[0001] 本发明涉及光纤传感器制造领域，更具体地说，涉及一种面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置与方法。

[0002] 光纤传感器因其具有尺寸小、灵敏度高、一线多点、多物理量感知、抗干扰能力强、安全性能好等优势，在众多传感测量领域得到了广泛应用。常见光纤传感器如FBG、F‑P、M‑Z干涉型光纤传感器等本身都只对温度、应变敏感，无法感知其他物理量。为了实现对压力、湿度、泄露等其他物理量的测量，需要在光纤表面设计各种各样的弹性体结构。弹性体的外形形状及尺寸严重影响光纤传感器对压力、湿度、泄露等各种物理量的敏感程度、量程及线性度。Li等（Xiaojin L  ,Min Z  ,Dan H  , et al. Advantageous Strain Sensing Performances of FBG Strain Sensors Equipped with Planar UV‑Curable Resin [J]. Sensors, 2023, 23 (5): 2811‑2811.）利用模具法将FBG封装在具有扁平平面的长方体形紫外固化树脂中，经过应变和温度测试后发现具有该弹性体结构的光纤FBG传感器应变测量范围显著扩大、高温灵敏度增强、测量线性性能优越。Ren等（Ren Y  ,Song H  ,Cai Q  , et al. Modeling analysis and experimental study on epoxy packaged FBG sensor for cryogenic temperature measurement [J]. Optical Fiber Technology, 2024, 84 103710‑.）利用模具法制作出具有圆柱形环氧树脂弹性体结构的光纤FBG传感器，经测试其低温灵敏度和线性度表现良好。

[0003] 模具法是光纤传感器弹性体制造最常用的方法之一，但是模具法制模脱模过程都非常困难，脱模过程中极易造成弹性体表面缺陷，并且模具法也无法制造形状复杂的弹性体结构，在多种材料复合制造时相对位置不易精确控制。因此，在光纤传感器制造领域中急需一种能够在圆柱状光纤表面（曲面）上进行按需沉积材料的制造方法和装置。

[0004] 制造光纤表层材料还有一种在线涂覆法，是在光纤制备阶段，在光纤拉丝塔中间增加热涂覆机。当光纤丝从预制棒中牵引出来之后，通过热涂覆机时，在光纤表面附着一层聚合物材料。这种装置使光纤不断通过热涂覆机就会连续不断在光纤表面制作均匀的塑料涂覆层。这种塑料涂覆层主要是用于增强光纤的强度和防水性，一般用于通信光纤，无法用于光纤传感器表面弹性体制备。拉丝连续涂覆制造装置中涂覆机不动，光纤连续通过涂覆机，光纤在涂覆机中完成表层涂覆。由于受装置结构功能限制，这种装置不能实现光纤表层聚合物形状的自由变化，也无法实现反复多次涂覆，因而不能在光纤表面制造复杂形状的弹性体，只能用于涂覆层径向增粗。

[0005] 3D打印技术在增材制造领域中具有创新设计自由度高、材料多样性强、生产快速、跨行业应用等优势，可以实现复杂外形的快速制造，目前在很多领域都得到了应用。但是，传统3D打印技术都是在平面上沉积材料，逐层堆叠形成复杂形状。如何在光纤这种圆柱形曲面表面沉积材料，按需堆叠制造传感器弹性体还未有相应技术方案。传统平面3D打印技术的沉积平面与重力方向垂直，沉积物易于附着在平面上，并不流淌。但是如果将光纤丝像平板一样水平放置，在其表面打印材料，那么沉积的材料就容易沿着圆柱表面向下流淌，无法精确成型。因此传统3D打印技术完全无法直接应用于在细如发丝的光纤丝表面制作弹性体。

[0021] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

[0022] 如图1‑9所示，本发明的面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置，包括光纤固定器1、存料器2、固化器3、三自由度运动平台4和控制装置5；光纤固定器1上卡设有光纤，存料器2套设在光纤上，固化器3设置在存料器2下方且正对光纤，固化器3与存料器2活动连接，存料器2与三自由度运动平台4活动连接，三自由度运动平台4与控制装置5电连接。

[0023] 光纤固定器1包括导轨部件101和移动部件102，导轨部件101竖直的设置在水平工作台上，移动部件102包括两个且分别设置在导轨部件101的上下两端。

[0024] 导轨部件101包括导轨101‑1、底座101‑2和刻度尺101‑3，底座101‑2设置在水平工作台上，导轨101‑1竖直固定的设置在底座101‑2上，刻度尺101‑3设置在导轨101‑1表面。固定光纤的长度由刻度尺101‑3测量。

