基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置的製作方法

2023-07-10 00:29:46

專利名稱：基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光纖傳感技術領域的測量裝置，特別涉及一種基於光纖彎曲 損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置。
背景技術：
隨著仿生物機器、智慧機器人、虛擬手等智能機器的發展，對於該類機器的肢體關 節運動的監測是必不可少的，其中彎曲曲率和彎曲方向是非常關鍵的參數，目前的測量方 法有電學法、光學法以及傳統的光纖法，前兩者結構原理複雜，成本高，誤差較大，且需要復 雜的電路、軟體系統支持，實際應用推廣比較困難，而現有的光纖法中比較典型的是光纖光 柵法，如中國專利申請號200510024425. 7、200710043767· 2和200780039102. 2的專利均是 採用該方法，雖比前兩者有很大的進步，但其缺點也不少，如成本仍比較高，需要使用價格 較高的光纖光柵解調設備，特別是需要進行多點測量時成本顯著增加；同時光纖光柵是一 種對溫度和應力均非常敏感的傳感元件，在使用中需增加額外的步驟來消除溫度的影響， 進一步增加了整個系統的成本；另外是光纖光柵比較脆弱，對封裝有較高的要求，既要保 證傳感元件的敏感性，又要保證使用壽命是比較困難的，封裝一般要佔到傳感元件成本的 30%至90%，這又加大了系統的成本，從而限制了該類裝置及方法的使用範圍。

實用新型內容本實用新型的目的在於克服上述現有技術中的不足，提供一種基於光纖彎曲損耗 的彈簧型彎曲參量的測定裝置。本實用新型不僅可以測定待測物體的彎曲曲率，並可以做 到能夠同時測量彎曲的方向。為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案是基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎 曲參量的測定裝置，其特徵在於包括兩端固定於待測物體上的一個由彈簧絲構成的整體 呈螺旋狀的多圈形彈簧型構件，在彈簧絲的上表面和下表面上沿彈簧絲縱向連續布設有多 個變形齒，相鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲的下表面上的第一下變形齒與下彈簧絲上表面上 的第一上變形齒交錯對應，第一下變形齒之間和第一上變形齒之間的齒距是均勻的，所述 第一下變形齒與第一上變形齒之間夾有第一信號光纖，所述第一信號光纖通過傳輸光纖連 接有測試單元，所述測試單元連接有處理單元。上述的基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，所述的構成彈簧型構件 的彈簧絲的上表面與下表面之間設置有彈性材料層。上述的基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，包括在彈簧絲表面上與 第一個信號光纖並排布設的第二信號光纖，以及連續布設在所述彈簧絲的第二組多個上彈 簧絲的下表面上的第二下變形齒和第二組多個下彈簧絲上表面上的第二上變形齒，所述第 二信號光纖夾持在第二下變形齒與第二上變形齒之間，所述第二下變形齒和第二上變形齒 沿著彈簧型構件每360度為一個周期，每個周期的起始點位於彈簧型構件的同一個方向， 並作為零角度，每個周期內的變形齒的間距或齒高是單調變化的，且不同周期的變形齒的間距或齒高是單調變化且變化趨勢是一致的，所述第二個信號光纖通過傳輸光纖與測試單 元相連接。上述的基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特徵在於每個周期 之間沒有交叉，每個周期劃分為相同數量的有限個區域，對應於彈簧型構件同一個方向的 每個周期上的對應區域內的變形齒的間距或齒高是相同的。