CN109405759A - 光纤传感器、形变检测装置、检测方法及数据手套 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光传感测试技术领域，提供了一种光纤传感器、形变检测装置、检测方法及数据手套。该光纤传感器包括一柔性光纤，柔性光纤的两端分别作为光信号接收端和光信号输出端，在光信号接收端与光信号输出端之间有部分区域的纤芯无包层裹覆；光纤传感器还包括一柔性包裹件，柔性包裹件将柔性光纤包裹并可带动柔性光纤一起形变。本发明通过使柔性光纤的局部区域的纤芯外露，在进行形变检测时将柔性光纤随柔性包裹件固定在目标物上，一旦目标物进行形变，在该局部位置会有更多的倏逝波从光纤中逃逸出来，通过探测输出的光信号的光强来确定目标物的形变幅度。由于光纤传感器基于柔性光纤实现，因此更耐弯折，使用寿命也会更为长久。

Description

光纤传感器、形变检测装置、检测方法及数据手套

技术领域

本发明属于光传感测试技术领域，尤其涉及一种光纤传感器、形变检测装置、检测方法及数据手套。

背景技术

人工智能、医疗器械等领域涉及弯曲、应力等形变的检测，形变的检测有多种技术手段，其中有种检测手段基于光纤传感技术实现。

目前的光纤传感器通常采用石英光纤，例如用石英光纤传感来采集角度信息，但石英光纤存在不耐弯折、使用寿命较短的问题。石英光纤中又以光纤布拉格光栅较为常见，一般通过分析光信号的布拉格波长变化来获取目标形变参数信息，但是后续需通过光谱仪或光纤光栅解调仪等设备进行解调，存在生产成本较高的问题，另外整个检测装置的体积较大，使用场景也受限。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光纤传感器、形变检测装置、检测方法及数据手套，旨在解决目前的形变检测装置中光纤传感器不耐弯折、使用寿命短的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供一种光纤传感器，包括一柔性光纤，所述柔性光纤的两端分别作为光信号接收端和光信号输出端，在所述光信号接收端与光信号输出端之间有部分区域的纤芯无包层裹覆；所述光纤传感器还包括一柔性包裹件，所述柔性包裹件将所述柔性光纤包裹并可带动所述柔性光纤一起形变。

第二方面，本发明实施例还提供一种形变检测装置，包括：光源，用于提供光信号；如上所述的光纤传感器，所述光纤传感器的光信号接收端与所述光源连接，用于通过所述光信号接收端接收来自光源的光信号，并通过所述光信号输出端将所述光信号输出；所述柔性包裹件在检测时固定于目标物上并带动所述柔性光纤随目标物一起形变，所述光信号输出端所输出的光信号的强度随所述柔性光纤的形变幅度的变化而变化；光信号探测单元，与所述光信号输出端连接，用于接收所述光纤传感器输出的光信号，并根据接收到的光信号生成探测数据；所述探测数据携带有所述柔性光纤的形变幅度信息；数据处理单元，与所述光信号探测单元连接，根据生成的探测数据确定目标物的形变幅度。

第三方面，本发明实施例还提供一种形变检测方法，所述形变检测方法应用于形变检测装置，所述形变检测装置包括如上所述的光纤传感器和光信号探测单元；所述光纤传感器通过所述光信号接收端接收来自光源的光信号，并通过所述光信号输出端将所述光信号输出至所述光信号探测单元；所述柔性包裹件在检测时固定于目标物上并带动所述柔性光纤随目标物一起形变；所述方法包括：获取所述光信号探测单元根据接收的光信号而生成的探测数据；所述光信号的强度随所述柔性光纤的形变幅度的变化而变化，所述探测数据携带有所述柔性光纤的形变幅度信息；根据生成的探测数据确定目标物的形变幅度。

第四方面，本发明实施例还提供了一种数据手套，包括手套主体结构及如上所述的形变检测装置；所述形变检测装置的柔性包裹件固定在所述手套主体结构上并带动所述柔性光纤随所述手套主体结构一起形变。

