[发明专利]一种用于测量结构角度的光纤角度传感器

说明书

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HybridAssistive 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”(Berkeley lower 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系统。该系统由电机码盘、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