上述的基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，所述彈簧型構件通過光 開關與測試單元連接。本實用新型與現有技術相比具有以下優點本實用新型提供一種基於光纖彎曲損 耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，不僅可以測定待測物的彎曲曲率，並可以做到能夠同時 測量彎曲的方向，使該彎曲參量測定裝置具有廣闊的使用範圍。本發明所述裝置結構簡單、 設計合理、加工製作方便且使用方式靈活、靈敏度高、使用效果好，抗電磁幹擾、成本低；又 由於本裝置是基於光纖的損耗基礎上測定，而損耗測試是光纖測試中所有幹涉法、頻率法 等其他類測試的基礎，也是最成熟、最穩定、成本最低的技術，使本發明的裝置在成本上具 有相當大的優勢。下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

圖1為本實用新型實施例1的結構示意圖。 圖2為圖1中彈簧型構件的局部剖視結構示意圖,圖3為本實用新型實施例2的結構示意圖。圖4為本實用新型實施例3的結構示意圖。 圖5為本實用新型實施例4的結構示意圖。圖6為本實用新型實施例6的結構示意圖。附圖標記說明1-傳輸光纖；4-彈簧絲 ； 5-測試單元；6-第一信號光纖 ； 7-處理單元； 8-彈性材料層； 9-第二信號光纖 ； 10-待測物體； 11-彈簧絲上表面層； 12-彈簧絲上表面層 ； 20-顯示單元； 25-彈簧型構件； 30-光開關 ； 4-1-第一下變形齒； 4-2-第一上變形齒； 4-3-第二下變形齒；4-4-第二上變形齒； 40-溫度傳感器；
具體實施方式
實施例1如圖1、圖2所示的一種基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，包括兩 端固定於待測物體10上的一個由彈簧絲4構成的整體呈螺旋狀的多圈形彈簧型構件25， 在彈簧絲4的上表面和下表面上沿彈簧絲4縱向連續布設有多個變形齒，相鄰兩圈彈簧絲 4中的上彈簧絲的下表面上的第一下變形齒4-1與下彈簧絲上表面上的第一上變形齒4-2 交錯對應，並在第一下變形齒4-1與第一上變形齒4-2之間夾有第一信號光纖6，彈簧型構 件25的兩端固定於待測物體10上，隨著待測物體10彎曲曲率的變化使彈簧型構件25中有相鄰的兩圈彈簧絲4之間的距離改變，從而使這相鄰的兩圈彈簧絲4中的第一下變形齒 4-1與第一上變形齒4-2之間位置改變，從而使夾在兩者變形齒間的第一信號光纖6的彎曲 曲率改變而導致第一信號光纖6中傳輸的光信號的功率變化，第一信號光纖6通過傳輸光 纖1與測試單元5連接，測試單元5後面接處理單元7。本實施例中，所述彈簧型構件25整體呈螺旋狀並且兩端固定在待測物體10上，並 且待測物體10的彎曲待測區域被包圍在彈簧型構件25中，當待測物體10的彎曲曲率變化 時，彈簧型構件25兩端的位置也改變，同時也就改變了沿彈簧絲4上下表面分布的多個第 一下變形齒4-1和多個第一上變形齒4-2之間的距離，從而就可以改變在第一下變形齒4-1 和第一上變形齒4-2間夾有的第一信號光纖6的彎曲半徑，也即改變第一信號光纖6的彎 曲損耗係數，優選的做法是在初始狀態或彈簧型構件25整體是直線的狀態下，使第一信號 光纖6的彎曲曲率很小，其彎曲損耗值可以忽略，並且所有第一下變形齒4-1和所有第一上 變形齒4-2的齒高、第一下變形齒4-1之間以及第一上變形齒4-2之間的齒距、以及所有第 一下變形齒4-1和所有第一上變形齒4-2的接觸光纖部分的彎曲曲率是相同的，這樣整體 呈現螺旋狀的彈簧型構件25在彎曲時，部分彈簧型構件25的放鬆區域的第一信號光纖6 的損耗不會變化而不用考慮，而彈簧型構件25的壓緊區域才會由於改變第一信號光纖6的 彎曲曲率而出現光信號的衰減，隨著待測物體10的曲率的變化，第一信號光纖6中傳輸的 光信號的損耗也變化，從而在測試單元5上探測出光信號的變化並將信號傳遞到處理單元 7，處理單元7根據事先的標定，不同的衰減損耗對應不同的彎曲曲率，從而就可以得到待 測物體10的彎曲曲率。