CN201903331U - 基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，所述装置包括一个由弹簧丝构成的弹簧型构件，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的第一下变形齿与下弹簧丝上表面上的第一上变形齿交错对应，第一下变形齿与第一上变形齿之间夹有第一信号光纤，第一信号光纤通过传输光纤连接有测试单元，测试单元连接处理单元。本实用新型不仅可以确定待测物体的弯曲曲率，还可以确定待测物体的弯曲方向。

Description

基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置

技术领域

本实用新型涉及一种光纤传感技术领域的测量装置，特别涉及一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置。

背景技术

随着仿生物机器、智能机器人、虚拟手等智能机器的发展，对于该类机器的肢体关节运动的监测是必不可少的，其中弯曲曲率和弯曲方向是非常关键的参数，目前的测量方法有电学法、光学法以及传统的光纤法，前两者结构原理复杂，成本高，误差较大，且需要复杂的电路、软件***支持，实际应用推广比较困难，而现有的光纤法中比较典型的是光纤光栅法，如中国专利申请号200510024425.7、200710043767.2和200780039102.2的专利均是采用该方法，虽比前两者有很大的进步，但其缺点也不少，如成本仍比较高，需要使用价格较高的光纤光栅解调设备，特别是需要进行多点测量时成本显著增加；同时光纤光栅是一种对温度和应力均非常敏感的传感元件，在使用中需增加额外的步骤来消除温度的影响，进一步增加了整个***的成本；另外是光纤光栅比较脆弱，对封装有较高的要求，既要保证传感元件的敏感性，又要保证使用寿命是比较困难的，封装一般要占到传感元件成本的30％至90％，这又加大了***的成本，从而限制了该类装置及方法的使用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置。本实用新型不仅可以测定待测物体的弯曲曲率，并可以做到能够同时测量弯曲的方向。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：包括两端固定于待测物体上的一个由弹簧丝构成的整体呈螺旋状的多圈形弹簧型构件，在弹簧丝的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向连续布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的第一下变形齿与下弹簧丝上表面上的第一上变形齿交错对应，第一下变形齿之间和第一上变形齿之间的齿距是均匀的，所述第一下变形齿与第一上变形齿之间夹有第一信号光纤，所述第一信号光纤通过传输光纤连接有测试单元，所述测试单元连接有处理单元。

上述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，所述的构成弹簧型构件的弹簧丝的上表面与下表面之间设置有弹性材料层。

上述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，包括在弹簧丝表面上与第一个信号光纤并排布设的第二信号光纤，以及连续布设在所述弹簧丝的第二组多个上弹簧丝的下表面上的第二下变形齿和第二组多个下弹簧丝上表面上的第二上变形齿，所述第二信号光纤夹持在第二下变形齿与第二上变形齿之间，所述第二下变形齿和第二上变形齿沿着弹簧型构件每360度为一个周期，每个周期的起始点位于弹簧型构件的同一个方向，并作为零角度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化且变化趋势是一致的，所述第二个信号光纤通过传输光纤与测试单元相连接。

上述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：每个周期之间没有交叉，每个周期划分为相同数量的有限个区域，对应于弹簧型构件同一个方向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高是相同的。

上述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，所述弹簧型构件通过光开关与测试单元连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：本实用新型提供一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，不仅可以测定待测物的弯曲曲率，并可以做到能够同时测量弯曲的方向，使该弯曲参量测定装置具有广阔的使用范围。本发明所述装置结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，抗电磁干扰、成本低；又由于本装置是基于光纤的损耗基础上测定，而损耗测试是光纤测试中所有干涉法、频率法等其他类测试的基础，也是最成熟、最稳定、成本最低的技术，使本发明的装置在成本上具有相当大的优势。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为图1中弹簧型构件的局部剖视结构示意图。

