專利名稱：一種用于測量結(jié)構(gòu)角度的光纖角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于測量結(jié)構(gòu)角度的光纖角度傳感器。
背景技術(shù)：
外骨骼機(jī)器人是指附著在人體上幫助人們負(fù)重的自動機(jī)器。外骨骼機(jī)器人的一個重要特點(diǎn)就是其通過安裝在人體上的傳感器捕捉人體運(yùn)動意圖或行為，并以此作為控制信號驅(qū)動控制外骨骼，使其能夠與使用者同步行走。目前世界上對外骨骼機(jī)器人研究走在前列的是日本筑波大學(xué)Cybernics研制的Hybrid Assistive Leg(HAL)和美國加州大學(xué)克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗室研制出美軍“伯克利下肢骨骼”(Berkeleylower extremity exoskeleton,BLEXE)0它們都是使用肌電傳感器作為捕捉人體運(yùn)動意圖或行為的手段。雖然，這種肌電傳感器方式可以保證信號采集的實(shí)時性，但是在其實(shí)驗過程中發(fā)現(xiàn)肌電傳感器的最大缺點(diǎn)1)在激烈運(yùn)動下，容易脫落、移位；2)長時間運(yùn)動后，人體出汗會影響傳感器測量；3)傳感器隨著人個體的不同，存在一定的差異；4)傳感器每次都要貼到人體表面， 使用不方便；(5)信息量大而且復(fù)雜，易受干擾，從而使控制難度加大。目前國內(nèi)的外骨骼機(jī)器人對人體關(guān)節(jié)的信號提取還是采用傳統(tǒng)的電機(jī)碼盤，機(jī)械角度傳感器和力傳感器，比如，中科院合肥智能機(jī)械研究所的孫建和日本鹿?fàn)枍u大學(xué)的余勇設(shè)計了一套基于CAN總線的人體下肢運(yùn)動信息感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電機(jī)碼盤、安裝在腿部的2個二維力傳感器和安裝在腳底的6個一維力傳感器組成，腿部力傳感器固定在人腿膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上部，用于測量人體與外骨骼之間的接觸力；電機(jī)碼盤用于測量髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，通過獲取人體下肢和機(jī)器人外骨骼之間的接觸力，利用這些力信息和關(guān)節(jié)角度信息控制機(jī)器人外骨骼以實(shí)現(xiàn)對人體下肢運(yùn)動的助力。但是由于力傳感器和電機(jī)碼盤安裝在外骨骼上，在實(shí)際使用過程中，外骨骼服與人體之間會發(fā)生錯動甚至磕碰，會導(dǎo)致信號測量出現(xiàn)誤差；另外采用這種安裝的機(jī)械傳感器無法保證使用者在處理突發(fā)事件時 (比如突然停止行進(jìn))信號采集的實(shí)時性。上述人體關(guān)節(jié)信號中，角度信號的測量是信號提取技術(shù)的關(guān)鍵。將光纖技術(shù)應(yīng)用到時變結(jié)構(gòu)的角度測量中是未來發(fā)展的一個方向。目前，已有的帶有切口的光纖傳感器結(jié)構(gòu)還主要是采用鋸齒形連續(xù)切口，這種結(jié)構(gòu)主要用于結(jié)構(gòu)的變形曲率測量，其針對微區(qū)域結(jié)構(gòu)曲率測量的精度較高，但是由于其調(diào)制區(qū)的設(shè)計方式，其調(diào)制區(qū)長度一般很小，僅僅在 5mm以內(nèi)，若是調(diào)制區(qū)長度過長，出射端信號將會非常微弱，無法實(shí)現(xiàn)測量目的。因此其用于過渡區(qū)較大的結(jié)構(gòu)角度如人體的膝關(guān)節(jié)角度測量，其測量范圍將非常小，無法滿足要求。