基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定方法，包括以下步驟步驟一、包含在彈簧型構件25中的第一信號光纖6的光信號損耗變化值與彈簧型 構件25彎曲曲率的比例因子的標定標定的方法將含有第一信號光纖6的彈簧型構件25的長度在初始狀態或直線狀 態下鎖定，鎖定方法是將彈簧型構件25的兩端固定於可彎曲但長度變化忽略不計的杆狀 體上，杆狀體可以是金屬棒、金屬管或高分子材料棒。利用已知彎曲曲率的圓弧和已知均勻溫度場下，將含有第一信號光纖6的彈簧型 構件25依照圓弧彎曲，並記錄在相應彎曲曲率和溫度下第一信號光纖6的損耗變化值，利 用所得到的數據採用插值和線性擬合的方法得到彎曲曲率與信號光纖損耗變化值的比例 因子K，其關係可表示為C1 = K Δ α j+ ε公式一式中=C1表示標定時不同的彎曲曲率值，Δ Ci1是表示不同彎曲曲率下光信號的損 耗變化值，K是得到的比例因子，ε為得到的誤差值；步驟二、第一信號光纖6傳輸的光信號的損耗變化值的採集兩端固定於待測物 體10上的含第一信號光纖6的彈簧型構件25隨著待測物體10的彎曲而彎曲，第一信號光 纖6的損耗值也隨之變化，通過測試單元5獲得信號光纖6的損耗變化值，並將該值傳遞給 處理單元7 ；步驟三、處理單元7利用信號光纖6損耗變化值、公式一給出待測物體10的彎曲曲率。優選的做法是，需要考慮溫度對光信號的影響，即在不同彎曲曲率和一定溫度下光信號的損耗變化值，此時步驟一中的公式一C1 = KA αΙ+ε中的Δ Ci1即表示不同彎曲曲 率和溫度下光信號的損耗變化值，在步驟二中，通過與處理單元7相連接的溫度傳感器40 將溫度參數傳遞至處理單元7。所述第一信號光纖6為外部包有多層保護層的光纖，如緊套光纖、碳塗覆光纖、聚 醯亞胺塗覆光纖等；所述第一信號光纖6也可以是塑料光纖或光子晶體光纖。實施例2如圖3所示，本實施例中，與實施例1不同的是所述的構成彈簧型構件25的彈簧 絲4的上表面與下表面之間設置有彈性材料層8，即所述的彈簧絲4的是由彈簧絲上表面層 11、彈性材料層8和彈簧絲下表面層12的三層材料構成，彈性材料層8可以是高分子材料 體、彈簧，該彈性材料層8在有外力作用時有更大的變形，所以當彈簧型構件25兩端位置變 化時，第一下變形齒4-1與第一上變形齒4-2之間的相對位置會有更大的變化，從而提高測 試的準確性。本實施例中，其餘部分的結構、連接關係和工作原理均與實施例1相同。實施例3如圖4所示，本實施例中，與實施例1不同的是在彈簧型構件25內與第一信號光 纖6並排有第二信號光纖9，以及連續布設在所述彈簧絲4的上下表面的第二組多個第二下 變形齒4-3和第二組多個第二上變形齒4-4，第二信號光纖9夾持在第二下變形齒4-3和 第二上變形齒4-4之間，所述第二下變形齒4-3和第二上變形齒4-4沿著彈簧型構件25每 360度為一個周期，每個周期的起始點位於彈簧型構件25的同一個方向，並作為零角度，每 個周期內的變形齒的間距、齒高或變形齒接觸信號光纖9的頂端部分的彎曲曲率是單調變 化的，且不同周期的變形齒的間距、齒高或變形齒頂端的彎曲曲率是單調變化且趨勢是一 致的，即單調變化要麼都是單調增加或單調減少的，第二信號光纖9的通過傳輸光纖1接測 試單元5，測試單元5後接處理單元7。這樣在第一信號光纖6探測出待測物體10的彎曲 曲率時，處理單元7根據事先的標定，即第二信號光纖9的不同的衰減損耗對應不同的彎曲 方向，則通過第二信號光纖9的損耗值得出待測物體10的彎曲方向。