CN105651197A - 一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器，包括光发生器、光纤、光电感应器、控制器，其特征在于：光发生器与光纤一端连接，光纤的另一端与光电感应器连接，控制器分别与光发生器和光电感应器电连接，所述光纤经绕制编织在一起，形成特定形状的传感器。所述的一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器，利用光的传播特性感知其物理形变，尤其适合应用于智能服装，可以分析出特定关节或肌肉的肢体活动。

Description

一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器。

背景技术

普通的紧身运动服，仅仅能保护皮肤，无法给出肢体变化。健身、运动、舞蹈过程中，某些动作要求训练人员达到一定的标准，比如：健身中，在肌肉绷紧状态维持几秒的时间，以达到增强力量和肌肉体积的目的，通过定量跟踪肢体和肌肉的变化，可以辅助改善运动水平。

一些基于振动或电子加速度计的运动跟踪器，佩戴之后能跟踪每天走了多少步，粗略地给出一天的运动情况。基于电子加速度计的运动跟踪器，在健身活动时只能给出整个身体作为单一质点的运动状态，无法给出肢体关节、肌肉形变的变化程度。当这类跟踪器佩戴于胸前，只能感受到整个身体的轻微振动，对于四肢和肌肉的变化，无法跟踪。如果在身体各个部位部署多个加速度计，也可以跟踪到细部变化，但往往需要用导线连接各个节点，这对导线的要求很高，需要解决导线防水防汗、屏蔽体表电荷的干扰、耐洗耐折；同时由于加速度计跟踪的是单个质点的运动参数，而不是两个质点的相对变化，需要复杂计算才能给出关节角度的变化，此类方法也很难跟踪肌肉膨胀的变化。

使用电阻应变片的传感器，可以利用形变引起应变片的电阻变化，从而跟踪肢体动作。基于电阻应变片的传感器，仍然需要导线连接，对导线要求高，而且受温度和电磁场、体表电荷影响，而且高振动等情况容易导致连接脱落。

基于布拉格光栅的光学应变片，特定激光通过晶体光栅会产生光学衍射，物理形变会改变光栅，可以通过检测衍射变化分析物理形变，从而捕捉肢体动作。基于布拉格光栅的光学应变片，精度很高、也同样不受电磁场影响，但要求使用高精度波长的激光光源，而且对晶体光栅的制作、光路组装、以及检测衍射变化的要求非常高。从而如果要应用到服装等普通用品上，成本非常高，相关配套电子装置也体积较大。

一些基于红外成像的体感技术，通过摄像设备捕捉身体的红外图像，也可以分析肢体动作。基于红外成像的体感技术，需要被测对象在特定的区域，摄像设备体积较大、耗电要求高、光学分析需要大量计算。

发明内容

本发明即是针对现有技术中的不足之处，巧妙利用光在光纤构成的光路中传递时，光纤弯折处会存在不同程度的辐射损耗现象，通过测量光辐射损耗的程度来检测物理形变，提供一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器，包括光发生器、光纤、光电感应器、控制器，其特征在于：光发生器与光纤一端连接，光纤的另一端与光电感应器连接，控制器分别与光发生器和光电感应器电连接，所述光纤经绕制编织在一起，形成特定形状的传感器。

更进一步的，所述的光发生器，不要求选用高精度的激光光源，选用普通LED元件即可。

更进一步的，所述的光电感应器，不需要特殊光学分析器件，选用光电三极管即可。

更进一步的，所述的控制器包括一微处理器，微处理器的一IO脚与光发生器电连接，微处理器产生的电信号经光发生器转换成光信号输入光纤；微处理器的另一IO脚与光电感应器电连接，光电感应器接收光信号，转换成为电信号，流经信号放大器进行放大，经IO脚送至微处理器作进一步数据处理。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述的一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器，利用光的传播特性感知其物理形变，适合应用于智能服装，可以分析出特定关节或肌肉的肢体活动；不需要多个电子加速度计、或者晶体光栅，降低了复杂度；利用广泛生产的低成本光纤，不需要价格昂贵的特殊纤维材料，光纤要求甚至不需要达到通信用途的工业光纤。

本发明装置的制造成本低，光信号发生部分，不要求高精度的激光光源，普通LED元件即可；光信号检测部分，不需要特殊光学分析器件，选用普通光电转换元件即可；整个装置的能耗非常低，非控制计算部分的工作电流低于1毫安，可用于微型电池供电；整个装置电路简洁小巧，适合制作随身携带的智能穿戴、或智能服装。