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種測量結(jié)構(gòu)角度的光纖角度傳感器。[0007]技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案為所述一種測量結(jié)構(gòu)角度的光纖角度傳感器，其特征在于包括特制光纖、固定到特制光纖入射端的光發(fā)射部件和固定到特制光纖出射端的光接收部件；光發(fā)射部件外徑小于特制光纖纖芯直徑，光接收部件外徑大于特制光纖纖芯直徑；在特制光纖上沿特制光纖軸線方向均勻開有N個矩形槽，N > 1，矩形槽垂直于特制光纖軸線，在矩形槽內(nèi)表面上涂有吸光材料；矩形槽的截面形狀為圓冠形，矩形槽最大深度h的范圍為Cl2-Cl1 < h < d2/2，其中Cl1 為特制光纖纖芯直徑，d2為特制光纖包層的外徑，矩形槽表面粗糙度要求為Ra ( O. 05，相鄰矩形槽間距S2的范圍為S2 > SQ^d1-Cl2);第I個矩形槽至第N個矩形槽之間的特制光纖形成光強(qiáng)調(diào)制區(qū)，光強(qiáng)調(diào)制區(qū)的軸向長度不大于5cm。有益效果本發(fā)明提出的一種測量結(jié)構(gòu)角度的光纖角度傳感器，從光發(fā)射部件射出的光線全部入射到特制光纖的入射端面，當(dāng)特制光纖隨著結(jié)構(gòu)一并偏轉(zhuǎn)角度時，光線經(jīng)過光強(qiáng)調(diào)制區(qū)的矩形槽時有一部分被吸光層吸收，而被吸收的光強(qiáng)大小隨結(jié)構(gòu)角度減小而增大，這樣從光接收部分接收到的光強(qiáng)隨角度變化明顯，因此提高了傳感器的對結(jié)構(gòu)角度的敏感度。 而且在光強(qiáng)調(diào)制區(qū)中采用矩形槽，解決了現(xiàn)有三角形切口光纖調(diào)制區(qū)短的問題。

圖I :本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1、光發(fā)射部件固定裝置；2、光發(fā)射部件；3、特制光纖纖芯；4、特制光纖包層；5、矩形槽；6、光接收部件固定裝置；7、光接收部件。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明本實(shí)施例為應(yīng)用在外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)部位的光纖角度傳感器，用于測量人體關(guān)節(jié)的角度。本實(shí)施例中，光纖角度傳感器安裝在人體膝關(guān)節(jié)處。本實(shí)施例中的光纖角度傳感器，包括特制光纖、光發(fā)射部件2和光接收部件7。特制光纖為導(dǎo)線形狀，特制光纖包括特制光纖纖芯3和特制光纖包層4，特制光纖纖芯直徑Cl1 為100微米，特制光纖包層外徑d2為140微米，特制光纖纖芯由熱固性丙烯酸樹脂制成，特制光纖包層由氟樹脂(PEP)制成且與特制光纖纖芯整體形成。光發(fā)射部件2為發(fā)光二極管(LED)，通過光發(fā)射部件固定裝置I固定在特制光纖入射端，光發(fā)射部件2中心線與特制光纖纖芯入射端中心軸線重合，光發(fā)射部件外徑為80微米，小于特制光纖纖芯直徑，確保光發(fā)射部件發(fā)射出的光線全部被特制光纖入射端面吸收。光接收部件7為光電二極管(ro)，通過光接收部件固定裝置6固定在特制光纖出射端，光接收部件中心線與特制光纖纖芯出射端中心軸線重合，光接收部件外徑為130微米，大于特制光纖纖芯直徑，確保特制光纖出射端面發(fā)出的光線全部被光接收部件接收。光發(fā)射部件向特制光纖的入射端發(fā)射光，光在特制光纖中從入射端傳遞到出射端，并從出射端向光接收部件照射。