[0025] 移动部件102包括滑块102‑1、微动装置102‑2和光纤夹具102‑3，滑块102‑1卡设在导轨101‑1上，微动装置102‑2设置在滑块102‑1上部且与滑块102‑1固定连接，光纤夹具102‑3固定设置在滑块102‑1右侧。光纤夹具102‑3位于导轨101‑1的上下两端，用于夹持光纤。微动装置102‑2用于微量调节夹具位置，调整所夹持的光纤长度、张力和光纤在空间中的姿态。

[0026] 存料器2用于盛放3D打印弹性体的原料；存料器2底部设置有导流通孔，导流通孔用于控制打印出来的弹性体空间截面形状，通孔截面轮廓形状为圆形、矩形、多边形或椭圆形的封闭曲线图案。

[0027] 固化器3用于固化通过存料器2通孔的液态3D打印原料，以形成光纤传感器表层弹性体；固化器3为紫外光照射器、加热器或冷却器。

[0028] 三自由度运动平台4和控制装置5用于实时控制光纤与存料器2导流通孔之间的相对位置、打印材料流向和流速，三自由度运动平台4包括X、Y、Z三方向独立运动机构、电机和驱动电路；X、Y、Z三方向独立运动机构能够进行X、Y、Z三方向独立或联合运动。控制装置5包括运动控制器501和操作面板502，三自由度运动平台4运动轨迹通过在操作面板502上输入运动指令信号给运动控制器501，运动指令信号传输至驱动电路驱动电机，由电机带动X、Y、Z三方向独立运动机构完成运动指令。

[0029] 本发明还提供一种面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印方法，利用所述的3D连续打印装置，包括以下步骤：S1、将待打印表面弹性体的光纤沿竖直方向穿过存料器2底部通孔并固定于光纤
固定器1上；光纤的材质为二氧化硅或聚合物。

[0030] S2、在存料器2中存储足够的流体3D打印原料。存料器2的材质根据液态弹性体材料的物理化学属性以及固化方式进行选择；3D打印原料的材质为热塑性聚合物、或热固性聚合物、或聚合物聚合前单体、液态金属或液态混合物浆料的固化流动态材料。

[0031] S3、打开固化器3；S4、利用程序控制三自由度运动平台4让3D打印材料沿光纤表面按照设定程序轨
迹沉积；
S5、通过调整存料器2导流通孔孔型、三自由度运动平台4运动轨迹、原料流出与固
化速度来精确控制光纤传感器表层弹性体的空间三维形状。

[0032] 本发明的优选实施例中，存料器2具有一定深度，用于盛放3D打印弹性体的原料；存料器2底部制造有截面形状各异的导流通孔，用于控制打印出来的弹性体空间截面形状，通孔截面轮廓形状可以是圆形、矩形、多边形、椭圆形以及其他曲线围成的封闭曲线图案。
固化器3可以为紫外光照射器、加热器、冷却器，用于固化通过存料器2通孔的液态3D打印原料，以形成光纤传感器表层弹性体。

[0033] 本发明的优选实施例中，三自由度运动平台4及控制装置5用于实时控制光纤与存料器2导流通孔之间的相对位置以及打印材料流向和流速，包括X、Y、Z三方向独立运动机构、电机及驱动电路、运动控制器501及操作面板502；X、Y、Z三方向独立运动机构能够进行X、Y、Z三方向独立或联合运动，其具体运动轨迹是通过在操作面板502上输入运动指令给运动控制器501，指令信号传输至驱动电路驱动电机，由电机带动三方向运动机构完成运动指令。

[0034] 本发明的优选实施例中，面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置的各个器具的位置关系为：光纤固定器1竖直放置在水平工作台上，待加工光纤被光纤固定器1夹持；存有3D打印原料的存料器2置于光纤固定器1上下两个夹具之间，并将待加工光纤穿过存料器2底部通孔；固化器3位于存料器2下方，二者之间距离可以调整与固定，能够对存料器2底部流出的3D打印原料进行固化；存料器2与三自由度运动平台4相连，能够随三自由度运动平台4在空间内实现X、Y、Z三方向自由运动；三自由度运动平台4与控制装置5相连，可以在程序控制下运动。

[0035] 本发明的优选实施例中，面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置的各个器具的运动方式为：在控制装置5操作面板502上输入运动指令程序后，三自由度运动平台4将带动存料器2在空间做三维运动。存料器2中的3D打印原料通过存料器2底部导流通孔流出并附着在待加工表面，并被位于存料器2底部的固化器3所固化，形成固态弹性体附着在光纤表面。三自由度运动平台4及控制装置5可以利用程序实时控制光纤与存料器2导流通孔之间的相对位置以及打印材料流向和流速，存料器2底部导流通孔的截面形状用于控制打印弹性体的空间截面形状特征，二者功能耦合实现在光纤传感器表层连续3D打印空间三维形状各异的弹性体结构。