图3为本实用新型实施例2的结构示意图。

图4为本实用新型实施例3的结构示意图。

图5为本实用新型实施例4的结构示意图。

图6为本实用新型实施例6的结构示意图。

附图标记说明：

1-传输光纤；          4-弹簧丝；            5-测试单元；

6-第一信号光纤；      7-处理单元；          8-弹性材料层；

9-第二信号光纤；      10-待测物体；         11-弹簧丝上表面层；

12-弹簧丝下表面层；   20-显示单元；         25-弹簧型构件；

30-光开关；           4-1-第一下变形齿；    4-2-第一上变形齿；

4-3-第二下变形齿；    4-4-第二上变形齿；    40-温度传感器。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示的一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，包括两端固定于待测物体10上的一个由弹簧丝4构成的整体呈螺旋状的多圈形弹簧型构件25，在弹簧丝4的上表面和下表面上沿弹簧丝4纵向连续布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝4中的上弹簧丝的下表面上的第一下变形齿4-1与下弹簧丝上表面上的第一上变形齿4-2交错对应，并在第一下变形齿4-1与第一上变形齿4-2之间夹有第一信号光纤6，弹簧型构件25的两端固定于待测物体10上，随着待测物体10弯曲曲率的变化使弹簧型构件25中有相邻的两圈弹簧丝4之间的距离改变，从而使这相邻的两圈弹簧丝4中的第一下变形齿4-1与第一上变形齿4-2之间位置改变，从而使夹在两者变形齿间的第一信号光纤6的弯曲曲率改变而导致第一信号光纤6中传输的光信号的功率变化，第一信号光纤6通过传输光纤1与测试单元5连接，测试单元5后面接处理单元7。

本实施例中，所述弹簧型构件25整体呈螺旋状并且两端固定在待测物体10上，并且待测物体10的弯曲待测区域被包围在弹簧型构件25中，当待测物体10的弯曲曲率变化时，弹簧型构件25两端的位置也改变，同时也就改变了沿弹簧丝4上下表面分布的多个第一下变形齿4-1和多个第一上变形齿4-2之间的距离，从而就可以改变在第一下变形齿4-1和第一上变形齿4-2间夹有的第一信号光纤6的弯曲半径，也即改变第一信号光纤6的弯曲损耗系数，优选的做法是在初始状态或弹簧型构件25整体是直线的状态下，使第一信号光纤6的弯曲曲率很小，其弯曲损耗值可以忽略，并且所有第一下变形齿4-1和所有第一上变形齿4-2的齿高、第一下变形齿4-1之间以及第一上变形齿4-2之间的齿距、以及所有第一下变形齿4-1和所有第一上变形齿4-2的接触光纤部分的弯曲曲率是相同的，这样整体呈现螺旋状的弹簧型构件25在弯曲时，部分弹簧型构件25的放松区域的第一信号光纤6的损耗不会变化而不用考虑，而弹簧型构件25的压紧区域才会由于改变第一信号光纤6的弯曲曲率而出现光信号的衰减，随着待测物体10的曲率的变化，第一信号光纤6中传输的光信号的损耗也变化，从而在测试单元5上探测出光信号的变化并将信号传递到处理单元7，处理单元7根据事先的标定，不同的衰减损耗对应不同的弯曲曲率，从而就可以得到待测物体10的弯曲曲率。

基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定方法，包括以下步骤：

步骤一、包含在弹簧型构件25中的第一信号光纤6的光信号损耗变化值与弹簧型构件25弯曲曲率的比例因子的标定：

标定的方法：将含有第一信号光纤6的弹簧型构件25的长度在初始状态或直线状态下锁定，锁定方法是将弹簧型构件25的两端固定于可弯曲但长度变化忽略不计的杆状体上，杆状体可以是金属棒、金属管或高分子材料棒。

利用已知弯曲曲率的圆弧和已知均匀温度场下，将含有第一信号光纤6的弹簧型构件25依照圆弧弯曲，并记录在相应弯曲曲率和温度下第一信号光纤6的损耗变化值，利用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯曲曲率与信号光纤损耗变化值的比例因子K，其关系可表示为：

C_I＝KΔα_I+ε                                  公式一

式中：C_I表示标定时不同的弯曲曲率值，Δα_I是表示不同弯曲曲率下光信号的损耗变化值，K是得到的比例因子，ε为得到的误差值；

步骤二、第一信号光纤6传输的光信号的损耗变化值的采集：两端固定于待测物体10上的含第一信号光纤6的弹簧型构件25随着待测物体10的弯曲而弯曲，第一信号光纤6的损耗值也随之变化，通过测试单元5获得信号光纤6的损耗变化值，并将该值传递给处理单元7；

步骤三、处理单元7利用信号光纤6损耗变化值、公式一给出待测物体10的弯曲曲率。

优选的做法是，需要考虑温度对光信号的影响，即在不同弯曲曲率和一定温度下光信号的损耗变化值，此时步骤一中的公式一C_I＝KΔα_I+ε中的Δα_I即表示不同弯曲曲率和温度下光信号的损耗变化值，在步骤二中，通过与处理单元7相连接的温度传感器40将温度参数传递至处理单元7。

