基于光纤散斑图技术的3D打印低力传感器的设计、开发与特性分析

《Optical Fiber Technology》：Design, development and characterization of a 3D-printed low-force sensor based on fiber specklegram

　　维卡斯|库尔迪普·库马尔|卡马尔·特瓦里|穆克什·贾韦里亚|拉杰什·库马尔|S.S.K.蒂图斯|苏里亚·库马尔·高塔姆
印度新德里110012，CSIR国家物理实验室，K.S.克里希南路，力学与硬度计量科

摘要
本文系统研究了基于散斑图检测技术的3D打印力传感器的设计、开发及特性分析，该传感器可用于0.0–1.0牛顿范围内的静态低力测量。研究中，直径为200微米的多模光纤与3D打印的交叉梁结构相结合，通过有限元分析对结构的承载能力进行验证，并评估其在1牛顿载荷下的变形情况。在将光纤集成到交叉梁结构之前，还进行了可行性研究，以确定多模光纤作为传感元件的适用性。通过互相关算法分析散斑图的变化，从而量化变形量和受力情况。实验结果表明，基于散斑图的力传感器在低力测量中具有高线性度、高灵敏度和良好的重复性。这种设计方案提供了一种紧凑、低成本且与光强无关的静态低力测量解决方案，适用于触觉感知和微观机械测试等领域。

引言
众所周知，力是国际单位制中的导出测量单位，也是扭矩、压力、加速度等多种物理量的基本测量对象。精确的力测量在各种科学和工业应用中至关重要，它有助于准确检测和评估机械参数。随着技术的发展，各个领域对低力传感器的需求日益增加，尤其是在材料表征、生物力学、触觉感知以及精密计量领域。例如，在材料表征中，低力传感器对于测定材料和薄膜的小尺度机械性能，如维氏硬度和杨氏模量，极为重要。在生物力学领域，低力传感器可用于分析皮肤、肌肉和内脏等软生物组织的力学行为。在触觉感知方面，低力传感器可用来测量人机交互过程中的接触力，确定确保机器人操作时能够可靠抓取的力大小。此外，在需要高精度和安全的生物医学应用中，低力传感器在开发微创仪器方面也发挥着重要作用[1]、[2]、[3]、[4]。

然而，设计用于1牛顿及以下静态低力测量的传感器是一项极具挑战性的任务，因为在这种低力水平下，传感器的机械变形非常微小，产生的输出信号很弱，难以准确检测。因此，要设计出适用于1牛顿及以下低力测量的传感器，所采用的变形检测方法必须具备高灵敏度和高分辨率，同时力传感器的弹簧元件也需要精心设计，以满足力测量应用中对灵敏度、精度和可靠性的要求。近年来，人们一直在努力开发新的力测量方法，探索先进的材料和创新的结构设计，旨在打造能够在广泛工程和科学研究领域中测量低力的传感器。多年来，已经出现了多种用于测量低力的传感器设计方法，其中电气技术和光学技术最为常用。在电气力传感器中，由外力作用引起的机械变形会通过合适的电子电路转化为电信号。这种机械能到电能的转换依赖于多种换能机制，如压阻效应、压电效应、电容效应以及电热效应[5]。由于结构简单且成本较低，基于压阻效应的应变计技术被广泛用于低力传感器的开发。尽管电气传感器在力测量中能够提供一定的灵敏度和精度，但其性能仍受到诸多因素的限制。微小力作用引起的机械变形会导致电信号的变化极小，输出电压通常在微伏或毫伏级别，这就需要高分辨率的系统、放大器来放大微弱信号，以及滤波器来消除噪声。这些需求增加了系统的复杂性、能耗和成本。此外，电气传感器还容易受到温度波动和电磁干扰等环境因素的影响，进一步限制了其在各类应用中的普及。

