CN112401878A - 基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置、方法 - Google Patents

基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置、方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置、方法，涉及光纤传感及人体运动检测领域，该装置包括扫频光源模块、光纤耦合模块、若干光纤连接器、若干非对称锯齿形多芯光纤探测模块、探测解调模块、信号处理平台和上位机，非对称锯齿形多芯光纤探测模块包括多芯光纤，多芯光纤的内部设置有至少两根纤芯，所有纤芯中，至少两根纤芯沿偏离中轴线分布，作为偏芯纤芯，多芯光纤的外壁与每个偏芯纤芯相对应之处均设置有锯齿结构，不同偏芯纤芯对应的锯齿结构的锯齿深度不相同，锯齿结构所在之处为敏感区。本发明具备灵敏度调节和复合探测能力，能够用于关节运动信息捕捉。

Description

基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置、方法
技术领域
本发明涉及光纤传感及人体运动检测领域，具体涉及一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置、方法。
背景技术
对患者的运动姿势进行检测，是诊断和治疗神经退行性疾病(例如帕金森病、脑卒中等)的有效辅助手段，而关节的弯曲检测是与姿态相关的运动监测中最重要的环节之一。因此，通过获取运动过程中关节的弯曲信息，医师可以评估患者的病情或者康复程度，进而为患者提供更符合当前病情的个性化医疗服务，关节的弯曲检测在智能假肢、智能监控、临床医学、康复治疗、运动分析等众多领域有着重要的作用。
目前的关节运动信息捕捉系统通常基于图像传感器或基于运动传感器来实现，基于图像传感器的运动捕捉系统容易受到背景和光照等环境因素的影响，对测试场景的要求较高，且成本较高；基于运动传感器的运动信息捕捉系统成本较低，可以与穿戴设备相结合，监测方式灵活，然而该方案容易受到温度和电磁场的干扰，测试结果的可靠性较差。
光学测角仪如动态测角仪和光电编码器也被用于关节运动信息捕捉系统，基于光学测角仪的关节运动信息捕捉系统需要高精度机械结构的支持，机械结构在运行过程中会产生干扰噪声，影响测试结果的准确性。此外，惯性测量单元也被用于检测膝关节弯曲信息。然而，惯性测量单元在使用过程中需要频繁的校准，且对电磁场有较高的灵敏度，容易受到电磁场的干扰，测试难度较大，且准确度较低。
近年来，光纤传感器以其体积小、生物相容性好、抗电磁干扰能力强等优点在生物医学传感领域受到了越来越多的重视。目前，已有研究人员将FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)传感器应用于膝关节运动弯曲的测量。基于频谱解调的FBG传感器具较高的灵敏度，然而在监测过程中传输的光信号强度容易衰减，且存在应力和温度交叉敏感等问题。此外，FBG传感器的生产工艺复杂、加工设备昂贵，导致成本较高，限制了其在膝关节运动弯曲领域的应用。
基于频谱解调的干涉型光纤曲率传感器也被用于曲率信息的获取，干涉模式通常采用基于马赫增德尔干涉或法布里-珀罗干涉，通过监测谐振波长的漂移值来检测曲率的变化，然而制作光纤曲率传感器工艺流程复杂，熔接点易折损，传感器的性能一致性较差，影响了后续工程化的应用。
目前，基于强度解调的光纤传感器因其性能一致性较好、成本低等优点，已经被用于曲率检测的工程化设备中。
