CN109655008A - 一种光纤弯曲传感器及包括该光纤弯曲传感器的智能手套 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光纤弯曲传感器及包括该光纤弯曲传感器的智能手套，光纤弯曲传感器包括光电模块、第一多芯光纤、单芯光纤和第二多芯光纤，光电模块包括光发射端和光接收端，光发射端与第一多芯光纤的一端连接，第一多芯光纤的另一端弯曲后与单芯光纤的一端连接，单芯光纤的另一端通过第二多芯光纤与光接收端连接；部分第一多芯光纤和单芯光纤封装在保护层中，且第一多芯光纤和单芯光纤在保护层内呈U型结构，其中，单芯光纤包括纤芯和包层，单芯光纤一侧的部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除。通过上述方式，本发明实施例通过检测光强度的变化能够实现弯曲程度的检测和弯曲方向的识别，具有较高的精度和灵敏度，且结构简单，成本低。

Description

一种光纤弯曲传感器及包括该光纤弯曲传感器的智能手套

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术领域，特别是涉及一种光纤弯曲传感器及包括该光纤弯曲传感器的智能手套。

背景技术

光纤弯曲传感器是一种用于测量物体弯曲的器件，通过光纤弯曲导致的光相位和振幅变化，光纤弯曲传感器通常分为两种:一种是基于光谱频移，另一种是基于光强变化。

基于光谱频移的光纤弯曲传感器是通过检测波长的移动来检测弯曲程度，具有较高的精度和灵敏度，可以实现高精度的检测，如，目前市场上应用较多的基于光纤布拉格光栅制成的光纤传感器，但是这种传感器往往都需要利用光谱仪等设备进行解调，结构复杂并且造价昂贵。

基于光强变化的光纤弯曲传感器则是通过检测光强度的损耗来检测弯曲程度，解调信号是光强，解调电路简单并且成本低；但是基于光强变化的光纤弯曲传感器的精度和灵敏度较低，而且无法识别弯曲方向。

发明内容

本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种光纤弯曲传感器及包括该光纤弯曲传感器的智能手套，通过检测光强度的变化能够实现弯曲程度的检测和弯曲方向的识别，具有较高的精度和灵敏度，且结构简单，成本低。

为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤弯曲传感器，包括光电模块、第一多芯光纤、单芯光纤和第二多芯光纤，所述光电模块包括光发射端和光接收端，所述光发射端与所述第一多芯光纤的一端连接，所述第一多芯光纤的另一端弯曲后与所述单芯光纤的一端连接，所述单芯光纤的另一端通过所述第二多芯光纤与所述光接收端连接；

部分所述第一多芯光纤和所述单芯光纤封装在保护层中，且所述第一多芯光纤和所述单芯光纤在所述保护层内呈U型结构，其中，所述单芯光纤包括纤芯和包层，所述单芯光纤一侧的部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除。

可选地，所述单芯光纤的一侧经过打磨、物理切割、激光加工或化学腐蚀处理，处理后部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除。

在一实施例中，所述第一多芯光纤、所述单芯光纤以及所述第二多芯光纤均为塑料光纤。

可选地，所述第二多芯光纤是与所述第一多芯光纤相同的光纤。

可选地，所述保护层内设有转环块，所述第一多芯光纤的弯曲部分和所述单芯光纤的一端固定在所述转环块内，所述转环块用于使所述第一多芯光纤和所述单芯光纤同轴相连。

可选地，所述保护层内还设有连接块，所述第二多芯光纤的一端和所述单芯光纤的另一端固定在所述连接块内，所述连接块用于使所述第二多芯光纤和所述单芯光纤同轴相连。

在一实施例中，所述光电模块包括光源和光电探测器，所述光源和所述光电探测器集成为一体，所述光发射端包括所述光源，所述光接收端包括所述光电探测器。

可选地，所述光源为LED。

可选地，所述光电模块还包括第二连接块，所述第二连接块用于使所述第一多芯光纤和所述第二多芯光纤分别与所述光发射端和所述光接收端同轴相连。

本发明实施例还提供一种智能手套，包括手套本体和如上所述的光纤弯曲传感器，

其中，所述手套本体包括掌部套体以及与所述掌部套体连通的手指套体，所述光纤弯曲传感器设置于所述手指套体内与手指关节对应的位置。

区别于现有技术的情况，本发明实施例光纤弯曲传感器包括光电模块、第一多芯光纤、单芯光纤和第二多芯光纤，光电模块包括光发射端和光接收端，光发射端与第一多芯光纤的一端连接，第一多芯光纤的另一端弯曲后与单芯光纤的一端连接，单芯光纤的另一端通过第二多芯光纤与光接收端连接；部分第一多芯光纤和单芯光纤封装在保护层中，且第一多芯光纤和单芯光纤在保护层内呈U型结构，单芯光纤一侧的部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除；通过上述方式，本实施例提供的光纤弯曲传感器具有如下有益效果：