本實施例中基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定方法，與實施例1不同的 是在步驟三完成後進行以下步驟步驟四、包含在彈簧型構件25中的第二信號光纖9的光信號損耗變化值與彈簧型 構件25彎曲曲率和彎曲方向的比例因子的標定標定的方法利用已知彎曲曲率的圓弧和溫度場下，將含有第二信號光纖9的彈 簧型構件25變換不同的角度依照圓弧彎曲，並記錄相應彎曲曲率、溫度參數和相應角度下 第二信號光纖9的損耗變化值，利用所得到的數據採用插值和線性擬合的方法得到彎曲方 向的角度θ與第二信號光纖9損耗變化值及彎曲曲率、溫度參數變化值的比例因子1(0 (C)， 其關係可表示為θ = K0 (C) Δ α θ+ ε θ公式二式中θ表示標定時不同的彎曲方向角度，C表示標定時彎曲曲率，Δ α θ是表示 不同彎曲方向角度和不同彎曲曲率下光信號的損耗變化值，K0 (C)是得到的不同彎曲曲率、 溫度下比例因子，ε e為得到的誤差值；步驟五、第二信號光纖9傳輸的光信號的損耗變化值的採集兩端固定於待測物 體10上的含第二信號光纖9的彈簧型構件25隨著待測物體10的彎曲的而彎曲，第二信號光纖9的損耗值也隨著待測物體10的彎曲曲率和彎曲方向角度的變化而變化，通過測試單 元5獲得第二信號光纖9的損耗變化值，並將該值傳遞給處理單元7 ；步驟六、處理單元7利用第二信號光纖9損耗變化值、第一信號光纖6確定的彎曲 曲率、溫度參數及公式三給出待測物體10的彎曲方向角度。優選的做法是，需要考慮溫度因素，此時在步驟四中，公式二中的K0 (C)應為 K0 (C，T)，T是標定時的溫度，K0 (C，T)是得到的不同彎曲曲率、溫度下比例因子，Δ α 0是 表示不同彎曲方向角度和不同彎曲曲率及溫度下光信號的損耗變化值，在步驟二中，通過 與處理單元7相連接的溫度傳感器將溫度參數傳遞至處理單元。使本實用新型的測試裝置不僅可以確定待測物體10的彎曲曲率，同時確定待測 物體10的彎曲方向。本實施例中，其餘部分的結構、連接關係和工作原理均與實施例1相 同。實施例4如圖5所示，本實施例中，與實施例3不同的是在待測物體10有一個以上的待測 彎曲曲率時，在相應的部位均安置有兩端固定於待測物體10上的含信號光纖6的彈簧型構 件25，且所述彈簧型構件25中的第一信號光纖6串聯在一起，當待測物體10的待測彎曲曲 率變化是分時變化時，通過測試儀器分別得到每個部分信號光纖6的損耗，從而可以分別 測試出每個彎曲的曲率，該測試單元5用光源和光功率計就可以構成。若在每個彎曲部分 有第二信號光纖9及按周期變化的變形齒時，可以確定每個部分彎曲的方向，處理單元7通 過確定每個彈簧型構件25最初和最終的各個部分的彎曲曲率和彎曲方向，可給出該待測 物體10的最終狀態，並通過與處理單元相連接的顯示單元20輸出。本實施例中，其餘部分 的結構、連接關係和工作原理均與實施例3相同。實施例5本實施例中，與實施例4不同的是測試單元5採用光時域反射技術(OTDR)或相 幹頻率調製連續波技術(FMCW)測試儀器分別得到多個時刻、每個部分第一信號光纖6的損 耗，從而可以分別測試出每個部位彎曲的曲率及曲率的變化，若在每個彎曲部分有第二信 號光纖9及按周期變化的變形齒時，可以確定每個部位彎曲的方向及方向的變化。處理單 元7通過確定每個彈簧型構件25最初和最終的各個部分的彎曲曲率和彎曲方向，可給出該 待測物體10的最終狀態，並通過顯示單元20輸出。本實施例中，其餘部分的結構、連接關 系和工作原理均與實施例4相同。實施例6如圖6所示，本實施例中，與實施例4不同的是每個彈簧型構件25通過光開關30 與測試單元5連接，測試單元5通過光開關30的選通功能，分別得到多個時刻、每個部分信 號光纖6的損耗，從而可以分別測試出每個部位彎曲的曲率及曲率的變化，若在每個彎曲 部分有第二信號光纖9及按周期變化的變形齒時，可以確定每個部位彎曲的方向及方向的 變化。處理單元7通過確定每個彈簧型構件25最初和最終的各個部分的彎曲曲率和彎曲 方向，可給出該待測物體10的最終狀態，並通過顯示單元20輸出。本實施例中，其餘部分 的結構、連接關係和工作原理均與實施例4相同。實施例7本實施例與實施例3不同的是每個周期之間沒有交叉，並將每個周期劃分為相同數量的有限個區域，對應於彈簧型構件25同一個方向的每個周期上的對應區域內的變 形齒的間距或齒高是相同的。在我們只需要確定待測物體10大致的彎曲方向時，可根據需 要如只確定4個、6個或8個方向，將每個周期劃分為4、6或8個區域，每個區域內的變形 齒的間距或齒高相同，但每個周期內任意兩個區域的變形齒的齒距或齒高不同，處理單元5 根據第一信號光纖6確定的曲率和第二信號光纖9的損耗變化值，以及事先的標定數據確 定出待測物體10的彎曲方向。 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何限制，凡是根 據本實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變換，均仍 屬於本實用新型技術方案的保護範圍內。
