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
O
背景技術(shù)：
外骨骼機器人是指附著在人體上幫助人們負(fù)重的自動機器。外骨骼機器人的一個重要特點就是其通過安裝在人體上的傳感器捕捉人體運動意圖或行為，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器人研究走在前列的是日本筑波大學(xué)Cybernics研制的HybridAssistive Leg(HAL)和美國加州大學(xué)克利分校機器人和人體工程實驗室研制出美軍“伯克利下肢骨骼”(Berkeley lower extremity exoskeleton,BLEXE)0它們都是使用肌電傳感器作為捕捉人體運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時性，但是在其實驗過程中發(fā)現(xiàn)肌電傳感器的最大缺點1)在激烈運動下，容易脫落、移位；2)長時間運動后，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)的外骨骼機器人對人體關(guān)節(jié)的信號提取還是采用傳統(tǒng)的電機碼盤，機械角度傳感器和力傳感器，比如，中科院合肥智能機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總線的人體下肢運動信息感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電機碼盤、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)角度信息控制機器人外骨骼以實現(xiàn)對人體下肢運動的助力。但是由于力傳感器和電機碼盤安裝在外骨骼上，在實際使用過程中，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
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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 ^ 0. 05，相鄰矩形槽間距S2的范圍為S2 > SQ^d1-Cl2)；第1個矩形槽至第N個矩形槽之間的特制光纖形成光強調(diào)制區(qū)，光強調(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1 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。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例描述本發(fā)明本實施例為應(yīng)用在外骨骼機器人關(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。本實施例中，光纖角度傳感器安裝在人體膝關(guān)節(jié)處。本實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dl 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1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(PD)，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)射的光強與在光接收部件中接收的光強，來確定當(dāng)光通過特制光纖時發(fā)生的光強損失，并基于光強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 = 0. 05，相鄰矩形槽間距S2為 350微米；第1個矩形槽至第100個矩形槽之間的特制光纖形成光強調(diào)制區(qū)，光強調(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變小，而入射光強不發(fā)生變化，根據(jù)光接收部件接收的光強可以計算出膝關(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 > 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 ^ 0. 05，相鄰矩形槽間距S2的范圍為S2 > SQ^d1-Cl2)；第1個矩形槽至第N個矩形槽之間的特制光纖形成光強調(diào)制區(qū)，光強調(diào)制區(qū)的軸向長度不大于5cm。
全文摘要
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，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調(diào)制區(qū)，光強調(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A61B5/103GK102499688SQ20111038519
公開日2012年6月20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)