下，會使得光纖光柵發(fā)生老化[18]、機械強度下降以及傳感器靈敏度減弱的問題。

本文綜述了近十年興起的以FBG傳感元件和柔性材料為基體的柔性傳感器的基本原理、制備技術(shù)、分類和應用的研究進展；歸納了硅橡膠類、紡織編織類和其他聚合物類柔性傳感器；詳細介紹了硅膠黏合法、機器編織法、3D打印法等常見的制備工藝，分析了不同制備工藝的優(yōu)缺點；討論了基于光纖光柵的柔性傳感器在制備和研究應用上存在的問題；最后對柔性傳感器的應用發(fā)展進行了總結(jié)和展望。

1 光纖光柵傳感原理

光纖布拉格光柵是一種衍射光柵，通過紫外曝光法、相位掩膜法、在線成柵法、直接寫入法等方法使得其內(nèi)部的光纖纖芯發(fā)生折射的概率增高，從而形成周期性調(diào)制的一種無源濾波元件。當一束光射入光纖經(jīng)過FBG時，只有波長滿足Bragg條件的光波才會被反射，稱為FBG的中心波長，其原理圖如圖1所示[19]。

圖1 光纖光柵傳感器工作原理圖及其應變響應[19]Fig.1 Schematic diagram of working principle of fiber Bragg grating sensor and it’s strain response

反射光的波長與光柵周期和纖芯的有效折射率[20]之間的關(guān)系可表示為

式中： λB表示光纖光柵的中心波長；neff表示光纖纖芯的有效折射率； Λ表示光纖光柵的周期。影響FBG傳感的物理量為應力和溫度，外界應力和熱膨脹效應會使光柵周期發(fā)生變化，彈光效應和熱光效應會使光纖纖芯的有效折射率發(fā)生變化[21]，當溫度和應力同時變化時，F(xiàn)BG的中心波長用公式可表示為

式中：α、ξ和Pe分別為FBG的熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)和有效彈光系數(shù)； ?ε 和 ?T為光纖軸向應變和溫度變化。當溫度恒定不變時，光纖光柵中心波長變化與應變有關(guān)，有效彈光系數(shù)為常數(shù)，且不同光纖材料的有效彈光系數(shù)不同。

2 不同基底材料的FBG柔性傳感器

柔性基底材料的選擇是FBG柔性傳感器的設(shè)計重點，研究人員基于應用背景選擇了不同的柔性材料作為基底對FBG進行封裝，通過單根光纖、多根光纖平行或陣列的耦合方式制作柔性傳感器，并在實驗中對比裸FBG和柔性基底封裝后的FBG在靈敏度、壓力應變等方面的性能。根據(jù)柔性材料的特質(zhì)，可用于曲率、壓力、觸覺感知等方面的測量。

2.1 硅橡膠基底FBG柔性傳感器

硅橡膠因其具備耐高溫[22]、耐低溫、可拉伸延展等特點，是目前大多數(shù)柔性傳感器可選擇的柔性基底材料。Jin-Seok Heo等人[23]利用硅橡膠設(shè)計了一種基于FBG的柔性壓力陣列傳感器，具有與人體皮膚最大空間分辨率和最大受力相一致的觸覺范圍。為了探究光纖FBG埋入仿生體中的傳感性能，王彥等人[24]制備了一種將FBG埋入硅膠基體中的柔性傳感器，測試對比了FBG柔性傳感器和裸FBG傳感器對溫度和應變響應性能，實驗中構(gòu)造橋梁模型來模擬車輛通行，結(jié)果表明檢測車輛通行載荷信號能力、響應速度均強于裸FBG，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性更高。A.E.James等人[25]將FBG離心嵌入柔性硅膠中，但是發(fā)現(xiàn)單純的硅膠類柔性材料并不適合作為曲率傳感器的柔性基底，硅膠類易變形的特性，會導致傳感器測量重復性差及不穩(wěn)定等問題。但在之后其他團隊的研究中發(fā)現(xiàn)，加入其他材料的硅膠類復合柔性基底可以得到較好的實驗結(jié)果。張雄雄等人[26]將硅膠膠合在聚氯乙烯基體上，將光柵嵌入硅膠基體與聚氯乙烯貼合形成曲率傳感器，實現(xiàn)了材料可以被多次拉伸并恢復到原始形狀后而不發(fā)生變形。