申请号为CN201510604659.2的发明专利申请公开了“基于光纤曲率传感器的水下表面变形实时监测系统”，其包括主控计算机、多个长条带状的光纤曲率传感器阵列，通过监测不同位置的传感器变形差异所引起的信号衰减变化，来对水下地形地貌进行直接测量。该系统采用强度解调的方式，使用普通单模光纤，探测灵敏度有限，灵敏度无法根据实际需要调节，且无法多参量复合探测。
申请号为CN201510603470.1的发明专利申请公开了“基于光纤曲率传感器的水下管缆变形自检系统”，其中包括嵌入硫化橡胶层的光纤曲率传感器、控制盒、计算机，通过检测光纤在过度弯曲、扭转、缠绕等情况下纤芯内光信号的衰减，对水下管缆进行监测。该系统采用强度解调的方式，使用的是未经后期加工的普通单模光纤，探测灵敏度有限，且灵敏度无法调节。
申请号为CN201410573381.2的发明专利申请公开了“一种光纤单双向弯曲曲率双通道跟踪监测仪及监测方法”，其中包括光纤载台和光纤受力载台，光纤受力移动载台在受力发生移动后带动光纤内光信号强度的变化，从而对弯曲进行监测。该系统采用强度解调的方式，使用的是单双向普通单模光纤，探测灵敏度有限且不可调，无法进行多参量复合探测。
申请号为CN201510344770.2的发明专利申请公开了“堤坝性态感知光纤弯曲曲率控制与量测装置及方法”，其中包括弯曲台、导引道、单模光纤，装置将光纤的曲率半径转化为半径尺的读数，解决了光纤弯曲损耗过大或者弯曲布设不符工程结构尺寸及施工布置等问题。该装置中光纤仍然采用普通单模光纤传感器，未对光纤传感器进行增敏处理，灵敏度有限且不可调，不具备复合探测的特性。
论文“基于侧边粗抛磨单模光纤的高精度曲率传感技术研究”公开了一种采用单模光纤侧边粗抛磨增敏技术的光纤曲率传感系统，该系统将单模光纤侧边粗抛磨形成非对称结构，当光纤弯曲时，通过监测侧边粗抛磨增敏部分，能够对曲率进行监测。该装置中光纤仍然采用普通单模光纤传感器，侧边粗抛磨对灵敏度不可调，不具备复合探测的特性。
由此可知，现有的光纤曲率传感系统灵敏度不可调节，且只能用于相对单一的对象如工程测量，不具备复合探测能力，难以用于关节运动信息捕捉系统。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置、方法，具备复合探测能力，能够用于关节运动信息捕捉。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，包括扫频光源模块和光纤耦合模块，还包括若干光纤连接器、若干非对称锯齿形多芯光纤探测模块、探测解调模块、信号处理平台和上位机，每个所述非对称锯齿形多芯光纤探测模块均通过一个相对应的光纤连接器与光纤耦合模块进行信息传输；
所述扫频光源模块用于提供扫频光信号并发送至光纤耦合模块；所述光纤耦合模块用于将扫频光信号耦合成若干束扫频光信号并通过光纤连接器传输至相对应的非对称锯齿形多芯光纤探测模块，所述光纤耦合模块耦合出的扫频光信号路数与非对称锯齿形多芯光纤探测模块的数量一致；
所述非对称锯齿形多芯光纤探测模块被固定于待测部位，用于探测相关部位的二维弯曲度信息并发送给探测解调模块；
所述探测解调模块用于解调非对称锯齿形多芯光纤探测模块在探测过程中输出的光信号并发送给信号处理平台；信号处理平台用于对探测解调模块输出的电信号进行采样和算法处理，并传输至上位机；
所述非对称锯齿形多芯光纤探测模块包括多芯光纤，所述多芯光纤的内部设置有至少两根纤芯，所有纤芯中，至少两根纤芯沿偏离中轴线分布，作为偏芯纤芯，所述多芯光纤的外壁与每个偏芯纤芯相对应之处均设置有锯齿结构，且不同偏芯纤芯对应的锯齿结构的锯齿深度不相同，锯齿结构所在之处为敏感区。
进一步的，当所述光纤连接器将光纤耦合模块发送的若干光信号传输至多芯光纤时，若干光信号先进入相应的纤芯内进行传输，当光信号传输至锯齿结构时，部分所述光信号通过锯齿结构泄露至多芯光纤外部，另一部分信号作为透射光信号从相对应的芯纤继续传递至探测解调模块。
