CN202342034U - 一种用于测量结构角度的光纤角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种测量结构角度的光纤角度传感器，包括特制光纤、光发射部件和光接收部件；在光纤上均匀开有N个垂直矩形槽，在矩形槽内表面上涂有吸光材料；矩形槽的截面形状为圆冠形，矩形槽最大深度h的范围为d2-d1＜h＜d2/2，矩形槽表面粗糙度要求为Ra≤0.05，相邻矩形槽间距s2的范围为s2＞5(h+d1-d2)；第1个矩形槽至第N个矩形槽之间的特制光纤形成光强调制区，光强调制区的轴向长度不大于5cm。当特制光纤随着结构偏转角度时，光线经过光强调制区的矩形槽时有一部分被吸光层吸收，而被吸收的光强大小随结构角度减小而增大，光接收部分接收到的光强随角度变化明显，因此提高了传感器的对结构角度的敏感度。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，具体为一种用于测量结构角度的光纤角度传感器。
背景技术
外骨骼机器人是指附着在人体上帮助人们负重的自动机器。外骨骼机器人的一个重要特点就是其通过安装在人体上的传感器捕捉人体运动意图或行为，并以此作为控制信号驱动控制外骨骼，使其能够与使用者同步行走。目前世界上对外骨骼机器人研究走在前列的是日本筑波大学Cybernics研制的Hybrid Assistive Leg(HAL)和美国加州大学克利分校机器人和人体工程实验室研制出美军“伯克利下肢骨骼”(Berkeleylower extremity exoskeleton，BLEXE)。它们都是使用肌电传感器作为捕捉人体运动意图或行为的手段。虽然，这种肌电传感器方式可以保证信号采集的实时性，但是在其实验过程中发现肌电传感器的最大缺点：1)在激烈运动下，容易脱落、移位；2)长时间运动后，人体出汗会影响传感器测量；3)传感器随着人个体的不同，存在一定的差异；4)传感器每次都要贴到人体表面，使用不方便；(5)信息量大而且复杂，易受干扰，从而使控制难度加大。
目前国内的外骨骼机器人对人体关节的信号提取还是采用传统的电机码盘，机械角度传感器和力传感器，比如，中科院合肥智能机械研究所的孙建和日本鹿尔岛大学的余勇设计了一套基于CAN总线的人体下肢运动信息感知***。该***由电机码盘、安装在腿部的2个二维力传感器和安装在脚底的6个一维力传感器组成，腿部力传感器固定在人腿膝关节和踝关节上部，用于测量人体与外骨骼之间的接触力；电机码盘用于测量髋关节和膝关节的转动角度，通过获取人体下肢和机器人外骨骼之间的接触力，利用这些力信息和关节角度信息控制机器人外骨骼以实现对人体下肢运动的助力。但是由于力传感器和电机码盘安装在外骨骼上，在实际使用过程中，外骨骼服与人体之间会发生错动甚至磕碰，会导致信号测量出现误差；另外采用这种安装的机械传感器无法保证使用者在处理突发事件时(比如突然停止行进)信号采集的实时性。
上述人体关节信号中，角度信号的测量是信号提取技术的关键。将光纤技术应用到时变结构的角度测量中是未来发展的一个方向。目前，已有的带有切口的光纤传感器结构还主要是采用锯齿形连续切口，这种结构主要用于结构的变形曲率测量，其针对微区域结构曲率测量的精度较高，但是由于其调制区的设计方式，其调制区长度一般很小，仅仅在5mm以内，若是调制区长度过长，出射端信号将会非常微弱，无法实现测量目的。因此其用于过渡区较大的结构角度如人体的膝关节角度测量，其测量范围将非常小，无法满足要求。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种测量结构角度的光纤角度传感器。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种测量结构角度的光纤角度传感器，其特征在于：包括特制光纤、固定到特制光纤入射端的光发射部件和固定到特制光纤出射端的光接收部件；光发射部件外径小于特制光纤纤芯直径，光接收部件外径大于特制光纤纤芯直径；在特制光纤上沿特制光纤轴线方向均匀开有N个矩形槽，N＞1，矩形槽垂直于特制光纤轴线，在矩形槽内表面上涂有吸光材料；矩形槽的截面形状为圆冠形，矩形槽最大深度h的范围为d2-d1＜h＜d2/2，其中d1为特制光纤纤芯直径，d2为特制光纤包层的外径，矩形槽表面粗糙度要求为Ra≤0.05，相邻矩形槽间距s2的范围为s2＞5(h+d1-d2)；第1个矩形槽至第N个矩形槽之间的特制光纤形成光强调制区，光强调制区的轴向长度不大于5cm。