權利要求1.基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特徵在於包括兩端固定於待 測物體(10)上的一個由彈簧絲(4)構成的整體呈螺旋狀的多圈形彈簧型構件(25)，在彈 簧絲的上表面和下表面上沿彈簧絲(4)縱向連續布設有多個變形齒，相鄰兩圈彈簧絲 (4)中的上彈簧絲的下表面上的第一下變形齒與下彈簧絲上表面上的第一上變形齒 (4-2)交錯對應，第一下變形齒之間和第一上變形齒(4- 之間的齒距是均勻的，所 述第一下變形齒(4-1)與第一上變形齒(4- 之間夾有第一信號光纖(6)，所述第一信號光 纖(6)通過傳輸光纖(1)連接有測試單元(5)，所述測試單元( 連接有處理單元(7)。
2.根據權利要求1所述的基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特徵在於所述的構成彈簧型構件0 的彈簧絲的上表面與下表面之間設置有彈性材料層 ⑶。
3.根據權利要求1所述的基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特徵在 於包括在彈簧絲(4)表面上與第一個信號光纖(6)並排布設的第二信號光纖(9)，以及連 續布設在所述彈簧絲(4)的第二組多個上彈簧絲的下表面上的第二下變形齒(4- 和第二 組多個下彈簧絲上表面上的第二上變形齒G-4)，所述第二信號光纖(9)夾持在第二下變 形齒G-3)與第二上變形齒(4-4)之間，所述第二下變形齒(4- 和第二上變形齒(4-4) 沿著彈簧型構件05)每360度為一個周期，每個周期的起始點位於彈簧型構件05)的同 一個方向，並作為零角度，每個周期內的變形齒的間距或齒高是單調變化的，且不同周期的 變形齒的間距或齒高是單調變化且變化趨勢是一致的，所述第二個信號光纖(9)通過傳輸 光纖(1)與測試單元( 相連接。
4.根據權利要求3所述的基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特徵 在於每個周期之間沒有交叉，每個周期劃分為相同數量的有限個區域，對應於彈簧型構件 (25)同一個方向的每個周期上的對應區域內的變形齒的間距或齒高是相同的。
5.根據權利要求2所述的基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特徵在 於所述彈簧型構件通過光開關(30)與測試單元(5)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種基於光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，所述裝置包括一個由彈簧絲構成的彈簧型構件，相鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲的下表面上的第一下變形齒與下彈簧絲上表面上的第一上變形齒交錯對應，第一下變形齒與第一上變形齒之間夾有第一信號光纖，第一信號光纖通過傳輸光纖連接有測試單元，測試單元連接處理單元。本實用新型不僅可以確定待測物體的彎曲曲率，還可以確定待測物體的彎曲方向。
文檔編號G01B11/24GK201903331SQ20102058715
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月4日 優先權日2010年11月4日
發明者杜兵 申請人:西安金和光學科技有限公司