从上述几方面提供的实施例可知，通过使柔性光纤的局部区域的纤芯外露，无包层裹覆，当光信号在光纤传感器中传输时，该局部区域会发生倏逝波逃逸，使得柔性光纤的光信号输出端输出的光信号产生衰减。在进行形变检测时，将柔性光纤随柔性包裹件固定在目标物上，一旦柔性光纤随目标物进行形变，根据光纤倏逝波增强原理，在该局部位置会有更多的倏逝波从光纤中逃逸出来，导致柔性光纤的光信号输出端输出的光信号的光强减弱，通过探测输出的光信号的光强来确定目标物的形变幅度。由于光纤传感器基于柔性光纤实现，因此更耐弯折，使用寿命也会更为长久。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的光纤传感器的结构图；

图2是本发明第一实施例提供的柔性包裹件的结构图；

图3A是本发明第二实施例提供的波浪形的光信号传输部的形状示意图；

图3B是本发明第二实施例提供的螺旋形的光信号传输部的形状示意图；

图3C是本发明第二实施例提供的U形的光信号传输部的形状示意图；

图4是本发明第三实施例提供的形变检测装置的结构原理图；

图5是本发明第四实施例提供的形变检测方法的流程图；

图6是本发明第五实施例提供的数据手套结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1，本发明第一实施例提供的光纤传感器整体上基于柔性光纤11实现，该柔性光纤11的两端分别作为光信号接收端111和光信号输出端112。柔性光纤11的大部分区域都包括纤芯和裹覆在纤芯外围的包层，但是在光信号接收端111与光信号输出端112之间有部分区域113的纤芯无包层裹覆，以便当光信号在光纤传感器中传输时，在该局部区域产生倏逝波逃逸，可使得柔性光纤11的光信号输出端输出的光信号产生衰减。

为使柔性光纤11的形状能够保持稳定，以便传感数据准确、稳定，在柔性光纤11的外部设有柔性包裹件13，柔性包裹件13将柔性光纤11包裹并带动柔性光纤11一起形变。使用时只需将柔性包裹件13固定在目标物上即可感知目标物的形变。

光信号从光信号接收端111输入，从光信号输出端112输出，一旦柔性光纤11随目标物进行形变，根据光纤倏逝波增强原理，在该局部位置会有更多的倏逝波从柔性光纤11中逃逸出来，导致柔性光纤11的光信号输出端112输出的光信号的光强减弱，通过探测输出的光信号的光强来确定目标物的形变幅度。

柔性光纤11具有一定的柔韧性，可承受一定程度的弯曲形变，或拉伸等应力形变。在进行形变检测时，将柔性光纤11随柔性包裹件13固定在目标物上，在柔性光纤11随目标物进行形变时，即可通过探测输出的光信号的光强来确定目标物的形变幅度。由于光纤传感器基于柔性光纤11实现，因此更耐弯折，使用寿命也会更为长久。

其中，柔性光纤11可选用裸塑料光纤，柔性包裹件13可选用硅胶材料。

如图2所示，柔性包裹件13进一步包括柔性底座131和柔性盖体132，柔性底座131上设有凹槽1311，凹槽1311中固设有所述柔性光纤11，柔性盖体132可覆盖在柔性底座131上。柔性盖体132的覆盖方式具体不限，可以是卡扣，也可以黏合，只要能与柔性底座131组合成一个完整的包裹件即可。

例如，当柔性底座131和柔性盖体132均采用硅胶材料时，可先采用硅胶制模得到带有预置凹槽1311的柔性底座131，将柔性光纤11固设在凹槽1311中，然后再在柔性底座131上再覆盖一层硅胶形成柔性盖体132，最后得到类似“三明治”结构的柔性包裹件13。这种结构使得柔性光纤11的形状保持稳定，有利于探测的光信号更准确、稳定，整个光纤传感器的结构非常简单，便于封装。

本发明第二实施例也提供了一种光纤传感器，本第二实施例可与第一实施例相结合，在第一实施例所揭露的光纤传感器的基础上进一步提供了柔性光纤11的具体形状。

本实施例中，柔性光纤11为弯曲形状。请参照图3A、图3B、图3C，柔性光纤11具体可以灵活设计为多种形状，只需将整体弯曲程度控制在接近微弯损耗的临界点即可。例如可以是图3A所示的波浪形，也可以是图3B所示的螺旋形，还可以是图3C所示的U形。不同的光纤具有不同的微弯损耗临界角，当光纤的弯曲角度达到自身对应的微弯损耗临界角时，就会对进一步的弯曲非常敏感，因此可将柔性光纤11的每一个弯曲角的角度控制在该微弯损耗临界角附近，例如，柔性光纤11的微弯损耗临界角为θ，只需将柔性光纤11的每一个弯曲角的角度控制在θ上下一定的范围即可，该范围可根据具体使用情况灵活设置。