所述第一信号光纤6为外部包有多层保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述第一信号光纤6也可以是塑料光纤或光子晶体光纤。

实施例2

如图3所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述的构成弹簧型构件25的弹簧丝4的上表面与下表面之间设置有弹性材料层8，即所述的弹簧丝4的是由弹簧丝上表面层11、弹性材料层8和弹簧丝下表面层12的三层材料构成，弹性材料层8可以是高分子材料体、弹簧，该弹性材料层8在有外力作用时有更大的变形，所以当弹簧型构件25两端位置变化时，第一下变形齿4-1与第一上变形齿4-2之间的相对位置会有更大的变化，从而提高测试的准确性。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是：在弹簧型构件25内与第一信号光纤6并排有第二信号光纤9，以及连续布设在所述弹簧丝4的上下表面的第二组多个第二下变形齿4-3和第二组多个第二上变形齿4-4，第二信号光纤9夹持在第二下变形齿4-3和第二上变形齿4-4之间，所述第二下变形齿4-3和第二上变形齿4-4沿着弹簧型构件25每360度为一个周期，每个周期的起始点位于弹簧型构件25的同一个方向，并作为零角度，每个周期内的变形齿的间距、齿高或变形齿接触信号光纤9的顶端部分的弯曲曲率是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距、齿高或变形齿顶端的弯曲曲率是单调变化且趋势是一致的，即单调变化要么都是单调增加或单调减少的，第二信号光纤9的通过传输光纤1接测试单元5，测试单元5后接处理单元7。这样在第一信号光纤6探测出待测物体10的弯曲曲率时，处理单元7根据事先的标定，即第二信号光纤9的不同的衰减损耗对应不同的弯曲方向，则通过第二信号光纤9的损耗值得出待测物体10的弯曲方向。

本实施例中基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定方法，与实施例1不同的是：在步骤三完成后进行以下步骤：

步骤四、包含在弹簧型构件25中的第二信号光纤9的光信号损耗变化值与弹簧型构件25弯曲曲率和弯曲方向的比例因子的标定：

标定的方法：利用已知弯曲曲率的圆弧和温度场下，将含有第二信号光纤9的弹簧型构件25变换不同的角度依照圆弧弯曲，并记录相应弯曲曲率、温度参数和相应角度下第二信号光纤9的损耗变化值，利用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯曲方向的角度θ与第二信号光纤9损耗变化值及弯曲曲率、温度参数变化值的比例因子K_θ(C)，其关系可表示为：

θ＝K_θ(C)Δα_θ+ε_θ                            公式二

式中：θ表示标定时不同的弯曲方向角度，C表示标定时弯曲曲率，Δα_θ是表示不同弯曲方向角度和不同弯曲曲率下光信号的损耗变化值，K_θ(C)是得到的不同弯曲曲率、温度下比例因子，ε_θ为得到的误差值；

步骤五、第二信号光纤9传输的光信号的损耗变化值的采集：两端固定于待测物体10上的含第二信号光纤9的弹簧型构件25随着待测物体10的弯曲的而弯曲，第二信号光纤9的损耗值也随着待测物体10的弯曲曲率和弯曲方向角度的变化而变化，通过测试单元5获得第二信号光纤9的损耗变化值，并将该值传递给处理单元7；

步骤六、处理单元7利用第二信号光纤9损耗变化值、第一信号光纤6确定的弯曲曲率、温度参数及公式三给出待测物体10的弯曲方向角度。

优选的做法是，需要考虑温度因素，此时在步骤四中，公式二中的K_θ(C)应为K_θ(C，T)，T是标定时的温度，K_θ(C，T)是得到的不同弯曲曲率、温度下比例因子，Δα_θ是表示不同弯曲方向角度和不同弯曲曲率及温度下光信号的损耗变化值，在步骤二中，通过与处理单元7相连接的温度传感器将温度参数传递至处理单元。

使本实用新型的测试装置不仅可以确定待测物体10的弯曲曲率，同时确定待测物体10的弯曲方向。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例4

