Flexible optical pressure sensor based on bending-loss-induced intensity modulation with inverse-model-based pressure reconstruction in polymer optical fibers embedded in elastomeric substrates

Alonso Romero, Alberto (2026). Flexible optical pressure sensor based on bending-loss-induced intensity modulation with inverse-model-based pressure reconstruction in polymer optical fibers embedded in elastomeric substrates. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Flexible pressure sensors capable of adapting to non-planar surfaces and enabling spatial pressure mapping are of growing interest across diverse engineering domains. However, conventional electronic sensing approaches often face technical constraints such as electromagnetic interference, wiring complexity, calibration drift, and performance degradation under repeated mechanical loading, particularly when implemented across extended or distributed sensing areas. These challenges have motivated the exploration of alternative transduction mechanisms to improve scalability and signal stability.

This thesis presents the design and experimental evaluation of a flexible optical pressure sensing platform based on bending-loss mechanisms in polymer optical fibers, coupled with an inverse-modeling framework for spatial localization and pressure estimation. The developed system consists of flexible elastomeric pads with embedded polymer optical fibers arranged in grid configurations, low-cost optoelectronic acquisition circuits for optical excitation and signal acquisition, and a set of mathematical models that relate measured light intensity variations to applied pressure.

The proposed approach integrates an inverse model based on the Moore–Penrose pseudoinverse to determine the location of applied pressure events, along with point-specific estimation models used to reconstruct two-dimensional pressure maps. The system was developed and assessed through a progressive experimental strategy, starting from fundamental sensing configurations and advancing toward a multipoint grid capable of capturing spatial pressure distributions across the sensing area. Experimental characterization was performed under controlled static loading conditions, allowing the quantitative assessment of localization performance, pressure estimation errors, and reconstruction consistency.

The findings indicate that the proposed system can generate consistent and interpretable spatial responses under mechanical loading using low-cost materials and optoelectronic components. Localization performance showed stable behavior relative to the grid resolution, while pressure estimation accuracy was strongly dependent on correct spatial localization. Quantitative analyses confirmed the direct relationship between localization error and estimation quality, underscoring the role of spatial mapping in the performance of optical pressure-sensing systems. In this context, the integration of physical modeling with calibrated point-based estimators supported pressure map reconstruction without relying on learning-based approaches.

The experimental evaluation also revealed key challenges associated with optical attenuation, electronic noise, and mechanical coupling within the encapsulating substrate, affecting sensitivity and measurement precision, particularly near sensor edges and intermediate locations. Rather than detracting from the overall contribution, these factors help define the operational boundaries of the current prototype and identify critical aspects influencing system behavior.

Overall, this work establishes a laboratory-scale proof of concept and an analytical framework for the development and evaluation of flexible optical pressure-sensing systems. The results confirm the feasibility of integrating low-cost optoelectronic acquisition with inverse-model based reconstruction to achieve distributed pressure sensing, while establishing a structured foundation for future improvements in materials, fabrication consistency, and model scalability.

Titre traduit

Conception, caractérisation et validation expérimentale de preuve de concept d’un capteur de pression optique flexible basé sur la modulation d’intensité induite par les pertes par courbure dans des fibres optiques polymères intégrées dans des substrats élastomériques

Résumé traduit

Les capteurs de pression flexibles capables de s’adapter à des surfaces non planes et de permettre la cartographie spatiale de la pression suscitent un intérêt croissant dans divers domaines de l’ingénierie. Toutefois, les approches de détection électronique conventionnelles présentent souvent des contraintes techniques liées aux interférences électromagnétiques, à la complexité du câblage, à la dérive de calibration et à la dégradation des performances sous des sollicitations mécaniques répétées, en particulier lorsqu’elles sont mises en œuvre sur des surfaces étendues ou dans des systèmes de détection distribuée. Ces défis ont motivé l'exploration de mécanismes de transduction alternatifs favorisant l’évolutivité et la stabilité du signal.

Cette thèse présente la conception et l’évaluation expérimentale d’une plateforme flexible de détection de pression optique basée sur des mécanismes de pertes par courbure dans des fibres optiques polymères, couplée à un cadre de modélisation inverse pour la localisation spatiale et l'estimation de la pression. Le système développé se compose de coussins élastomériques flexibles intégrant des fibres optiques polymères disposées selon des configurations en grille, de circuits d’acquisition optoélectroniques à faible coût pour l’excitation optique et l'acquisition du signal, ainsi que d’un ensemble de modèles mathématiques reliant les variations mesurées de l’intensité lumineuse à la pression appliquée.

L’approche proposée intègre un modèle inverse basé sur la pseudoinverse de Moore–Penrose afin de déterminer la localisation des événements de pression appliquée, ainsi que des modèles d'estimation spécifiques à chaque point permettant de reconstruire des cartes de pression bidimensionnelles. Le système a été développé et évalué selon une stratégie expérimentale progressive, allant de configurations de détection fondamentales vers une grille multipoints capable de représenter des distributions spatiales de pression sur la surface de détection. La caractérisation expérimentale a été réalisée sous des conditions de chargement statique contrôlées, permettant une évaluation quantitative des performances de localisation, des erreurs d’estimation de la pression et de la cohérence de la reconstruction.

Les résultats indiquent que le système proposé est capable de générer des réponses spatiales cohérentes et interprétables sous des sollicitations mécaniques, en utilisant des matériaux et des composants optoélectroniques à faible coût. Les performances de localisation présentent un comportement stable en fonction de la résolution de la grille, tandis que la précision de l'estimation de la pression dépend fortement d’une localisation spatiale correcte. Les analyses quantitatives confirment la relation directe entre l’erreur de localisation et la qualité de l'estimation, soulignant le rôle de la cartographie spatiale dans les performances des systèmes de détection de pression optique. Dans ce contexte, l’intégration d’une modélisation physique avec des estimateurs calibrés par point a permis la reconstruction de cartes de pression sans recourir à des approches basées sur l’apprentissage.

L’évaluation expérimentale a également mis en évidence des défis clés liés à l’atténuation optique, au bruit électronique et au couplage mécanique au sein du substrat encapsulant, qui influencent la sensibilité et la précision des mesures, en particulier à proximité des bords du capteur et dans les zones intermédiaires. Loin de diminuer la contribution de ce travail, ces facteurs permettent de définir les limites opérationnelles du prototype actuel et d’identifier les aspects critiques influençant le comportement du système.

Dans l’ensemble, ce travail établit une preuve de concept à l’échelle du laboratoire ainsi qu’un cadre analytique pour le développement et l’évaluation de systèmes flexibles de détection de pression optique. Les résultats confirment la faisabilité de l’intégration d’une acquisition optoélectronique à faible coût avec une reconstruction basée sur des modèles inverses afin de réaliser une détection de pression distribuée, tout en établissant une base structurée pour de futures améliorations en matière de matériaux, de cohérence de fabrication et de scalabilité des modèles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 107-126).
Mots-clés libres:	capteur de pression optique flexible, fibres optiques polymères, détection par pertes de courbure, optoélectronique à faible coût, modélisation inverse, estimation de la pression, cartographie de la pression
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Ung, Bora
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Lina, Jean-Marc
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 mai 2026 18:50
Dernière modification:	13 mai 2026 18:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3901

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