进一步的，所述多芯光纤为三根纤芯，其包括第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，第一纤芯对应第一锯齿区，第二纤芯对应第二锯齿区，第一纤芯、第二纤芯作为偏芯纤芯，第三纤芯作为中心纤芯。
进一步的，所述光纤连接器将光纤耦合模块发送的三束光信号传输至多芯光纤时，三束光信号先进入相应的纤芯内进行传输，当光信号传输至第一锯齿区、第二锯齿区时，部分光信号经过第一锯齿区、第二锯齿区泄漏，即第一泄漏光信号、第二泄漏光信号，另一部分光信号即透射光继续从相应的芯纤继续传递：第一透射光、第二透射光和第三透射光，最终传递至探测解调模块。
进一步的，所述信号处理平台包括若干信号处理单元，每个信号处理单元均与一非对称锯齿形多芯光纤传感模块相对应，用于采集透射光，信号处理单元包括主处理器，数据存储模块，协处理器、电源模块、n路光电模块和n路AD采集模块，光电模块通过相对应的AD采集模块将光电信号传输至主处理器，数据存储模块、协处理器均与主处理器连接并进行信息交互，主处理器通过总线与上位机进行通讯，电源模块用于为信号处理单元提供电源；
主处理器用于对第一透射光、第二透射光和第三透射光进行预处理，同时，还作为高速接口协调数字信号处理单元内部的信号传输，协处理器将经过主处理器预处理的数字信号进行编码处理，数据存储模块用于存储主处理器和协处理器在工作过程中需要暂存的数据，通过总线将最终处理的数据传输至上位机。
进一步的，主处理器和协处理器之间的数据交换方法如下：
a、主处理器从AD采集模块获取透射光信号，作为第一包数字信号，将第一包数字信号进行滤波预处理后存放在数据存储模块；
b、协处理器将存放在数据存储模块的第一包数据取出，进行相关分类算法处理，同时主处理器从AD采集单元获取第二包数字信号，经过滤波预处理后存放在数据存储模块；
c、协处理器将处理好的第一包数据传输给主处理器后，从数据存储模块读取暂存的第二包数据；
e、主处理器将协处理器传输的第一包数据进行基于空间域的分类识别算法模型处理，完毕后通过总线传输给上位机；
同时，协处理器将第二包数据进行编码处理后传输给主处理器，主处理器通过总线传输给上位机。
进一步的，每个所述光纤连接器与光纤耦合模块之间均设置有隔离器。
进一步的，未发生弯曲的所述多芯光纤中传播的总光功率P的计算方法如下：
当入射光与法线方向呈θ0角度时，光强度为I(θ0)，照射在微单元角度dΩ内的辐射光功率dP按公式一计算：
dP＝I(θ0)dΩdS……公式一
其中，dS为入射光的微单元；
入射光的光强分布按公式二计算：
I(θ0)＝I0cosθ0……公式二
三芯光纤内单根纤芯内光功率dP按公式三计算：
Figure BDA0002784550430000061
公式三中，αa为纤芯的数量级数；
公式三在相应的范围内求积分可以得到未弯曲光纤中传播的总光功率P：
Figure BDA0002784550430000071
一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量方法，包括以下步骤：
S1、将非对称锯齿形多芯光纤传感模块固定在待测关节之处，关节进行一个周期的屈伸运动，对非对称锯齿形多芯光纤传感模块的二维弯曲度的探测值进行校准标定；
S2、被测试关节连续屈伸，经过非对称锯齿形多芯光纤传感模块4的光信号通过探测解调模块传递至信号处理模块进行处理；
S3、信号处理模块对所获取的光信号进行强度解调，将获取的数据进行分类和识别，提取特征参数后，将特征参数存入数据库，对所采集到的相应数据进行滤波去噪处理和算法分析，最终对关节弯曲特征进行识别；
进一步的，步骤S1中对非对称锯齿形多芯光纤传感模块的二维弯曲度的探测值进行标定具体包括以下步骤：