光纖傳感器基于從光發(fā)射部件發(fā)射的光強(qiáng)與在光接收部件中接收的光強(qiáng)，來確定當(dāng)光通過特制光纖時發(fā)生的光強(qiáng)損失，并基于光強(qiáng)損失的變化計算角度。在特制光纖上沿特制光纖軸線方向均勻開有100個矩形槽，矩形槽垂直于特制光纖軸線，在每個矩形槽內(nèi)表面上涂有石墨；矩形槽的截面形狀為圓冠形，矩形槽最大深度h 為65微米，矩形槽寬度為50微米，矩形槽表面粗糙度為Ra = O. 05，相鄰矩形槽間距S2為 350微米；第I個矩形槽至第100個矩形槽之間的特制光纖形成光強(qiáng)調(diào)制區(qū)，光強(qiáng)調(diào)制區(qū)的軸向長度為4厘米。且這里將光纖角度傳感器安裝在人體膝關(guān)節(jié)處時，最好將矩形槽的槽口方向與關(guān)節(jié)角度旋轉(zhuǎn)面垂直。當(dāng)膝關(guān)節(jié)彎曲時，特制光纖的光強(qiáng)調(diào)制區(qū)將隨之發(fā)生同步彎曲，由于特制光纖的性質(zhì)，光在特制光纖中傳播的臨界角發(fā)生變化，入射到矩形槽的端面的光量也會發(fā)生改變， 光線在經(jīng)過特制光纖的光強(qiáng)調(diào)制區(qū)的矩形槽時被石墨吸收的光量增加，光接收部件接收到光纖出射端的光強(qiáng)變小，而入射光強(qiáng)不發(fā)生變化，根據(jù)光接收部件接收的光強(qiáng)可以計算出膝關(guān)節(jié)的彎曲角度。
權(quán)利要求1.一種測量結(jié)構(gòu)角度的光纖角度傳感器，其特征在于包括特制光纖、固定到特制光纖入射端的光發(fā)射部件和固定到特制光纖出射端的光接收部件；光發(fā)射部件外徑小于特制光纖纖芯直徑，光接收部件外徑大于特制光纖纖芯直徑；在特制光纖上沿特制光纖軸線方向均勻開有N個矩形槽，N > I，矩形槽垂直于特制光纖軸線，在矩形槽內(nèi)表面上涂有吸光材料；矩形槽的截面形狀為圓冠形，矩形槽最大深度h的范圍為Cl2-Cl1 < h < d2/2，其中Cl1為特制光纖纖芯直徑，d2為特制光纖包層的外徑，矩形槽表面粗糙度要求為Ra ( O. 05，相鄰矩形槽間距S2的范圍為S2 > SQ^d1-Cl2);第I個矩形槽至第N個矩形槽之間的特制光纖形成光強(qiáng)調(diào)制區(qū)，光強(qiáng)調(diào)制區(qū)的軸向長度不大于5cm。
專利摘要本實(shí)用新型提出了一種測量結(jié)構(gòu)角度的光纖角度傳感器，包括特制光纖、光發(fā)射部件和光接收部件；在光纖上均勻開有N個垂直矩形槽，在矩形槽內(nèi)表面上涂有吸光材料；矩形槽的截面形狀為圓冠形，矩形槽最大深度h的范圍為d2-d1＜h＜d2/2，矩形槽表面粗糙度要求為Ra≤0.05，相鄰矩形槽間距s2的范圍為s2＞5(h+d1-d2)；第1個矩形槽至第N個矩形槽之間的特制光纖形成光強(qiáng)調(diào)制區(qū)，光強(qiáng)調(diào)制區(qū)的軸向長度不大于5cm。當(dāng)特制光纖隨著結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度時，光線經(jīng)過光強(qiáng)調(diào)制區(qū)的矩形槽時有一部分被吸光層吸收，而被吸收的光強(qiáng)大小隨結(jié)構(gòu)角度減小而增大，光接收部分接收到的光強(qiáng)隨角度變化明顯，因此提高了傳感器的對結(jié)構(gòu)角度的敏感度。
文檔編號A61B5/103GK202342034SQ20112048191
公開日2012年7月25日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者張小棟, 張振海, 杜玉環(huán), 賈丙輝 申請人:西北工業(yè)大學(xué)