(1)采用第一多芯光纤和第二多芯光纤进行导光传输，采用单芯光纤进行弯曲检测，不仅方便与光电模块连接，还可将第一多芯光纤和单芯光纤在保护层内设置成U型结构，使得光发射端和光接收端处于同一端，使用起来更加方便；

(2)单芯光纤一侧的部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除，传感器分别向两侧弯曲时，弯曲角度越大，光强增加或损耗的幅度也越大，不仅具有较高的精度和灵敏度，在实现弯曲检测的同时还能够识别弯曲方向；

(3)解调信号是光强，结构简单、成本低。

附图说明

图1是本发明实施例的光纤弯曲传感器的结构示意图；

图2是现有技术中单芯光纤的结构示意图；

图3是本发明实施例的单芯光纤的结构示意图；

图4是本发明另一实施例的单芯光纤的结构示意图；

图5是本发明实施例的光纤弯曲传感器的立体示意图；

图6是本发明实施例的光电模块的输出数据图一；

图7是本发明实施例的光电模块的输出数据图二；

图8是本发明实施例的智能手套的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的光纤弯曲传感器的结构示意图，光纤弯曲传感器包括光电模块、第一多芯光纤11、单芯光纤12和第二多芯光纤21，光电模块包括光发射端31和光接收端32，光发射端31与第一多芯光纤11的一端连接，第一多芯光纤11的另一端弯曲后与单芯光纤12的一端连接，单芯光纤12的另一端通过第二多芯光纤21与光接收端32连接。

部分第一多芯光纤11和单芯光纤12封装在保护层13中，且第一多芯光纤11和单芯光纤12在保护层13内呈U型结构，其中，如图2所示，单芯光纤12包括纤芯122和包层121，单芯光纤12一侧的部分包层121被去除，或者部分包层121及部分纤芯122被去除，使得单芯光纤12的一侧存在连续间隙(如图3所示)或者不连续间隙(如图4所示)。

光发射端31即为可以发射光的一端，光接收端32即为可以接收光的一端。光发射端31发出的光，依次经过第一多芯光纤11、单芯光纤12和第二多芯光纤21后进入到光接收端32。由于光纤结构上的差异性，多芯光纤对弯曲不敏感，弯曲后损失的光强较小，而单芯光纤12弯曲后损失的光强较大，因此，为避免单芯光纤12弯曲后因光损耗过大而检测不到光强信号，本实施例中采用第一多芯光纤11和第二多芯光纤21进行导光传输，采用单芯光纤12进行弯曲检测，不仅方便与光电模块连接，还可将第一多芯光纤11和单芯光纤12在保护层13内设置成U型结构，使得光发射端31和光接收端32处于同一端，使用起来更加方便。

进一步地，单芯光纤12一侧的部分包层121被去除，或者部分包层121及部分纤芯122被去除后，不仅能够提高弯曲检测的精度和灵敏度，还能够识别弯曲方向。

具体地，在光纤弯曲传感器处于平直状态时，因单芯光纤12一侧的结构不完整，其内部光透射到空气中发生损耗，导致进入到光接收端32的光强减小；在光纤弯曲传感器向光纤结构不完整的一侧弯曲时(即弯曲外弧为光纤结构完整的一侧)，随着弯曲角度的增大，其内部光透射到空气中的损耗减小，导致进入到光接收端32的光强增大；在光纤弯曲传感器向结构完整的一侧弯曲时(即弯曲外弧为光纤结构不完整的一侧)，随着弯曲角度的增大，其内部光透射到空气中的损耗增大，导致进入到光接收端32的光强进一步减小。因此，通过光接收端32接收到的光强信号，便可实现弯曲程度的检测和弯曲方向的识别，具有较高的精度和灵敏度。