針對傳統(tǒng)傳感器在對人體的呼吸、心臟跳動、血壓等進行準確、無創(chuàng)和長期檢測中無法滿足要求的問題，George T.Kanellos等人[15]設(shè)計了帶有丙烯酸酯涂層的FBG（長度為d）嵌入聚二甲基硅氧烷的壓力傳感器。將大面積的傳感皮膚（如圖2（a）所示）模塊化為多個傳感單元（如圖2（b）所示）。采用多路復用光纖光柵陣列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)外力多點監(jiān)測，并可調(diào)整相鄰光纖之間的間距D以實現(xiàn)不同的空間分辨率。Daniela Lo Presti等人[27]依據(jù)胸壁位移可改變光纖光柵長度的原理設(shè)計出了一種基于FBG的監(jiān)測呼吸和心臟跳動的柔性可穿戴系統(tǒng)。

圖2 傳感模型[15]Fig.2 Sensing model

為了便攜、耐磨地實現(xiàn)精確監(jiān)測人體呼吸和心臟跳動等行為，Chiara Romano等人[28]將FBG柔性傳感器應用于監(jiān)測射箭運動員心率和呼吸頻率中，運用運動捕捉系統(tǒng)對運動員胸壁進行生物力學分析，確定傳感器最佳位置，根據(jù)運動員實際運動時不同階段的反饋數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，評估了系統(tǒng)對監(jiān)測心跳和呼吸頻率的可行性，如圖3（b）所示。

圖3 傳感器實物圖Fig.3 Sensor physical model

在軟體機器人、飛行器以及智能穿戴設(shè)備中實現(xiàn)曲率測量和形狀感知尤為重要，為了解決曲率測量難題，張雄雄等人[26]設(shè)計了一種適用于復雜機構(gòu)的柔性曲率測量傳感器，由封裝了FBG的硅膠基體與聚氯乙烯薄片貼合而形成。通過實驗分析了曲率傳感器反射譜特征及其隨標定塊曲率變化規(guī)律，討論了曲率變化和波長偏移的關(guān)系以及傳感器靈敏度與光纖嵌入硅膠基體深度的關(guān)系。隨著嵌入深度的增加，傳感器靈敏度逐漸增大，且具有較好的重復性；為了實現(xiàn)形狀重構(gòu)，孫廣開等人[29]采用線性插值算法得出FBG中心波長漂移量與被測物體曲率之間的關(guān)系曲線，依據(jù)曲線和插值算法來重構(gòu)物體的變形形狀。

2.2 紡織基底FBG柔性傳感器

除了基于硅橡膠的光纖光柵柔性傳感器，紡織編織類柔性傳感器也是當前研究的熱點，智能穿戴設(shè)備正逐漸被人們所追崇，楊昆團隊[30]設(shè)計了以針織復合組織為基礎(chǔ)，通過采用提花組織和空氣層組織相結(jié)合的針織結(jié)構(gòu)，嵌入光纖光柵形成的織物脈搏傳感器。使用電腦橫機對線密度為30 tex的湖藍色和綠色棉紗進行編織，并確定傳感器放置位置。將指夾式紅外脈搏傳感器與光纖光柵傳感織物進行對比試驗。結(jié)果表明，光纖光柵傳感器織物可以低失真度地檢測脈搏波，其整體光滑柔韌，設(shè)計簡單，穿著舒適性高，且織物對光纖具有保護作用。

因可穿戴智能服飾柔軟輕便的特點，可用于生物醫(yī)學以及人體生命體征監(jiān)測，D.Lo Presti團隊[31]設(shè)計了裝備有12個光纖光柵傳感器（正面和背面各6個）的可穿戴智能服飾，用于呼吸速率的監(jiān)測，通過捕捉光纖光柵的變化數(shù)據(jù)來定位呼吸時胸壁產(chǎn)生的位移。FBGs安裝位置如圖4所示，并在2名健康志愿者身上進行站立和仰臥測試，探究了傳感器位置對輸出峰值振幅的影響以及對呼吸頻率監(jiān)測的精確程度。所測得的呼吸頻率與實際保持很好的一致性，評估了該智能服飾用于呼吸頻率監(jiān)測的可行性。

圖4 智能紡織品上的傳感器配置[31]Fig.4 Sensor configuration on intelligent textile

紡織物加工制造簡單，成本低且易于穿著和整理，光纖光柵體積小，靈敏度高，將兩者創(chuàng)新性地結(jié)合起來，在便攜性和易更換的層面上更優(yōu)于硅橡膠和其他聚合物，同時又保證了傳感器的穩(wěn)定性。在運動科學，人體生命體征監(jiān)測，臨床醫(yī)療等領(lǐng)域，將紡織物和光纖光柵結(jié)合的設(shè)計理念有助于智能服飾、智能醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)制造，更好地服務于人們的生產(chǎn)生活。