有益效果
本发明提出的一种测量结构角度的光纤角度传感器，从光发射部件射出的光线全部入射到特制光纤的入射端面，当特制光纤随着结构一并偏转角度时，光线经过光强调制区的矩形槽时有一部分被吸光层吸收，而被吸收的光强大小随结构角度减小而增大，这样从光接收部分接收到的光强随角度变化明显，因此提高了传感器的对结构角度的敏感度。而且在光强调制区中采用矩形槽，解决了现有三角形切口光纤调制区短的问题。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
其中：1、光发射部件固定装置；2、光发射部件；3、特制光纤纤芯；4、特制光纤包层；5、矩形槽；6、光接收部件固定装置；7、光接收部件。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
本实施例为应用在外骨骼机器人关节部位的光纤角度传感器，用于测量人体关节的角度。本实施例中，光纤角度传感器安装在人体膝关节处。
本实施例中的光纤角度传感器，包括特制光纤、光发射部件2和光接收部件7。特制光纤为导线形状，特制光纤包括特制光纤纤芯3和特制光纤包层4，特制光纤纤芯直径d1为100微米，特制光纤包层外径d2为140微米，特制光纤纤芯由热固性丙烯酸树脂制成，特制光纤包层由氟树脂(PEP)制成且与特制光纤纤芯整体形成。
光发射部件2为发光二极管(LED)，通过光发射部件固定装置1固定在特制光纤入射端，光发射部件2中心线与特制光纤纤芯入射端中心轴线重合，光发射部件外径为80微米，小于特制光纤纤芯直径，确保光发射部件发射出的光线全部被特制光纤入射端面吸收。
光接收部件7为光电二极管(PD)，通过光接收部件固定装置6固定在特制光纤出射端，光接收部件中心线与特制光纤纤芯出射端中心轴线重合，光接收部件外径为130微米，大于特制光纤纤芯直径，确保特制光纤出射端面发出的光线全部被光接收部件接收。
光发射部件向特制光纤的入射端发射光，光在特制光纤中从入射端传递到出射端，并从出射端向光接收部件照射。光纤传感器基于从光发射部件发射的光强与在光接收部件中接收的光强，来确定当光通过特制光纤时发生的光强损失，并基于光强损失的变化计算角度。
在特制光纤上沿特制光纤轴线方向均匀开有100个矩形槽，矩形槽垂直于特制光纤轴线，在每个矩形槽内表面上涂有石墨；矩形槽的截面形状为圆冠形，矩形槽最大深度h为65微米，矩形槽宽度为50微米，矩形槽表面粗糙度为Ra＝0.05，相邻矩形槽间距s2为350微米；第1个矩形槽至第100个矩形槽之间的特制光纤形成光强调制区，光强调制区的轴向长度为4厘米。且这里将光纤角度传感器安装在人体膝关节处时，最好将矩形槽的槽口方向与关节角度旋转面垂直。
当膝关节弯曲时，特制光纤的光强调制区将随之发生同步弯曲，由于特制光纤的性质，光在特制光纤中传播的临界角发生变化，入射到矩形槽的端面的光量也会发生改变，光线在经过特制光纤的光强调制区的矩形槽时被石墨吸收的光量增加，光接收部件接收到光纤出射端的光强变小，而入射光强不发生变化，根据光接收部件接收的光强可以计算出膝关节的弯曲角度。
Claims (1)
1.一种测量结构角度的光纤角度传感器，其特征在于：包括特制光纤、固定到特制光纤入射端的光发射部件和固定到特制光纤出射端的光接收部件；光发射部件外径小于特制光纤纤芯直径，光接收部件外径大于特制光纤纤芯直径；在特制光纤上沿特制光纤轴线方向均匀开有N个矩形槽，N＞1，矩形槽垂直于特制光纤轴线，在矩形槽内表面上涂有吸光材料；矩形槽的截面形状为圆冠形，矩形槽最大深度h的范围为d2-d1＜h＜d2/2，其中d1为特制光纤纤芯直径，d2为特制光纤包层的外径，矩形槽表面粗糙度要求为Ra≤0.05，相邻矩形槽间距s2的范围为s2＞5(h+d1-d2)；第1个矩形槽至第N个矩形槽之间的特制光纤形成光强调制区，光强调制区的轴向长度不大于5cm。
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