柔性光纤11的大部分区域都包括纤芯和包层，纤芯为传输光信号的主要通道，包层的主要作用为通过全反射将光信号限制在纤芯中传输。根据光纤的微弯损耗原理，光束最初以临界传播角在光纤内部传输，当柔性光纤11有弯曲且超过一定的弯曲程度时，传播角会发生变化，其结果就是不再满足全内反射条件，部分光束被折射掉，即泄露出纤芯，从而产生微弯损耗。本实施例中柔性光纤11整体的弯曲程度的设计可使其在接近微弯损耗的临界点工作，这样可以保证一旦柔性光纤11有形变发生，可以使第二柔性光纤11的光信号输出端112所输出的光信号被衰减。

第二实施例中，通过将柔性光纤11上设置为弯曲形状，使柔性光纤11在接近微弯损耗的临界点工作，在进行形变检测时，将柔性光纤11随柔性包裹件13固定在目标物上，即可通过探测输出的光信号的光强来确定目标物的形变幅度。由于弯曲的柔性光纤11原本就在接近微弯损耗的临界点工作，一旦柔性光纤11发生形变，光信号输出端112所输出的光信号马上被衰减，因此，整个柔性光纤11形变时除了在局部区域由于倏逝波逃逸而使得光信号衰减之外，还会再次由于微弯损耗而进行衰减，对目标物形变的感知会非常灵敏。

本发明第三实施例提供了一种形变检测装置，参照图4，该形变检测装置包括顺次连接的光源41、光纤传感器42、光信号探测单元43和数据处理单元44。其中，光源41用于提供光信号，可采用LED灯实现，光纤传感器42采用上述第一实施例或第二实施例提供的光纤传感器。

光纤传感器42的光信号接收端与光源41连接，用于通过光信号接收端11接收来自光源41的光信号，并通过光信号输出端112将所述光信号输出。柔性包裹件13在检测时固定于目标物上并带动柔性光纤11随目标物一起形变，光信号输出端122所输出的光信号的强度柔性光纤11的形变而变化。根据上文描述，柔性光纤11在接近微弯损耗的临界点工作，一旦柔性光纤11随目标物进行形变，原本工作在微弯损耗临界点的柔性光纤11就会产生微弯损耗光衰减以及在局部区域由于倏逝波逃逸造成的衰减，柔性光纤11的光信号输出端122所输出的光信号的强度直接与柔性光纤11的形变幅度相关。

光信号探测单元43与光信号输出端12连接，用于接收光纤传感器42输出的光信号，并根据接收到的光信号生成探测数据。光信号探测单元43主要将接收到的光信号的强度信息转换为电信号，该电信号作为生成的探测数据携带有柔性光纤11的形变幅度信息，也相当于携带有目标物的形变幅度信息。

数据处理单元44与光信号探测单元43连接，根据生成的探测数据确定目标物的形变幅度。

具体地，数据处理单元44根据预置的探测数据与形变幅度的对应关系，确定所述探测数据所对应的目标物的形变幅度，其中，该对应关系可以是预先设置的直接的探测数据与形变幅度的映射关系，例如探测数据A1映射到形变幅度B1，探测数据A2映射到形变幅度B2，可以是映射表的形式存在，数据处理单元44在接收到探测数据时直接查表即可确定出目标物的形变幅度。该对应关系还可以是一换算公式，数据处理单元44在接收到探测数据时根据该换算公式计算得到目标物的形变幅度。

第三实施例中，柔性光纤11在进行形变检测时，将柔性光纤11随柔性包裹件13固定在目标物上，即可通过探测输出的光信号的光强来确定目标物的形变幅度。由于光纤传感器基于柔性光纤11实现，因此更耐弯折，使用寿命也会更为长久，并且除了在局部区域由于倏逝波逃逸造成光信号的衰减之外，柔性光纤11对于具有弯曲形状的柔性光纤11，由于原本就在接近微弯损耗的临界点工作，还会再产生光信号的微弯损耗衰减，因此对目标物形变的感知会更加灵敏。并且整个检测过程抗电磁干扰，无累计误差。当柔性光纤11与柔性包裹件13采用第二实施例所述的“三明治”时，整个光纤传感器的结构非常简单，便于封装。