2.3 其他聚合物基底FBG柔性傳感器

不同的復合材料各自擁有著不同的性能，通過將各種材料進行組合，可以實現(xiàn)材料之間性能缺陷的互補，擴大光纖光柵傳感器的應用范圍，展現(xiàn)出光纖光柵柔性傳感器更大的發(fā)展?jié)摿?。為了使傳感器能夠適用于惡劣環(huán)境，如高溫、電磁干擾、腐蝕等，Alexandre團隊[17]采用涂層技術(shù)將光纖光柵嵌入到柔性PVC材料中，設(shè)計了一種夾層結(jié)構(gòu)，如圖5所示。柔性PVC材料為中間層，負責與光纖的粘附，保持光纖穩(wěn)定；第1層和第3層材料負責保護光纖，以免受到損壞。測試了該結(jié)構(gòu)和尺寸的穩(wěn)定性和靈活性，對傳感器的機械響應和熱響應進行了表征，可直接應用于比較惡劣的檢測環(huán)境。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)與實物圖[17]Fig.5 Sensor structure model and physical picture

隨著軟體機器人和智能可穿戴設(shè)備的需求日益增加，柔性曲率傳感器在這些領(lǐng)域扮演了越來越重要的角色，曲道明等人[32]提出了一種植入光纖光柵敏感元件的聚酰亞胺薄膜柔性曲率傳感器，如圖6所示。采用聚酰亞胺薄膜封裝FBG，能夠解決將FBG直接埋入硅膠等柔性材料引發(fā)的二者楊氏模量不匹配問題，同時提高了測量靈敏度。

圖6 光纖光柵聚酰亞胺薄膜柔性曲率傳感器[32]Fig.6 Flexible curvature sensor of fiber grating polyimide thin film

3 柔性傳感器的制備工藝

3.1 灌膠與粘合

制備工藝主要采用灌膠和粘合的方式[15,22]。灌膠工藝是將光纖嵌入到準備好的模具中，模具是由模塊化的單元拼裝起來的，主要目的是為了方便光纖的放置和柔性傳感器的制作。在模具的側(cè)邊，采用分合式結(jié)構(gòu)，將模塊分為上下兩個部分，并在模塊上刻制了半圓形凹槽，光纖將置于此處，凹槽的半徑要略大于光纖半徑。其中模具鏤空的部分即為灌膠區(qū)，將硅橡膠按照配比調(diào)制好，倒入其中，靜置一定時間后，直至灌膠區(qū)變成固體，確保光纖在凹槽中不會移動。粘合工藝則更為簡單，只需將柔性材料兩貼合面均勻涂抹膠水，將光纖固定在需要的位置，輕輕按壓柔性材料保證兩面完美粘附無氣泡，后靜置等待膠水凝固，即可完成制備。

3.2 機器編織

紡織材料具有柔軟、低模量、易變形等屬性，用其制成的柔性傳感器具有良好的柔韌性、延展性，而且結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，并可根據(jù)測量條件的需求進行設(shè)計，使檢測過程更加方便，將其與FBG光纖光柵結(jié)合具備著廣泛的應用前景[16]。

Yang Xiufeng等人[33]報道了一種制作簡單、成本低、靈敏度高且可用于心跳和呼吸監(jiān)測的紡織光纖微彎傳感器，整個紡織物柔軟、穿戴舒適。此外，楊昆團隊[34]選擇聚合物光纖作為襯緯紗線，前梳進行經(jīng)斜墊紗運動，后梳進行經(jīng)絨墊紗運動，光纖嵌入形狀選擇半圓與半圓鏡像相切的圖案，使用經(jīng)編小樣機編織了傳感織物。

機器編織的方法雖不適用于工業(yè)中柔性傳感器的制備，但其在智能服飾領(lǐng)域展現(xiàn)了更多的價值。隨著生活品質(zhì)的提升，人們對智能可穿戴設(shè)備需求更高，同時，現(xiàn)代機器編織技術(shù)成熟，可以按照人們的意愿去高效率低成本地設(shè)計各種產(chǎn)品。

3.3 3D打印

3D打印技術(shù)依靠計算機程序控制來實現(xiàn)高精度、高效率的實物制作，打破了傳統(tǒng)的機械工藝加工技術(shù)，實現(xiàn)部件的一體化成型，成本低研發(fā)周期短，大大提高了生產(chǎn)設(shè)計效率，相較于機器編織和灌膠工藝，其制作方式更加簡便與自由。Hao Zhongyang團隊[35]將光纖光柵傳感器和3D打印技術(shù)集成應用，設(shè)計出了一種智能鞋墊，可實現(xiàn)人類步態(tài)姿勢的檢測，如圖7所示。在打印完成一半時暫停，將光纖光柵傳感器放置其中，然后繼續(xù)完成打印，并對該鞋墊進行實際的站立和行走測試。實際的行走測試結(jié)果和預期基本保持一致，驗證了3D打印技術(shù)的可行性。

圖7 3D打印鞋墊（A、B、C、D 4個點對應4個FBG傳感器）[35]Fig.7 3D printed insole (four points A, B, C and D correspond to four FBG sensors)