与电气传感器类似，基于光纤技术的光学力传感器也因能够实现小型化、轻量化以及高度集成而备受关注。光纤力传感器具有诸多优点，包括体积小、光损耗低、灵活性高，且能够抵抗电磁干扰和温度波动等环境因素的影响。此外，它们的稳定性和灵敏度使其成为下一代力测量系统的理想选择，同时也能有效弥补电气传感器的缺陷。近年来，人们利用布拉格光栅、法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、微光纤以及萨格纳克干涉仪等多种光学技术，开发出了多种类型的光纤力传感器。不过，每种光学技术都有其优缺点。在这些方法中，基于布拉格光栅和干涉仪的技术被最广泛地应用于各类光纤力传感器的开发。以光纤布拉格光栅为例，已有许多不同的材料和设计被用于开发低力传感器。例如，有一种基于微光纤布拉格光栅的紧凑型传感器被用于导管相关应用，其在0.0–0.65牛顿的动态范围内能够检测到由外力引起的波长变化[6]。另有研究[7]提出了一种基于FBG的三维力传感器，用于测量仿生机器人脚底的受力情况。该传感器采用了多路FBG传感器阵列，并结合波分复用技术以提高空间分辨率并实现多点感知，这是传感器开发中常用的技术。不过，FBG的实现需要专用设备来检测光谱信息，以及专门的设备来刻写光栅。尽管FBG具有抗电磁干扰的优点，但它也存在成本高昂、实验装置复杂以及难以小型化等缺点。另一方面，基于干涉仪技术的光纤力传感器相比FBG，对于某些测量对象来说分析更为简单[8]、[9]、[10]。然而，干涉仪方法的缺点是更容易受到振动的影响，因为它需要独立的参考光束来形成干涉图样。此外，许多先进的光纤力传感器还存在一个共同的问题，那就是它们依赖于昂贵且笨重的光学装置，往往需要复杂的仪器设备和繁琐的实验流程才能完成传感器的制造、检测和测量[11]、[12]、[13]。这一限制使得它们难以在需要低成本低力测量方案的场合得到广泛应用。近年来，图像处理技术的进步极大地推动了基于散斑图检测技术的发展[14]。原本被视为噪声的散斑现象，如今已被认为是传感技术中的重要工具[15]、[16]、[17]。正因如此，基于散斑图检测的技术在众多测量领域都受到了广泛关注[18]、[19]。尤其是利用多模光纤生成散斑图的技术，在开发能够通过散斑图分析来测量位移、振动、压力、弯曲/应变、温度以及力等各种物理参数的光纤散斑图技术方面，引起了极大兴趣。因此，光纤散斑图技术已成为传感器开发领域中一种极具前景的光纤基技术[20]、[21]、[22]。在FST技术中，当相干光穿过多模光纤时，由于光纤内多个导模（波前）之间的相互干涉，输出端会形成随机的散斑场。当用数字相机记录下这个散斑图时，就被称为散斑图。散斑图中的散斑形状和大小取决于入射波前的状态以及多模光纤的核心尺寸。如果光纤的几何结构或折射率因外部扰动而发生变化，光波前也会随之改变，从而导致散斑图出现变化，因为导模也会随之改变。由于多模光纤的散斑图对微小扰动极为敏感，因此可以精确检测光纤长度上的细微变化。此外，与其他基于光纤的传感器相比，基于FST的传感器还具有成本低、便携性好、实现简单等优点，同时还能保持较高的灵敏度和可靠的性能。这些特点使得FST成为广泛应用于各类科学和工程领域的传感器开发技术。FST所需的硬件非常简单：通常只需要一个相干光源（如激光器）以及一台相机，即可捕捉多模光纤输出端的散斑图[23]、[24]、[25]。已有许多研究探讨了将FST技术用于力传感。例如，刘岩等人[26]开发了一种基于串联多模光纤的触觉传感光学探针，该探针在不同力测量范围内表现出不同的灵敏度，测量范围从0到23牛顿。同样，在另一项研究[27]中，研究人员提出了一种基于反射配置的多模光纤光学耦合器的探针式反射式触觉传感器，其力测量范围可达30牛顿。还有研究[28]报道了一种用于操作应用的探针式触觉传感器，该传感器通过对多模光纤末端制造的微结构进行散斑图分析，并利用机器学习算法对不同的散斑图状态进行分类。富士川等人[29]则提出了一种多通道多模光纤触觉传感器，将其夹在聚氯乙烯板和亚克力板之间，可用于人类与系统交互场景中的0到1.5牛顿的法向力测量。他们的系统在0到0.6牛顿的力范围内表现出一定的线性度。不过，在这些研究中，大多数工作都集中在特定的基于光学探针的触觉力传感应用上，缺乏对结构设计和量程分析的考虑。此外，许多现有的基于散斑图技术的传感器依赖于多重光纤连接结构，即需要多次串联多模光纤，这不仅会增加制造成本，还会使制造过程变得十分复杂。而且，这些传感器的检测方法往往涉及复杂的流程和昂贵的设备。在0–1牛顿范围的低力传感领域，基于FST的结构设计及其系统性应用仍存在很大不足，尤其是在通过标准测试方法评估线性度和重复性等关键计量特性方面，同时还需要保证成本效益。解决这一问题不仅能够扩大FST在力测量技术中的应用范围，还能推动其融入精密计量、生物医学诊断以及微观操作等新兴领域。