第四实施例提供了一种形变检测方法，该形变检测方法应用于形变检测装置，所述形变检测装置包括如上文第一实施例或第二实施例所述的光纤传感器和光信号探测单元；所述光纤传感器通过所述光信号接收端接收来自光源的光信号，并通过所述光信号输出端将所述光信号输出至所述光信号探测单元；所述柔性包裹件在检测时固定于目标物上并带动柔性光纤11随目标物一起形变。

参照图5，所述形变检测方法包括下述步骤：

步骤S501，获取所述光信号探测单元根据接收的光信号而生成的探测数据；所述光信号的强度随所述柔性光纤11的形变幅度的变化而变化，所述探测数据携带有所述柔性光纤11的形变幅度信息。

根据第一实施例和第二实施例的描述，除了在局部区域由于倏逝波逃逸造成光信号的衰减之外，当采用弯曲形状时，柔性光纤11在接近微弯损耗的临界点工作，一旦柔性光纤11随目标物进行形变，原本工作在微弯损耗临界点的柔性光纤11就会产生光衰减，柔性光纤11的光信号输出端12所输出的光信号的强度直接与柔性光纤11的形变幅度相关。光信号探测单元主要将接收到的光信号的强度信息转换为电信号，该电信号作为生成的探测数据携带有柔性光纤11的形变幅度信息，也相当于携带有目标物的形变幅度信息。

步骤S502，根据生成的探测数据确定目标物的形变幅度。

具体地，可根据预置的探测数据与形变幅度的对应关系，确定生成的探测数据所对应的目标物的形变幅度，其中，该对应关系可以是预先设置的直接的探测数据与形变幅度的映射关系，例如探测数据A1映射到形变幅度B1，探测数据A2映射到形变幅度B2，可以是映射表的形式存在，数据处理单元44在接收到探测数据时直接查表即可确定出目标物的形变幅度。该对应关系还可以是一换算公式，数据处理单元44在接收到探测数据时根据该换算公式计算得到目标物的形变幅度。

第四实施例中，由于光纤传感器基于柔性光纤11实现，因此更耐弯折，使用寿命也会更为长久，而且对于弯曲的柔性光纤11原本就在接近微弯损耗的临界点工作，光信号会随柔性光纤11的形变发生微弯损耗衰减，还会在局部区域由于倏逝波逃逸造成光信号的衰减，因此对目标物形变的感知会更加灵敏。并且整个检测过程抗电磁干扰，无累计误差。当柔性光纤11与柔性包裹件13采用第二实施例所述的“三明治”时，整个光纤传感器的结构非常简单，便于封装。

图6示出了本发明第五实施例提供的数据手套的结构，参照图6，该数据手套包括手套主体结构601及第三实施例所提供的形变检测装置602。光纤传感器中的柔性包裹件13固定在作为目标物的手套主体结构601上并带动柔性光纤11随目标物一起形变。

柔性包裹件13固定在手套主体结构601上，具体可以将柔性包裹件13缝制在手套主体结构601上，手套主体结构601与佩戴数据手套的操作者的手相配合，且在操作者的手指弯曲或伸直的过程中，柔性光纤11随手套主体结构601一跟着形变，由于接触部位的耦合和微弯损耗，光信号输出端122所输出的光信号会被衰减。

具体地，数据手套作为一种多模式的虚拟现实硬件，通过测量操作者手指各个指节的位置信息作为控制指令，进而有效控制机器人的机械手以及虚拟场景中的虚拟手，为操作者提供有效的人机交互方式。其中，数据手套可测量操作者手指的掌指关节或指间关节等关节的位置信息。手套主体结构601与操作者的手相配合，安装在手套主体结构601的手背侧的关节处的光纤传感器用于采集操作者的关节的弯曲角度信息。可选的，手套主体结构601的材料可为超纤材料，以使手套主体结构601具有良好的柔韧性和耐磨性，并贴合操作者的手指。在实际应用中，手套主体结构601的材料可根据实际需求而选用。

可以理解，数据手套是为了采集操作者的各个手指的关节的弯曲角度信息，因此手套主体结构601为分指手套。柔性包裹件13安装在手套主体结构601上的掌指关节处，因此，手套主体结构601可为露指手套，也可为不露指手套。手套主体结构601的手指数量与操作者的手指数量可相同，也可不相同，在实际应用中，手套主体结构601的手指数量可随着实际需求而确定。