利用方向弯曲检测装置测试出非对称锯齿形多芯光纤传感器内部透射光信号强度和方向弯曲度的对应关系：分别探测弯曲方向为0°、90°和180°下，曲率0m-1、0.5m-1、1m-1、1.5m-1、2m-1、2.5m-1、3m-1、3.5m-1、4m-1、4.5m-1、5m-1下透射光信号强度值；
根据不同弯曲方向和曲率下相对应的透射光信号强度值，按公式y1＝a1×x1+a2×x2+b1，计算出系数a1、a2、b1值，建立透射光信号强度值-弯曲方向曲率方程。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明中基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，包括多芯光纤，多芯光纤的内部设置有至少两根纤芯，纤芯的具体数量根据实际需要设定，其中所有纤芯中，至少两根纤芯沿偏离中轴线分布，作为偏芯纤芯，多芯光纤的外壁与每个偏芯纤芯相对应之处均设置有锯齿结构，且不同偏芯纤芯对应的锯齿结构的锯齿深度不相同，锯齿结构所在之处为敏感区，当光纤连接器将光纤耦合模块发送的若干光信号传输至多芯光纤时，若干光信号先进入相应的纤芯内进行传输，当光信号传输至锯齿结构时，部分光信号通过锯齿结构泄露至多芯光纤外部，另一部分信号作为透射光信号从相对应的芯纤继续传递至探测解调模块。
在使用时，光纤内各纤芯探测的物理量能够相互独立，且灵敏度可调(通过锯齿结构深度)，非对称锯齿形多芯光纤传感模块能够在一根光纤内并行探测多个物理量，且互不影响，减少了探测系统中传感器种类，且避免不同数据间的交叉影响，进而能够在增加测量数量对象的基础上，灵活选择测量精度，实现关节弯曲度的检测。
附图说明
图1为本发明实施例中基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中三芯光纤的内部结构及光路传输图；
图3为本发明实施例中信号处理单元的结构框图；
图4为本发明实施例中信号处理平台的结构示意图。
图中：1-扫频光源模块，2-光纤耦合模块，3-光纤连接器，4-非对称锯齿形多芯光纤探测模块，5-探测解调模块，6-信号处理平台，7-上位机，8-多芯光纤，81-中心纤芯，82-偏芯纤芯，9-第一锯齿区，10-第二锯齿区，11-第一纤芯，12-第二纤芯，13-第三纤芯，14-光信号，15-第一泄漏光信号，16-第二泄漏光信号，17-第一透射光，18-第二透射光，19-第三透射光，20-隔离器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，包括扫频光源模块1、光纤耦合模块2、若干光纤连接器3、若干非对称锯齿形多芯光纤探测模块4、探测解调模块5、信号处理平台6和上位机7，每个非对称锯齿形多芯光纤探测模块4均通过一个相对应的光纤连接器3与光纤耦合模块2进行信息传输。
扫频光源模块1用于提供扫频光信号并发送至光纤耦合模块2；光纤耦合模块2用于将扫频光信号耦合成若干束扫频光信号并通过光纤连接器3传输至相对应的非对称锯齿形多芯光纤探测模块4，光纤耦合模块2耦合出的扫频光信号路数与非对称锯齿形多芯光纤探测模块4的数量一致。
在使用时，非对称锯齿形多芯光纤探测模块4被固定于髋关节、膝关节、踝关节等处，用于探测相关部位的二维弯曲度信息并发送给探测解调模块5，具体的固定位置根据实际需要设置。
探测解调模块5用于解调非对称锯齿形多芯光纤探测模块4在探测过程中输出的光信号并发送给信号处理平台6；信号处理平台6用于对探测解调模块5输出的电信号进行采样和算法处理，然后传输至上位机7，上位机7将接收到的信号进行存储、显示和分析。
