一种基于3D打印光纤的光纤传感器

本发明属于光纤，特别涉及一种利用3d打印光纤制备的光纤传感器。

背景技术：

1、随着信息化社会的快速发展，海量、多源的信息数据获取和感知对新一代的传感器提出了更高的要求。其中，光纤传感器凭借结构紧凑、重量轻、柔韧性强，在恶劣环境中表现出色，且能够精确测量温度、折射率、应变和曲率等参数的优势，因而应用广泛。

2、尽管光纤传感器具有许多优势，但其在光纤结构和材料方面的灵活性不足，在满足一些应用需求时面临挑战，例如在需要特殊波长、生物兼容性、极端温度条件、机械应变适应性以及复杂环境耐受性的光纤传感应用中。因此，亟需进一步提高光纤传感器在光纤结构和材料方面的灵活性，以实现更高性能的光纤传感器，进而满足这些应用领域的需求。

3、传统的光纤制造技术正努力满足日益增长的光纤传感应用需求，但在光纤设计和制造上都难以实现光纤结构和材料的定制化。相比之下，3d打印技术是一项颠覆性的制造技术，它提供了出色的成本效益和设计制造灵活性，并且开始影响光纤制造。通过3d打印技术，可以精确控制光纤的几何结构和材料组合，制造出具有复杂结构和特定材料组合的光纤。结构上，可以灵活地设计并制造任意几何结构的光纤，例如三角芯光纤、多边形光纤；材料上，通过不同特性材料的组合，可增强光纤的机械和光学性能，同时提高传感器在不同参量测量中的灵敏度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题：本发明的目的是解决传统光纤传感器在光纤结构和材料、制造复杂度及应用范围等方面存在的局限。为此提出了光纤传感器中的光纤结构和材料的定制化，从而提高了传感器的性能和适用性。

2、本发明的技术方案：

3、3d打印光纤的制备：本发明的3d打印光纤通过3d打印技术(亦称增材制造技术)制备，涵盖多种3d打印方法，如熔融沉积建模法、数字光处理法、油墨直写法、选择性激光烧结法和激光粉末沉积法，这些技术允许自动且精确地制造出任意几何结构和材料组成的光纤。

4、3d打印光纤的几何结构：3d打印光纤可具备多样化的几何结构，例如光纤可被设计成单芯光纤、多芯光纤、空芯光纤、悬浮芯光纤、任意形状芯(圆芯、三角芯、矩形芯)光纤、多边形光纤和螺旋光纤等，以满足不同传感功能的需求。

5、3d打印光纤的材料组成：3d打印光纤的材料包括但不限于纯石英、掺杂玻璃、聚合物、复合材料及其他功能性材料。这些材料可以单独使用或以特定比例混合，以提高传感器的灵敏度、机械强度或环境适应性。例如，耐高温材料可用于高温环境传感器，生物兼容材料可用于生物医学传感器。通过将多种材料组合使用，可制造出适应各种环境条件的光纤传感器。

6、多样化的光纤传感技术：在传感技术方面，本发明的光纤传感器可基于多种光纤传感技术，包括但不限于光纤光栅传感技术、光纤干涉仪传感技术和传感增强技术。光纤光栅传感技术的光纤光栅种类包括长周期光纤光栅(lpfg)、布拉格光纤光栅(fbg)等，这些传感器在多种应用领域表现优异，包括温度、应变、压力、折射率等参数的测量。光纤干涉仪传感技术中干涉结构包括迈克尔逊型、马赫-曾德尔型和法布里-珀罗型等。这些干涉结构能够通过干涉效应提供极高的测量精度，适用于需要高灵敏度和高分辨率的应用，例如精密工程测量、生物医学诊断和环境监测等。此外通过在光纤表面涂覆或内嵌特殊材料组分，如纳米材料、相变材料和生物活性材料，可以显著提高传感器的性能，使传感器适用于更广泛的应用场景。

7、制备过程包括：(1)考虑光纤传感器的应用场景，如特殊波长、高生物兼容性和恶劣环境等选择对应的结构及材料；(2)按照选择的结构和材料制备的3d打印光纤；(3)使用3d打印光纤制造出所需的光纤传感器；(4)最后实现传感功能，完成对曲率、温度、折射率和压力等参数的测量。

8、在步骤(2)中先用3d打印制作光纤预制棒，然后再拉制成光纤。

9、本发明的有益效果为：

10、通过以上技术方案，本发明的光纤传感器不仅提供了制造成本的优势，还提升了传感器的设计制造灵活性和应用广泛性，该传感器可根据应用需求调整其性能，可具备良好的生物兼容性、高耐用性和环境适应性等，从而适用于各种不同的环境和应用需求。与现有技术相比，本发明能够更有效地满足复杂环境下的传感需求。

技术特征：

1.一种基于3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：采用3d打印制备的光纤作为传感器的传感部件。

2.根据权利要求1所述基于3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：3d打印光纤的两端连接单模光纤，且单模光纤的模场不同于3d打印光纤的模场大小。

3.根据权利要求1所述基于3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：所述3d打印光纤的制备方法为熔融沉积建模法、数字光处理法和选择性激光烧结法。

4.根据权利要求1所述基于3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：根据需求定制3d打印光纤的几何结构，3d打印光纤的几何结构为单芯光纤、双芯光纤、多芯光纤或偏芯光纤。

5.根据权利要求1所述基于3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：3d打印光纤的制备材料为纯石英、掺杂玻璃、聚合物和复合材料中一种或者多种组合。

6.根据权利要求1所述基于3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：光纤传感器采用光纤光栅传感技术，在3d打印光纤中制作出光栅结构。

7.根据权利要求1所述基于3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：光纤传感器采用光纤干涉传感技术，在3d打印光纤中构造出干涉结构。

8.根据权利要求1所述基于3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：光纤传感器采用传感增强技术，在3d打印光纤表面涂覆或内嵌传感增强材料，传感增强材料为纳米材料、相变材料或生物活性材料。

9.根据权利要求1-8任一项所述3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于制备过程包括：(1)考虑光纤传感器的应用场景，如特殊波长、高生物兼容性和恶劣环境等选择对应的结构及材料；(2)按照选择的结构和材料制备的3d打印光纤；(3)使用3d打印光纤制造出所需的光纤传感器；(4)最后实现传感功能，完成对曲率、温度、折射率和压力等参数的测量。

10.根据权利要求9所述3d打印光纤的光纤传感器，其特征在于：在步骤(2)中先用3d打印制作光纤预制棒，然后再拉制成光纤。

技术总结本发明属于光纤传感技术领域，具体公开了一种基于3D打印光纤的光纤传感器。基于高度灵活的3D打印光纤技术制备结构和材料多元的光纤，设计并制备新一代的光纤传感器。该传感器可根据应用需求调整其性能，可具备良好的生物兼容性、高耐用性和环境适应性等，从而适用于各种不同的环境和应用需求。本发明的光纤传感器能够有效测量温度、折射率、应变和曲率等多种重要物理参数。此外，该传感器的制造成本低廉，制作过程简便，易于小批量生产，具有巨大的应用潜力。技术研发人员：罗艳华,曹扬,文建湘,董艳华,王廷云,牟成博,庞拂飞,陈伟,邹卫文受保护的技术使用者：上海大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4