如图5所示，本实施例中，与实施例3不同的是：在待测物体10有一个以上的待测弯曲曲率时，在相应的部位均安置有两端固定于待测物体10上的含信号光纤6的弹簧型构件25，且所述弹簧型构件25中的第一信号光纤6串联在一起，当待测物体10的待测弯曲曲率变化是分时变化时，通过测试仪器分别得到每个部分信号光纤6的损耗，从而可以分别测试出每个弯曲的曲率，该测试单元5用光源和光功率计就可以构成。若在每个弯曲部分有第二信号光纤9及按周期变化的变形齿时，可以确定每个部分弯曲的方向，处理单元7通过确定每个弹簧型构件25最初和最终的各个部分的弯曲曲率和弯曲方向，可给出该待测物体10的最终状态，并通过与处理单元相连接的显示单元20输出。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例3相同。

实施例5

本实施例中，与实施例4不同的是：测试单元5采用光时域反射技术(OTDR)或相干频率调制连续波技术(FMCW)测试仪器分别得到多个时刻、每个部分第一信号光纤6的损耗，从而可以分别测试出每个部位弯曲的曲率及曲率的变化，若在每个弯曲部分有第二信号光纤9及按周期变化的变形齿时，可以确定每个部位弯曲的方向及方向的变化。处理单元7通过确定每个弹簧型构件25最初和最终的各个部分的弯曲曲率和弯曲方向，可给出该待测物体10的最终状态，并通过显示单元20输出。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例4相同。

实施例6

如图6所示，本实施例中，与实施例4不同的是：每个弹簧型构件25通过光开关30与测试单元5连接，测试单元5通过光开关30的选通功能，分别得到多个时刻、每个部分信号光纤6的损耗，从而可以分别测试出每个部位弯曲的曲率及曲率的变化，若在每个弯曲部分有第二信号光纤9及按周期变化的变形齿时，可以确定每个部位弯曲的方向及方向的变化。处理单元7通过确定每个弹簧型构件25最初和最终的各个部分的弯曲曲率和弯曲方向，可给出该待测物体10的最终状态，并通过显示单元20输出。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例4相同。

实施例7

本实施例与实施例3不同的是：每个周期之间没有交叉，并将每个周期划分为相同数量的有限个区域，对应于弹簧型构件25同一个方向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高是相同的。在我们只需要确定待测物体10大致的弯曲方向时，可根据需要如只确定4个、6个或8个方向，将每个周期划分为4、6或8个区域，每个区域内的变形齿的间距或齿高相同，但每个周期内任意两个区域的变形齿的齿距或齿高不同，处理单元5根据第一信号光纤6确定的曲率和第二信号光纤9的损耗变化值，以及事先的标定数据确定出待测物体10的弯曲方向。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：包括两端固定于待测物体(10)上的一个由弹簧丝(4)构成的整体呈螺旋状的多圈形弹簧型构件(25)，在弹簧丝(4)的上表面和下表面上沿弹簧丝(4)纵向连续布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝(4)中的上弹簧丝的下表面上的第一下变形齿(4-1)与下弹簧丝上表面上的第一上变形齿(4-2)交错对应，第一下变形齿(4-1)之间和第一上变形齿(4-2)之间的齿距是均匀的，所述第一下变形齿(4-1)与第一上变形齿(4-2)之间夹有第一信号光纤(6)，所述第一信号光纤(6)通过传输光纤(1)连接有测试单元(5)，所述测试单元(5)连接有处理单元(7)。

2.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：所述的构成弹簧型构件(25)的弹簧丝(4)的上表面与下表面之间设置有弹性材料层(8)。

3.根据权利要求1所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：包括在弹簧丝(4)表面上与第一个信号光纤(6)并排布设的第二信号光纤(9)，以及连续布设在所述弹簧丝(4)的第二组多个上弹簧丝的下表面上的第二下变形齿(4-3)和第二组多个下弹簧丝上表面上的第二上变形齿(4-4)，所述第二信号光纤(9)夹持在第二下变形齿(4-3)与第二上变形齿(4-4)之间，所述第二下变形齿(4-3)和第二上变形齿(4-4)沿着弹簧型构件(25)每360度为一个周期，每个周期的起始点位于弹簧型构件(25)的同一个方向，并作为零角度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化且变化趋势是一致的，所述第二个信号光纤(9)通过传输光纤(1)与测试单元(5)相连接。

4.根据权利要求3所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：每个周期之间没有交叉，每个周期划分为相同数量的有限个区域，对应于弹簧型构件(25)同一个方向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高是相同的。

5.根据权利要求2所述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：所述弹簧型构件通过光开关(30)与测试单元(5)连接。

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