参见图2所示，本发明实施例中的非对称锯齿形多芯光纤探测模块4包括多芯光纤8，所述多芯光纤8的内部设置有至少两根纤芯，纤芯的具体数量根据实际需要设定，其中，至少两根纤芯沿偏离中轴线分布，作为偏芯纤芯82，所述多芯光纤8的外壁与每个偏芯纤芯82相对应之处均设置有锯齿结构，且不同偏芯纤芯82对应的锯齿结构的锯齿深度不相同，锯齿结构所在之处为敏感区；在实际情况中，可以有一根纤芯位于多芯光纤8的中轴线，作为中心纤芯81，
参见图3所示，本实施例中，以三根纤芯：第一纤芯11、第二纤芯12和第三纤芯13为例，第一纤芯11对应第一锯齿区9，第二纤芯12对应第二锯齿区10，第一纤芯11、第二纤芯12作为偏芯纤芯82，第三纤芯12作为中心纤芯81。
当光纤连接器3将光纤耦合模块2发送的三束光信号14传输至多芯光纤8时，三束光信号14先进入相应的纤芯内进行传输，当光信号14传输至第一锯齿区9、第二锯齿区10时，部分光信号14经过第一锯齿区9、第二锯齿区10泄漏，即第一泄漏光信号15、第二泄漏光信号16，另一部分光信号即透射光继续从相应的芯纤继续传递：第一透射光17、第二透射光18和第三透射光19，最终传递至探测解调模块5。
当入射光与法线方向呈θ0角度时，光强度为I(θ0)，照射在微单元角度dΩ内的辐射光功率dP按公式一计算：
dP＝I(θ0)dΩdS……公式一
其中，dS为入射光的微单元。
入射光的光强分布按公式二计算：
I(θ0)＝I0cosθ0……公式二
三芯光纤内单根纤芯内光功率dP按公式三计算：
Figure BDA0002784550430000101
公式三种，αa为纤芯的数量级数。
公式三在相应的范围内求积分可以得到未弯曲光纤中传播的总光功率P：
Figure BDA0002784550430000111
多芯光纤8固定在待测部位如膝盖后，当患者运动时，会使得多芯光纤8发生弯曲，而光信号在弯曲的多芯光纤8中传播时，会产生凸向集中：即在弯曲多芯光纤8凸侧的光强会增加，在凹侧的光强会减弱，因此，若敏感区位于非对称锯齿形多芯光纤探测模块4的凸侧，当非对称锯齿形多芯光纤探测模块4正向弯曲时，从敏感区泄漏出去的光功率将会增加；相反，当非对称锯齿形多芯光纤探测模块4负向弯曲时，从敏感区泄漏出去的光功率将会减小。
参见图3所示，扫频光源模块1产生测试所需的扫频光信号并发送至光纤耦合模块2，光纤耦合模块2根据被测部位数(非对称锯齿形多芯光纤传感模块4数量)耦合若干扫频光信号，本发明实施例中光纤耦合模块2耦合成两束扫频光信号，每束扫频光信号通过单模光纤传输至光纤连接器3，为保证光信号传输方向的单向性，每个光纤连接器3与光纤耦合模块2之间均设置有隔离器20，将光信号传入相对应的非对称锯齿形多芯光纤传感模块4，非对称锯齿形多芯光纤传感模块4所采集的透射光信号直接传输至探测解调模块5。
探测解调模块5将输出光信号强度变化值解调成电信号并传输至信号处理平台6进行处理，信号处理平台6将处理完后的信号通过总线传输至上位机7。
参见图4所示，信号处理平台6包括若干信号处理单元，每个信号处理单元均与一非对称锯齿形多芯光纤传感模块4相对应，用于采集第一透射光17、第二透射光18和第三透射光19，信号处理单元包括主处理器，数据存储模块，协处理器、电源模块、n路光电模块和n路AD采集模块，光电模块通过相对应的AD采集模块将光电信号传输至主处理器，数据存储模块、协处理器均与主处理器连接并进行信息交互，主处理器通过总线与上位机进行通讯，电源模块用于为信号处理单元提供电源。
主处理器用于对第一透射光17、第二透射光18和第三透射光19进行预处理，同时，还作为高速接口协调数字信号处理单元内部的信号传输，协处理器将经过主处理器预处理的数字信号进行编码处理，数据存储模块用于存储主处理器和协处理器在工作过程中需要暂存的数据，通过总线将最终处理的数据传输至上位机7。