由于3D打印機可以使用不同的打印材料，Hong Chengyu等人[36]采用材料擠壓制造方法，將FBG利用3D打印技術(shù)嵌入到聚乳酸中，制作了用于測量垂直壓力的傳感器。通過計算機對打印器件建模，原材料從噴嘴中擠壓出來，并層層堆疊，以實現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)模型。Michal G.Zubel等人[37]將聚合物光纖光柵以3D打印的方式嵌入到不同的材料中，形成傳感貼片。傳感貼片外殼使用3D打印機打印，在其中間預留了光纖的嵌入通道。當打印到中軸線覆蓋層沉積之前即嵌入通道最深處時，打印暫停，并在通道底部和光纖上涂敷膠水，將光纖嵌入其中，待膠水固化且光纖固定之后，繼續(xù)打印，完成整個傳感貼片的制備。

4 各類柔性傳感器特性分析

通過分析FBG柔性傳感器各類傳感器在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面的不同，可以得出目前各類傳感器在不同應用場景中的結(jié)構(gòu)及性能等，如表1所示，為之后的研究提供了參考。

表1 不同類別柔性傳感器特性對比Table 1 Characteristics comparison of different types of flexible sensors

可見，研究者們大多關(guān)注其靈敏度和分辨率，并且要求其具有較高的重復性。同時，光纖光柵在柔性基底中不同的排列方式表明FBG對結(jié)構(gòu)的限制很小，可以根據(jù)實際需要進行設(shè)計，極大地增加了FBG的應用范圍。而對于不同類的傳感器，材料的選擇則有所側(cè)重。壓力傳感器大多采用硅膠類材料作為基底，觸滑覺傳感器側(cè)重于更類似于人體皮膚類的材料，曲率傳感器的選擇范圍最大，可以根據(jù)其不同的實驗要求，嘗試各種不同的基底材料。

5 未來研究內(nèi)容

1）人工智能算法融合

光纖柔性傳感器與單個FBG相比，其信號處理算法更復雜。隨著模式識別以及人工智能研究的興起，使用機器學習算法快速準確重建測量軟表面形狀[41]、利用機器學習工具高斯過程回歸方法處理光纖布拉格光柵的溫度測量信號[44]，這為解決光纖柔性傳感器的信號處理難題提供了新思路。利用Adam優(yōu)化算法，訓練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識別超弱FBG傳感信號[45]；將多通道FBG傳感器和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[46]，都將是未來人工智能算法與柔性傳感器融合發(fā)展的新方向。

2）一次成型加工技術(shù)

光纖柔性傳感器的制作包含3個工藝，分別是光纖拉絲、光柵刻蝕和柔性基體結(jié)合。為了克服焊接形成光纖光柵串的不足，如效率低、光柵抗拉強度低等問題，國內(nèi)外極少數(shù)單位已開展在線制作光纖光柵技術(shù)的研究，可以制備光柵中心波長一致性、反射率一致性和光柵譜型一致性均較好的弱光柵陣列。針對交叉敏感問題，需進一步探索雙芯、多芯高密度光柵陣列在線制備方法。

3）進一步擴展研究領(lǐng)域

目前，F(xiàn)BG柔性傳感器的應用場景包含生命體征監(jiān)測和智能穿戴設(shè)備。此外，F(xiàn)BG柔性傳感器還應用于軟體機器人，使其在觸覺傳感[47]、滑移檢測、彎曲度感知[29]等方面表現(xiàn)出更加精確快速的響應性能；在智能交通領(lǐng)域，則應用于車輛密度和速度的監(jiān)測[48]等。光纖光柵柔性傳感器憑借其獨特的性能和優(yōu)勢，未來對于此類柔性傳感器的應用范圍將進一步擴大，正在向多領(lǐng)域多方向發(fā)展，潛力巨大。

6 結(jié)論

本文對近幾年來基于光纖布拉格光柵柔性傳感器的研究成果進行了總結(jié)性介紹，對比分析了柔性傳感器的種類和制作工藝。由于柔性傳感器的研究涉及到材料、光學和信息處理等多學科，目前的研究工作還處于初級階段，離實際應用還存在不小距離，主要表現(xiàn)在光纖光柵成本高、光纖任意彎曲影響大、傳感器制作工藝復雜、光源與解調(diào)模塊微型化難度大等方面。近年來，國內(nèi)外高校和科研院的研究人員對柔性傳感器的研究表現(xiàn)出了濃厚的興趣，尤其在生物醫(yī)學和智能機器人等熱點研究領(lǐng)域的應用前景更為廣闊，因此對基于光纖布拉格光柵柔性傳感器的材料選取、工藝制作和信號處理等方面進行深入研究具有重要意義。