本发明装置的检测精度，低于精密应变片，但量程较大，更适合满足检测肢体变化的需要，同时也可以通过改进光纤的材质、绕制方法、光路的装配工艺等，提高检测精度。

附图说明

图1是本发明所述的一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器结构框图；

图2是本发明所述的一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器电路原理图；

图3是本发明所根据的光纤弯曲产生辐射损耗的原理图；

图4是本发明输入与输出信号比较图；

图5是本发明光纤发生弯曲时产生的信号变化图；

其中，1为光发生器，2为光纤，3为光电感应器，4为控制器，31为光电转换元件，32为信号放大器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所述的一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器进行描述，目的是为了公众更好的理解本发明所述的技术内容，而不是对所述技术内容的限制，事实上，在本发明的创新精神实质内，对所述结构的改进，包括对相应元器件的增减和替换都在本发明所要求保护的技术方案之内。

如图1或图2所示，一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器，包括光发生器1、光纤2、光电感应器3、控制器4，其中，光发生器1与光纤2一端连接，光纤2的另一端与光电感应器3连接，控制器4分别与光发生器1和光电感应器3电连接，所述光纤2经绕制编织在一起，形成特定形状的传感器。

其中上述的光发生器，不要求选用高精度的激光光源，选用普通LED元件即可。上述的光电感应器，不需要特殊光学分析器件，选用光电转换元件即可。上述的控制器4为一微处理器，微处理器的一IO脚与光发生器1电连接，微处理器产生的电信号经光发生器转换成光信号输入光纤2；微处理器的另一IO脚与光电感应器3电连接，光电转换元件31接收光信号，转换成为电信号，流经信号放大器32进行放大，经IO脚送至微处理器4作进一步数据处理。

如图3所示，光纤弯曲曲率半径减小，宏弯损耗指数增加。

如图4所示，输入信号流经光纤后损耗明显。

如图5所示，光纤发生拉伸弯曲时对输出信号产生明显的影响。

下面对装置工作处理过程进一步详解：

（1）控制器控制光发生器，产生特定频率分组光信号，也就是周期性闪烁的光源，譬如：周期方波驱动LED；

（2）光通过光纤，由光电感应器接收光信号，转换成电信号，并放大输出；

（3）控制器在光源闪亮期间，也就是周期方波的高电平区间，对光电感应器输出的电信号进行模/数转换；

（4）控制器记录并分析采样数值的变化，该数值峰值的包络曲线，可以反映光纤构成传感器的形变情况。

更进一步对组成配件及作相应优化处理的说明：

（1）光纤，选用散射较大的工艺光纤为佳，而非通信用途的工程光纤，可提高在几米这个范围的检测效果；辐射损耗存在于各种光纤，该发明提出的方法不局限于特定光纤材料。

(2)光纤的单个弯折引起的光信号变化较小，可通过同一弯折半径的多次重复，可成倍提高光信号变化。

(3)可以在同一光纤上，利用不同弯折半径、不同弯折方向以及不同重复次数，组合设计多个不同传感器。

(4)光电转换后，可经过放大，使得电平适合模数采样，或者使用更高精度的模数采样。

(5)光纤接口处，最好密封、隔离环境光线。

(6)光源使用持续常亮光也可以，要分组光可降低耗电、以及辅助分析。

(7)信号放大器,该发明提出的方法不局限于特定的放大电路。参考电路使用了电压串联负反馈的差分放大器，好处是放大信号的同时，能抑制温度引起的零点漂移和干扰，其他类型的差分放大、简单三极管放大都是可以的。

(8)关于电路所用元件，光源所用LED元件可以为普通可见光LED灯珠，也可以为红外、紫外、激光等发光元件。光电转换元件可以为光电三极管、光电二极管、光敏电阻等。

Claims (4)

1.一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器，包括光发生器、光纤、光电感应器、控制器，其特征在于：光发生器与光纤一端连接，光纤的另一端与光电感应器连接，控制器分别与光发生器和光电感应器电连接，所述光纤经绕制编织在一起，形成特定形状的传感器。

2.根据权利要求1所述的一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器,其特征在于：所述的光发生器，不要求选用高精度的激光光源，选用普通LED元件即可。

3.根据权利要求1所述的一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器,其特征在于：所述的光电感应器，不需要特殊光学分析器件，选用普通光电转换元件即可。

4.根据权利要求1所述的一种利用光纤辐射损耗检测物理形变的传感器,其特征在于：所述的控制器包括一微处理器，微处理器的一IO脚与光发生器电连接，微处理器产生的电信号经光发生器转换成光信号输入光纤；微处理器的另一IO脚与光电感应器电连接，光电感应器接收光信号，转换成为电信号，流经信号放大器进行放大，经IO脚送至微处理器作模数转换、以及进一步数据处理。