CN112179552B - 光纤触觉传感阵列及方法、信号解调光路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光纤触觉传感阵列及方法、信号解调光路及方法。光纤触觉传感阵列，包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同。本发明可以实现对触觉的阵列传感，并通过将光纤触觉传感阵列预埋入蒙皮，实现智能皮肤。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及光纤触觉传感阵列及方法、信号解调光路及方法。
背景技术
机器人触觉和机器皮肤是机器人智能化不可或缺的感知器官，其多模态感知性能对机器人的工作能力具有重大的影响，具有十分重要的研究价值。
目前机器人触觉方面的研究按传感原理可以大致分为电子式和光学式两类。电子式触觉传感器主要集中于研究各类电子式或MEMS微型触觉传感器。目前的研究多集中在采用不同的材料和结构构建传感器，其基本原理多为压阻式、电容式或压电式，即通过检测传感器的电阻值或电容值的变化感知外部应力的变化。目前多数该类传感器还处于实验室阶段，并存在灵敏度低，不够柔性，需要供电和信号多路传输等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光纤触觉传感阵列及方法、信号解调光路及方法，以解决现有技术中存在的灵敏度低的问题。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种光纤触觉传感阵列，包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同。
一种触觉传感方法，所述方法通过光纤触觉传感阵列实现；光纤触觉传感阵列包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同；
所述方法包括以下步骤：
将光波从光纤输入，由光纤熔融耦合区将进入光纤的光波一分为二，分别从光纤熔融耦合区输出至触觉光传感探头和下一个光纤熔融耦合区；
通过透镜对进入触觉光传感探头的光波进行准直，射向微型遮光板；
由微型遮光板将光波反射，形成反射光波；
检测外界应力作用于弹性外壳时反射光波的强度变化，实现触觉感知。
进一步的，所述反射光波的强度计算公式为：
其中，
为反射光波的强度，𝞪是光纤器件损耗，P 0 是入射光波功率，函数K是反射板的能量反射效率，L为微型遮光板的位移长度，λ为入射光波的波长。
一种光纤触觉传感阵列的信号解调光路，包括处理器、光源、光电探测器、环形器和光纤触觉传感阵列；所述光源和光电探测器的电接口分别与处理器连接；所述光源、光电探测器和光纤触觉传感阵列的光接口均与环形器连接；所述光纤触觉传感阵列包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同。
进一步的，所述光源包括宽带光源和扫频激光器。
进一步的，当光源为宽带光源时，信号解调光路还包括滤波器；所述光电探测器设置有多个；多个所述光电探测器均与滤波器连接；所述滤波器与环形器连接。
进一步的，所述滤波器的输出通道的波长与触觉光传感探头的反射光波波长对应。
进一步的，所述光电探测器的数量与触觉光传感探头的数量相同。
一种光纤触觉传感阵列的信号解调方法，所述方法通过信号解调光路实现；所述信号解调光路包括处理器、光源、光电探测器、环形器和光纤触觉传感阵列；所述光源和光电探测器的电接口分别与处理器连接；所述光源、光电探测器和光纤触觉传感阵列的光接口均与环形器连接；所述光纤触觉传感阵列包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同；
所述方法包括如下步骤：
由光源发射光波；
光波经过环形器传入光纤触觉传感阵列；
传入光纤触觉传感阵列中的光波经过光纤熔融耦合区进入触觉光传感探头中；
由反射膜对进入触觉光传感探头中的光波进行反射，形成反射光波；
通过光探测器获取外界应力作用下反射光波的能量信号；
根据反射光波的能量信号计算外界应力大小，实现对触觉光传感探头的解调。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明设计的光纤触觉传感阵列、触觉传感方法、信号解调光路和信号解调方法采用光纤作为传感介质，便于埋入组织且无需外界电源；实现了单纤多点检测，且触觉灵敏度高；触觉传感结构简单、实用和可靠，采用国内成熟的工艺即可实现；该方案可广泛应用于机器人智能皮肤的中。