[0036] 实施例1通过本发明面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置在光纤表面制造
圆柱体形紫外固化树脂弹性体，包括以下步骤：
S1、将光纤固定器1组装并放置在水平工作台上，将存料器2安装在三自由度运动
平台4上，将固化器3安装在存料器2下方位置并调整二者之间距离，存料器2底部导流通孔截面为圆形、直径为1mm；
S2、将二氧化硅光纤待打印部分清洁后穿过存料器2底部通孔，随后固定在光纤固
定器1上，调整光纤长度和垂直度，调整光纤位于存料器2通孔的中心位置；
S3、将适量紫外固化树脂注入存料器2中；
S4、打开固化器3；在控制装置5的操作面板502上输入三自由度运动平台4运动程
序，实现在X和Y方向保持静止，在Z方向做匀速直线运动；打印长度100mm，打印速度恒定
1000mm/min；
S1、打印完成后，关闭三自由度运动平台4及控制装置5，关闭固化器3，收取打印完成的光纤。

[0037] 如图3所示，为实例1制造的圆柱体形紫外固化树脂弹性体光纤的结构示意图，其中A‑A为轴向截面图，B‑B为径向截面图。图中浅色部分为光纤，深色部分为弹性体，弹性体外形为均匀的圆柱体，光纤位于圆柱体的中心轴线位置。

[0038] 实施例2通过本发明面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置在光纤表面制造
长方体形紫外固化树脂弹性体。与实施例1的差异在于：
存料器2底部导流通孔截面形状为矩形。

[0039] 如图4所示，为实施例2制造的长方体形紫外固化树脂弹性体光纤的结构示意图，其中A‑A为轴向截面图，B‑B为径向截面图。图中浅色部分为光纤，深色部分为弹性体，弹性体外形为均匀的长方体，光纤位于长方体的中心轴线位置。

[0040] 实施例3通过本发明面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置在光纤表面制造
椭圆圆柱体形紫外固化树脂弹性体。与实施例1的差异在于：
存料器2底部导流通孔截面形状为椭圆形。

[0041] 如图5所示，为实施例3制造的椭圆圆柱体形紫外固化树脂弹性体光纤的结构示意图，其中A‑A为轴向截面图，B‑B为径向截面图。图中浅色部分为光纤，深色部分为弹性体，弹性体外形为均匀的长方体，光纤位于椭圆圆柱体的中心轴线位置。

[0042] 实施例4通过本发明面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置在光纤表面制造
圆台形紫外固化树脂弹性体。与实施例1的差异在于：
存料器2在Z方向做匀减速直线运动，打印起始速度1000mm/min，加速度100mm/
min2。

[0043] 如图6所示，为对实施例4制造的均匀圆台形紫外固化树脂弹性体光纤的结构示意图，其中A‑A为轴向截面图，B‑B和C‑C为径向截面图。图中浅色部分为光纤，深色部分为弹性体，弹性体外形为均匀的长方体，光纤位于圆台的中心轴线位置。

[0044] 实施例5通过本发明面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置在光纤表面制造
偏心圆柱体形紫外固化树脂弹性体。与实施例1的差异在于：
光纤位于存料器2底部导流通孔的偏心位置。

[0045] 如图7所示，为实施例5制造的偏心圆柱体形紫外固化树脂弹性体光纤的结构示意图，其中A‑A为轴向截面图，B‑B为径向截面图。图中浅色部分为光纤，深色部分为弹性体，弹性体外形为均匀的圆柱体，光纤位于圆柱体的偏心位置。

[0046] 实施例6通过本发明面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置在光纤表面制造
曲线圆柱体形紫外固化树脂弹性体。与实施例1的差异在于：
存料器2在一定范围内做X或Y方向匀速往返运动。

[0047] 如图8所示，为实施例6制造的曲线圆柱体形紫外固化树脂弹性体光纤的结构示意图，其中A‑A为轴向截面图，B‑B和C‑C为径向截面图。图中浅色部分为光纤，深色部分为弹性体，弹性体外形为均匀的曲线圆柱体，光纤位于曲线圆柱体的中心轴线位置。

[0048] 实施例7通过本发明面向光纤传感器表层弹性体制造的3D连续打印装置在光纤表面制造
圆柱体形环氧树脂弹性体。与实施例1的差异在于：
3D打印原料为环氧树脂，固化器3为环形加热器。

[0049] 如图9为实施例7制造的圆柱体形环氧树脂弹性体光纤的结构示意图，其中A‑A为轴向截面图，B‑B为径向截面图。图中浅色部分为光纤，深色斜线部分为弹性体，弹性体外形为均匀的圆柱体，光纤位于圆柱体的中心轴线位置。

[0050] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。