[发明专利]一种基于微纳光纤的柔性热导检测装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于微纳光纤的柔性热导检测装置和方法。本发明柔性热导检测装置包括热导传感器、光源和控制器，热导传感器利用柔性导热封装物包覆微纳光纤和柔性加热器进行热传导，且热导传感器又与控制器形成闭合的温度控制反馈回路，利用柔性导热封装物作为微纳光纤的包层，基于微纳光纤中传输光的强倏逝场与包层封装材料的热光效应的耦合，使单个的、柔性的热导传感器在控制器的调控下实现了温度测量和温度调节功能的微型化集成，无需增加其它额外的模块即可实现待测物体导热性能的准确评估，具有显著的轻量化特征，且具有灵敏度高、响应速度快、不受电磁辐射干扰等显著优势，更适合在极端和特殊环境中的应用。

技术领域

本发明涉及微纳光纤传感以及热导检测，属于光纤传感领域。

背景技术

在物联网和5G时代，触觉传感器在机器人、健康医疗、智能制造及基础科学研究中具有广阔应用前景。温觉是触觉的重要组成部分，是人类认知世界、实现材质识别的一个重要依据。目前，具有温度检测功能的柔性触觉传感器主要采用电学原理，其响应时间、分辨率、工作范围和抗电磁干扰性能均难以满足智能机器人对高性能温度传感器的需求。如何将温度信息转变成被测物的热导信息，进而区分物体的材质，是智能机器人发展的迫切需求，亦是研究人员面临的巨大挑战。

传统的热导系数检测方法包括稳态法和瞬态法，其中，稳态法是指当待测样品的温度分布达到稳定后，测定流过样品的热量和温度梯度等来计算样品的导热系数。它是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测量导热系数。稳态法具有原理清晰、模型简单等优点，但其实验条件苛刻、测量时间较长。瞬态法在测量时，通过发出一个热源给样品传递热量，同时测定样品的温度-时间响应。相比之下，瞬态法由于其操作简单、测量时间短、可测量的样本种类多(例如：液体、粉末、凝胶)等特点，在实际中得到广泛应用。然而目前基于瞬态法的热导传感器多采用刚性结构，包括刚性的热源、温度探头和封装材料。且在一些具有强电磁干扰的环境中，基于电学原理的温度探头的准确性也无法得到保证。因而在穿戴式、机器人和智能制造等场景中的应用受到限制。开发全柔性材质、抗电磁干扰的热导传感器在触觉感知领域具有重要的应用价值。

微纳光纤是一种其腰区的直径接近或小于传输光波长的波导，当光在微纳光纤中传输时，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于光纤外部的介质，具有表面光滑、直径均匀性好、机械性能高、强光场约束、强倏逝场及表面场增强效应等特性，在光传感领域具有重要的应用前景。当采用具有高热光系数的低折射率柔性聚合物封装微纳光纤的纤芯时，微纳光纤输出光强随柔性聚合物温度的变化而发生灵敏的变化，因此柔性聚合物封装微纳光纤可以用于温度测量。当柔性聚合物封装微纳光纤与被测物体接触且存在温度差时，通过实时测量微纳光纤输出光信号的变化，不仅能够获得被测物体的温度信息，而且通过分析温度变化曲线，可获得被测物的热导信息。为了模仿人类恒定的体温，将一个柔性加热器与微纳光纤温度传感器集成，使温度传感器在不与被测物接触时保持高于环境温度的恒定温度。当温度传感器与温度为环境温度的被测物接触时，加热膜停止工作，通过测量传感器与被测物接触时的降温曲线，计算被测物的热导。本发明的温度传感器具有高精度、抗电磁干扰、成本低的特点，适合应用于智能机器人的触觉感知，通过获取物体的热导，有助于实现被测物的材质识别。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微纳光纤的柔性热导检测装置。