因此，在本研究中，我们设计并开发了一种基于FST技术的、结构简单且成本较低的交叉梁型低力传感器，该传感器可用于1牛顿范围内的静态力测量。交叉梁结构是通过有限元分析设计的，然后利用3D打印技术制造出来。通过有限元分析，研究了该交叉梁结构在1牛顿轴向载荷作用下的应力和变形情况。在将多模光纤集成到交叉梁结构之前，还进行了可行性研究，以确定多模光纤作为变形传感元件是否适合用于检测1牛顿载荷作用下的交叉梁变形。这一评估有助于确定多模光纤在选定长度范围内的最大变形量，只要在该长度范围内，多模光纤的散斑图能够呈现线性且稳定的变化，就能证明多模光纤作为力传感器元件的有效性。经过验证后，多模光纤就被集成到所设计的交叉梁结构中，用于1牛顿范围内的静态低力测量。整个传感器系统包括用于激发多模光纤的激光耦合系统、用于记录散斑图的CMOS相机，以及3D打印而成的交叉梁结构。此外，为了研究观测距离对力响应的影响，还通过在不同位置放置相机，检测了该交叉梁结构在不同位置的力响应情况。这些测试有助于优化相机与多模光纤输出端之间的距离，从而提高传感器的灵敏度和线性度。在相同的加载条件下重复进行多次试验，以验证系统的测量重复性和可靠性。通过互相关算法分析记录下的散斑图输出，从而量化受力作用下散斑图案的变化情况。互相关作为一种广为认可的统计和数学模型，在检测散斑图案变化方面具有高效性，其优势包括高灵敏度、全场测量能力、非接触式操作、对刚体运动的强鲁棒性、高空间分辨率以及易于实现。最终，本研究将提出一种基于FST的新型力传感器，该传感器展现出系统化的设计开发方法，并在线性度、灵敏度和重复性等计量性能方面表现出优异特性。所提出的传感器成本较低，特别适用于静态低力测量应用，符合测量科学与技术领域中对测量精度和性能评估的高要求。

弹簧元件的设计与开发
在力传感器的性能中，结构设计起着至关重要的作用，尤其是在低力测量应用中。在许多现有传感器中，用于力传感器设计的机械结构往往没有得到足够重视，因此常常出现应力分布不均、灵敏度低、线性度差以及重复性不足等问题。为克服这些限制，本研究选择了交叉梁结构。

可行性研究：以MMF作为位移传感元件
在评估并了解交叉梁结构的虚拟行为后，我们开发了一种利用核心直径为200微米的MMF来检测其位移的技术。这项工作是在将MMF集成到交叉梁结构之前进行的。在先前的研究中，人们已经通过使用核心直径分别为50微米、100微米和200微米的MMF进行了实验，探讨了核心直径对位移灵敏度的影响[31]。基于这些研究结果，我们选择了相应的方案。

力传感器特性测试的实验流程
所开发的力传感器是依据ISO 376:2011标准中的校准流程进行校准的。使用标准校准砝码来产生0.1牛顿至1牛顿范围内的等效力。为了观察MMF输出端相机位置的不同对测量结果的影响，我们在10毫米和20毫米两种不同的相机距离下进行观测。特性测试遵循以下步骤。在记录数据期间，会控制好环境温度和相对湿度。

研究与力测量结果
通过对设计模型的有限元分析得到的仿真结果，对于评估交叉梁弹簧元件的机械行为以及确定基于纤维的力传感器的开发范围具有很高价值。纤维的位移响应，即纤维在发生位移时的光学响应表明，核心直径为200微米的MMF能够以良好的灵敏度、线性度检测力传感器的位移，其相关系数甚至可达一定水平。

总结
在本研究中，我们对采用基于散斑图检测技术的3D打印力传感器的设计、开发及特性测试进行了系统研究，该传感器可用于0–1牛顿范围内的静态低力测量。所提出的方法利用互相关技术对散斑图案进行分析，从而量化受力引起的结构变化，展现出在高不同相机距离下仍具有高灵敏度、线性度以及可重复的测量性能。此外，还建立了系统的……

CRediT作者贡献说明
Vikas：概念构建、研究实施、方法设计、初稿撰写。Kuldeep Kumar：审稿与编辑、资源提供、研究实施、正式分析。Kamal Tewari：审稿与编辑、正式分析。Mukesh Jaweriya：审稿与编辑、项目监督、正式分析。Rajesh Kumar：审稿与编辑、资源提供。S.S.K. Titus：审稿与编辑、项目监督、正式分析。Surya Kumar Gautam：审稿与编辑、项目监督、软件相关工作。

资金支持
印度科学工业研究委员会（CSIR）CSPS 2024计划：研发种子基金（RDSF）。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所述研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢CSIR-NPL物理机械部门负责人以及该机构的主管在整个研究过程中给予的宝贵支持与鼓励。同时，作者也感谢CSIR-国家物理实验室先进材料与器件计量部门的Vijaykumar Toutam博士及其博士生Bhanu Prakash Bisht在3D模型制作方面所提供的帮助。