本实施例中，单芯光纤12的一侧经过打磨处理，打磨一侧的部分包层121被去除，或者部分包层121及部分纤芯122被去除，工艺简单。在其他实施例中，单芯光纤12的一侧也可以通过物理切割、激光加工或化学腐蚀处理的方式，使其一侧的部分包层121被去除，或者部分包层121及部分纤芯122被去除。

例如，在通过物理切割或激光切割处理时，可在单芯光纤12的一侧连续切割，以去除部分包层121，或者去除部分包层121及部分纤芯122；在通过打磨或激光打孔处理时，可在单芯光纤12的一侧多处打磨或多处打孔，以去除部分包层121，或者去除部分包层121及部分纤芯122，打磨后或打孔后形成的凹槽的宽度和/或深度可以一样，也可以不一样，本实施例对此不予限定。

作为优选地方案，第一多芯光纤11、单芯光纤12以及第二多芯光纤21均为塑料光纤。塑料光纤(POF)是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤，与玻璃光纤相比，具有易加工、易弯曲，不易折断等优点。

其中，第二多芯光纤21可以是与第一多芯光纤11相同的光纤，也可以是不同于第一多芯光纤11的光纤，第一多芯光纤11和单芯光纤12的外径，以及单芯光纤12和第二多芯光纤21的外径可以一样，也可以不一样。作为优选地方案，第二多芯光纤21选择与第一多芯光纤11相同的光纤。

在上述实施例中，保护层13内设有转环块14，第一多芯光纤11的弯曲部分和单芯光纤12的一端固定在转环块14内，转环块14用于使第一多芯光纤11和单芯光纤12同轴相连，以减小第一多芯光纤11和单芯光纤12之间的连接损耗。

保护层13内还设有连接块15，第二多芯光纤21的一端和单芯光纤12的另一端固定在连接块15内，连接块15用于使第二多芯光纤21和单芯光纤12同轴相连，以减少第二多芯光纤21和单芯光纤12之间的连接损耗。

第一多芯光纤11也可以固定在连接块15内，在实际应用中，可先通过转环块14将第一多芯光纤11和单芯光纤12固定，通过连接块15将单芯光纤12、第二多芯光纤21以及第一多芯光纤11固定，再将保护层13封装在转环块14和连接块15之外。

在上述实施例中，光电模块包括光源和光电探测器，光源和光电探测器集成为一体，光发射端31包括光源，光接收端32包括光电探测器。其中，光源可以为LED，光电探测器可以为任何可以将光信号转化为电信号的光电元件。

需要说明的是，光源和光电探测器集成为一体，亦即，光源和光电探测器集成在同一块电路板上。在其他实施例中，光源和光电探测器也可以是分立不集成的。

光电模块还包括第二连接块33，第二连接块33用于使第一多芯光纤11和第二多芯光纤21分别与光发射端31和光接收端32同轴相连。

请参阅图5，图5为根据本发明实施例提供的光纤弯曲传感器的立体示意图，从功能和区域上可分为三部分：传感头1、尾纤2和光电模块3。

传感头1用于检测物体的弯曲程度和弯曲方向，包括上述的保护层13、以及封装在保护层13内的第一多芯光纤11和单芯光纤12，其中，单芯光纤12的一侧经过打磨处理。尾纤2连接在传感头1和光电模块3之间，用于导光传输，包括部分第一多芯光纤11和第二多芯光纤21。

假设传感头1保持平直态时，光电模块3输出的电信号为单位1，则传感头连续向单芯光纤12未打磨一侧和打磨一侧往复弯曲时，光电模块3输出的数据如图6所示。由图6可以看出，传感头1分别向两侧往复弯曲时，随着向两侧弯曲程度的变化，光电模块输出的电信号变化不同，这样使传感器实现了弯曲检测的同时还识别了弯曲方向。

图7是对平直状态的传感头1末端施加一扰动，传感头1自由振动时，光电模块3的输出数据图，图7的数据变化规律与图6一致，在传感头1弯曲角度越大时，光强增加或损耗的幅度也越大。