附图说明
图1为本发明实施例的光纤阵列触觉传感光路；
图2为本发明实施例的触觉光传感探头的结构示意图；
图3为本发明实施例的触觉光传感探头受到应力挤压的结构示意图；
图4为本发明实施例1的光纤阵列触觉传感光路信号时分解调的结构示意图；
图5为本发明实施例2的光纤阵列触觉传感光路信号同步解调的结构示意图；
图6为宽带光源光谱。
附图标记：1-处理器；2-扫频激光器；3-光电探测器；4-环形器；5-光纤触觉传感阵列；6-光纤熔融耦合区；7-触觉光传感探头；9-弹性外壳；10-微型遮光板；11-透镜；12-微型弹簧；13-宽带光源；14-滤波器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的光纤触觉传感阵列包括若干个光纤熔融耦合区6和触觉光传感探头7。光纤熔融耦合区6串行布置在一根光纤上，其I号光端口与另外一个光纤熔融耦合区6的III号光端口连接，其II号光端口与触觉光传感探头7连接。
如图2所示，触觉光传感探头7包括弹性外壳9、微型遮光板10、透镜11和微型弹簧12，其中微型遮光板10面向透镜11的一侧蒸镀有反射膜，可将特定波长的光反射，并且在一根光纤中，每个触觉光传感探头7的微型遮光板10上的反射膜的反射波长各不相同。微型遮光板10的上端与弹性外壳9粘连，下端与微型弹簧12连接。透镜11与熔融耦合区6的II号光端口连接。
如图3所示，当有外界应力施加于弹性外壳9时，其在应力的作用下发生形变，并导致微型遮光板10向下位移，因此，有更多的光能量照射到微型遮光板10上，从而导致从遮光板上反射的光波能量也随之增加。
一种利用上述光纤触觉传感阵列的触觉传感方法，该传感方法包括以下步骤：
1）：光波从光纤输入，从光纤熔融耦合区的I号端口进入光纤熔融耦合区后一分为二，分别从光纤熔融耦合区的II号和III号光端口输出。III号光端口输出的光波送入下一个光纤熔融耦合区，II号光端口输出的光波送入触觉光传感探头。
2）：从光纤熔融耦合区的II号端口输出的光波经过透镜准直后，部分光射向微型遮光板，如果微型遮光板反射膜的反射波长和入射光的光波波长相同时，光波从微型遮光板反射，并原路返回。反射光波能量可以表示为：
其中，𝞪是光纤器件损耗，P 0 是入射光波功率，函数K是反射板的能量反射效率，其实际数值与其位移长度L和入射光波的波长λ相关。
3）：当外界应力作用于弹性外壳时，弹性外壳发生形变，带动微型遮光板向下位移，此时更多光波照射在微型遮光板上，导致从微型遮光板反射的光波强度增强。
4）：当外界应力消失时，弹性外壳在微型弹簧的作用下，恢复原样，此时从微型遮光板反射的光波强度减少。因此，通过检测反射光波的强度变化即可实现触觉感知。
如图4所示，一种光纤触觉传感阵列的信号时分解调光路，包括处理器1、扫描激光器2、光电探测器3，环形器4和光纤触觉传感阵列5，其中，扫描激光器2和光电探测器3的电接口分别与处理器1连接；扫描激光器2、光电探测器3和光纤触觉传感阵列5的光接口分别与环形器4连接。
一种光纤触觉传感阵列的信号时分解调方法，包括以下步骤：扫频激光器2发射频率随时间变化的扫频光波，光波经过环形器4传入光纤触觉传感阵列5，并经过光纤熔融耦合区6进入触觉光传感探头7中。如果入射光波的波长正好与触觉光传感探头7的反射膜波长相同，部分光能量会原路反射，并再次经环形器4后送入光探测器3。光探测器获得光波的能量信号，从而推算得知外界应力大小。该方法在同一时刻，只能解调一个触觉光传感探头7的反射信号。
实施例2
如图5、图6所示，光纤触觉传感阵列的信号同步解调光路还可以设置为如下结构，包括处理器1、宽带光源13、N个光电探测器3、环形器4、滤波器14和光纤触觉传感阵列5。其中，宽带光源13和光电探测器3的电接口与处理器1连接，宽带光源13、滤波器14和光纤触觉传感阵列5的光接口分别与环形器4连接。其中滤波器14的输出光接口与光电
其中，光电探测器3的数量N与光纤触觉传感阵列5串联的触觉光传感探头7的数量相同。
其中，滤波器14输出通道的波长与触觉光传感探头7的反射光波波长对应。
此时的光纤触觉传感阵列的信号同步解调方法为：宽带光源13发出的宽带光波经环形器4传入光纤触觉传感阵列5，并经过光纤熔融耦合区6进入每一个触觉光传感探头7中，其反射光波再次经过环形器4送入滤波器14。由于每个触觉光传感探头7反射光波波长不同，因此其反射光经过滤波器14后送入不同的光电探测器3中。该方法在同一时刻可以解调光纤阵列中所有的触觉光传感探头7。
本发明提出了一种无源光纤触觉传感阵列和传感信号解调方法，传感器无需外界电源，并易于埋入材料。同时，该方法解决了单纤多点触觉传感问题，触觉传感器结构简单、可靠且实用，便于生产。