在本实施例中，数据手套主要用来采集操作者的关节的弯曲角度信息，形变检测装置602中的柔性光纤11会随着操作者的掌指关节弯曲，而柔性光纤11的材质柔软、耐弯曲且生产成本低，因此可提高数据手套的使用寿命并降低数据手套的生产成本。并且通过光信号探测单元接收光信号输出端12出射的光信号并生成探测数据，而生成的探测数据与柔性光纤11的弯曲程度相关，柔性光纤11的弯曲程度又与操作者的手指弯曲角度信息相关，因此后续通过数据处理单元即可获取手指的弯曲程度，而不需利用光谱仪或光纤光栅解调仪等设备进行解调，从而极大地降低数据手套的生产成本。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

另外，上述实施例提供的光纤传感器、形变检测装置、形变检测方法不单可以应用于数据手套的手指弯曲度的检测，还可以应用于电子开关/应力检测，医疗器械，人工智能，机器人或涉及角度检测的技术领域，例如防侵入地砖/地毯等，心率/血压监测，机器人运动角度测量，人体运动采集，康复评价，等等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤传感器，其特征在于，包括一柔性光纤，所述柔性光纤的两端分别作为光信号接收端和光信号输出端，在所述光信号接收端与光信号输出端之间有部分区域的纤芯无包层裹覆；所述光纤传感器还包括一柔性包裹件，所述柔性包裹件将所述柔性光纤包裹并可带动所述柔性光纤一起形变。

2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述柔性包裹件包括柔性底座和柔性盖体；所述柔性底座上设有凹槽，所述凹槽中固设有所述柔性光纤，所述柔性盖体覆盖在所述柔性底座上。

3.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述柔性光纤整体呈弯曲状。

4.如权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于，所述柔性光纤整体呈波浪形、螺旋形或U形。

5.如权利要求1至4任一项所述的光纤传感器，其特征在于，所述柔性光纤为裸塑料光纤；所述柔性包裹件为硅胶。

6.一种形变检测装置，其特征在于，包括：

光源，用于提供光信号；

如权利要求1至5任一项所述的光纤传感器，所述光纤传感器的光信号接收端与所述光源连接，用于通过所述光信号接收端接收来自光源的光信号，并通过所述光信号输出端将所述光信号输出；所述柔性包裹件在检测时固定于目标物上并带动所述柔性光纤随目标物一起形变，所述光信号输出端所输出的光信号的强度随所述柔性光纤的形变幅度的变化而变化；

光信号探测单元，与所述光信号输出端连接，用于接收所述光纤传感器输出的光信号，并根据接收到的光信号生成探测数据；所述探测数据携带有所述柔性光纤的形变幅度信息；

数据处理单元，与所述光信号探测单元连接，根据生成的探测数据确定目标物的形变幅度。

7.如权利要求6所述的形变检测装置，其特征在于，所述数据处理单元进一步用于，根据预置的探测数据与形变幅度的对应关系，确定生成的探测数据所对应的目标物的形变幅度。

8.一种形变检测方法，其特征在于，所述形变检测方法应用于形变检测装置，所述形变检测装置包括如权利要求1至5任一项所述的光纤传感器和光信号探测单元；所述光纤传感器通过所述光信号接收端接收来自光源的光信号，并通过所述光信号输出端将所述光信号输出至所述光信号探测单元；所述柔性包裹件在检测时固定于目标物上并带动所述柔性光纤随目标物一起形变；

所述方法包括：

获取所述光信号探测单元根据接收的光信号而生成的探测数据；所述光信号的强度随所述柔性光纤的形变幅度的变化而变化，所述探测数据携带有所述柔性光纤的形变幅度信息；

根据生成的探测数据确定目标物的形变幅度。

9.如权利要求8所述的形变检测方法，其特征在于，所述根据生成的探测数据确定目标物的形变幅度，包括：

根据预置的探测数据与形变幅度的对应关系，确定生成的探测数据所对应的形变幅度。

10.一种数据手套，其特征在于，包括手套主体结构及如权利要求6或7所述的形变检测装置；所述形变检测装置的柔性包裹件固定在所述手套主体结构上并带动所述柔性光纤随所述手套主体结构一起形变。