本实施例的光纤弯曲传感器包括光电模块、第一多芯光纤11、单芯光纤12和第二多芯光纤21，光电模块包括光发射端31和光接收端32，光发射端31与第一多芯光纤11的一端连接，第一多芯光纤11的另一端弯曲后与单芯光纤12的一端连接，单芯光纤12的另一端通过第二多芯光纤21与光接收端32连接；部分第一多芯光纤11和单芯光纤12封装在保护层13中，且第一多芯光纤11和单芯光纤12在保护层13内呈U型结构，单芯光纤12一侧的部分包层121被去除，或者部分包层121及部分纤芯122被去除；通过上述方式，本实施例提供的光纤弯曲传感器具有如下有益效果：

(1)采用第一多芯光纤11和第二多芯光纤21进行导光传输，采用单芯光纤12进行弯曲检测，不仅方便与光电模块连接，还可将第一多芯光纤11和单芯光纤12在保护层13内设置成U型结构，使得光发射端31和光接收端32处于同一端，使用起来更加方便；

(2)单芯光纤12一侧的部分包层121被去除，或者部分包层121及部分纤芯122被去除，传感器分别向两侧弯曲时，弯曲角度越大，光强增加或损耗的幅度也越大，不仅具有较高的精度和灵敏度，在实现弯曲检测的同时还能够识别弯曲方向；

(3)解调信号是光强，结构简单、成本低。

本发明实施例还提供一种智能手套，如图8所述，智能手套包括手套本体41和如上所述的光纤弯曲传感器42，智能手套可用于智能控制、VR交互等领域，其中，手套本体包括掌部套体以及与掌部套体连通的手指套体，光纤弯曲传感器42置于手指套体内与手指关节对应的位置。

手套本体可以包括一个或者多个手指套体，在手套本体包括多个手指套体，可在多个手指套体上设置多个光纤弯曲传感器42，以检测不同的手指弯曲情况。

需要说明的是，本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤弯曲传感器，其特征在于，包括光电模块、第一多芯光纤、单芯光纤和第二多芯光纤，所述光电模块包括光发射端和光接收端，所述光发射端与所述第一多芯光纤的一端连接，所述第一多芯光纤的另一端弯曲后与所述单芯光纤的一端连接，所述单芯光纤的另一端通过所述第二多芯光纤与所述光接收端连接；

部分所述第一多芯光纤和所述单芯光纤封装在保护层中，且所述第一多芯光纤和所述单芯光纤在所述保护层内呈U型结构，其中，所述单芯光纤包括纤芯和包层，所述单芯光纤一侧的部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除。

2.根据权利要求1所述的光纤弯曲传感器，其特征在于，

所述单芯光纤的一侧经过打磨、物理切割、激光加工或化学腐蚀处理，处理后部分包层被去除，或者部分包层及部分纤芯被去除。

3.根据权利要求1所述的光纤弯曲传感器，其特征在于，

所述第一多芯光纤、所述单芯光纤以及所述第二多芯光纤均为塑料光纤。

4.根据权利要求1所述的光纤弯曲传感器，其特征在于，

所述第二多芯光纤是与所述第一多芯光纤相同的光纤。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光纤弯曲传感器，其特征在于，

所述保护层内设有转环块，所述第一多芯光纤的弯曲部分和所述单芯光纤的一端固定在所述转环块内，所述转环块用于使所述第一多芯光纤和所述单芯光纤同轴相连。

6.根据权利要求5所述的光纤弯曲传感器，其特征在于，

所述保护层内还设有连接块，所述第二多芯光纤的一端和所述单芯光纤的另一端固定在所述连接块内，所述连接块用于使所述第二多芯光纤和所述单芯光纤同轴相连。

7.根据权利要求1-4任一项所述的光纤弯曲传感器，其特征在于，

所述光电模块包括光源和光电探测器，所述光源和所述光电探测器集成为一体，所述光发射端包括所述光源，所述光接收端包括所述光电探测器。

8.根据权利要求7所述的光纤弯曲传感器，其特征在于，

所述光源为LED。

9.根据权利要求7所述的光纤弯曲传感器，其特征在于，

所述光电模块还包括第二连接块，所述第二连接块用于使所述第一多芯光纤和所述第二多芯光纤分别与所述光发射端和所述光接收端同轴相连。

10.一种智能手套，其特征在于，包括手套本体和如权利要求1-9任一项所述的光纤弯曲传感器，

其中，所述手套本体包括掌部套体以及与所述掌部套体连通的手指套体，所述光纤弯曲传感器设置于所述手指套体内与手指关节对应的位置。