以上显示和描述了本发明创造的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本设计不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本设计的原理，在不脱离本设计精神和范围的前提下，本发明创造还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本设计范围内。本发明创造要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种光纤触觉传感阵列，其特征在于，包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与光纤熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同。
2.一种触觉传感方法，其特征在于，所述方法通过光纤触觉传感阵列实现；所述光纤触觉传感阵列包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与光纤熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同；
所述方法包括以下步骤：
将光波从光纤输入，由光纤熔融耦合区将进入光纤的光波一分为二，分别从光纤熔融耦合区输出至触觉光传感探头和下一个光纤熔融耦合区；
通过透镜对进入触觉光传感探头的光波进行准直，射向微型遮光板；
由微型遮光板将光波反射，形成反射光波；
检测外界应力作用于弹性外壳时反射光波的强度变化，实现触觉感知。
3.根据权利要求2所述的一种触觉传感方法，其特征在于，所述反射光波的强度计算公式为：
其中，
为反射光波的强度，𝞪是光纤器件损耗，P 0 是入射光波功率，函数K是反射膜的能量反射效率，L为微型遮光板的位移长度，λ为入射光波的波长。
4.一种光纤触觉传感阵列的信号解调光路，其特征在于，包括处理器、光源、光电探测器、环形器和光纤触觉传感阵列；所述光源和光电探测器的电接口分别与处理器连接；所述光源、光电探测器和光纤触觉传感阵列的光接口均与环形器连接；所述光纤触觉传感阵列包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与光纤熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同。
5.根据权利要求4所述的一种光纤触觉传感阵列的信号解调光路，其特征在于，所述光源包括宽带光源。
6.根据权利要求5所述的一种光纤触觉传感阵列的信号解调光路，其特征在于，还包括滤波器；所述光电探测器设置有多个；多个所述光电探测器均与滤波器连接；所述滤波器与环形器连接。
7.根据权利要求6所述的一种光纤触觉传感阵列的信号解调光路，其特征在于，所述滤波器的输出通道的波长与触觉光传感探头的反射光波波长对应。
8.根据权利要求6所述的一种光纤触觉传感阵列的信号解调光路，其特征在于，所述光电探测器的数量与触觉光传感探头的数量相同。
9.根据权利要求4所述的一种光纤触觉传感阵列的信号解调光路，其特征在于，所述光源还包括扫频激光器。
10.一种光纤触觉传感阵列的信号解调方法，其特征在于：所述方法通过信号解调光路实现；所述信号解调光路包括处理器、光源、光电探测器、环形器和光纤触觉传感阵列；所述光源和光电探测器的电接口分别与处理器连接；所述光源、光电探测器和光纤触觉传感阵列的光接口均与环形器连接；所述光纤触觉传感阵列包括串行布置在光纤上的若干个光纤熔融耦合区；每个所述光纤熔融耦合区均连接有触觉光传感探头；所述触觉光传感探头包括弹性外壳、微型遮光板、透镜和微型弹簧；所述微型遮光板的上端与弹性外壳粘连，下端与微型弹簧连接；所述透镜设置在微型遮光板的一侧；所述微型遮光板面向透镜的一侧蒸镀有反射膜；所述透镜与光纤熔融耦合区的光端口连接；每个触觉光传感探头的微型遮光板上的反射膜的反射波长各不相同；
所述方法包括如下步骤：
由光源发射光波；
光波经过环形器传入光纤触觉传感阵列；
传入光纤触觉传感阵列中的光波经过光纤熔融耦合区进入触觉光传感探头中；
由反射膜对进入触觉光传感探头中的光波进行反射，形成反射光波；
通过光探测器获取外界应力作用下反射光波的能量信号；
根据反射光波的能量信号计算外界应力大小，实现对触觉光传感探头的解调。
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