主处理器和协处理器之间的数据交换方法如下：
a、主处理器从AD采集模块获取第一包数字信号(第一透射光17、第二透射光18和第三透射光19)，将第一包数字信号进行滤波预处理后存放在数据存储模块。
b、协处理器将存放在数据存储模块的第一包数据取出，进行相关分类算法处理，同时主处理器从AD采集单元获取第二包数字信号，经过滤波预处理后存放在数据存储模块。
c、协处理器将处理好的第一包数据传输给主处理器后，从数据存储模块读取暂存的第二包数据。
e、主处理器将协处理器传输的第一包数据进行基于空间域的分类识别算法模型处理，完毕后通过总线传输给上位机。
同时，协处理器将第二包数据进行编码处理后传输给主处理器，主处理器通过总线传输给上位机7。
其中，滤波去噪处理包括以下步骤：
把连续取得的N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并去掉原来队首的数据)，把队列中的N个数据进行算术平均运算，获得新的滤波结果，计算公式如公式五：
Figure BDA0002784550430000131
式中：m为正整数；L＝2m+1，为滤波器阶数，即滑动滤波窗口的宽度，L为奇数。
本发明还提供一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量方法，包括以下步骤：
S1、将非对称锯齿形多芯光纤传感模块4固定在待测关节之处，关节进行一个周期的屈伸运动，对非对称锯齿形多芯光纤传感模块4的二维弯曲度的探测值进行校准标定。
S2、被测试关节连续屈伸，经过非对称锯齿形多芯光纤传感模块4的光信号通过探测解调模块5传递至信号处理模块6进行处理。
S3、信号处理模块6对所获取的光信号进行强度解调，将获取的数据进行分类和识别，提取特征参数后，将特征参数存入数据库，对所采集到的相应数据进行滤波去噪处理和算法分析，最终对关节弯曲特征进行识别。
步骤S1中对非对称锯齿形多芯光纤传感模块的二维弯曲度的探测值进行标定包括以下步骤：
利用方向弯曲检测装置测试出非对称锯齿形多芯光纤传感器内部透射光信号强度和方向弯曲度的对应关系：分别探测弯曲方向为0°、90°和180°下，曲率0m-1、0.5m-1、1m-1、1.5m-1、2m-1、2.5m-1、3m-1、3.5m-1、4m-1、4.5m-1、5m-1下透射光信号强度值；
根据不同弯曲方向和曲率下相对应的透射光信号强度值，按公式y1＝a1×x1+a2×x2+b1，计算出系数a1、a2、b1值，建立透射光信号强度值-弯曲方向曲率方程。
本发明还提供一种非对称锯齿形多芯光纤探测模块的制备方法，包括以下步骤：
A、将不同钢柱表面加工出深度不同的锯齿形，将其放入150℃的恒温箱中加热，待热传递完全后，进行热压纹加工，得到表面具有不同深度锯齿结构的圆柱钢体；将加工后的圆柱钢体放置在温度为150℃的恒温箱中加热。
B、通过光纤旋转夹具固定多芯光纤8，多根纤芯所处平面垂直于工作台的方向放置，将加热后的圆柱钢体上的锯齿结构垂直按压在多芯光纤8的表面，且按压之处与一偏芯纤芯82相对应；更换圆柱钢体，旋转多芯光纤8的角度至与另一偏芯纤芯82相对应，将相应的锯齿结构垂直按压在多芯光纤8表面，得到非对称锯齿形多芯光纤。
当多芯光纤8通过光纤旋转夹具固定时，将光源连接至多芯光纤8一端，多芯光纤8的另一端与光谱仪连接，通过光纤旋转夹具调节多芯光纤8，当多芯光纤8输出至光谱仪的光信号强度最大时，代表多芯光纤8所处平面垂直于工作台的方向。
本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，包括扫频光源模块(1)和光纤耦合模块(2)，其特征在于：还包括若干光纤连接器(3)、若干非对称锯齿形多芯光纤探测模块(4)、探测解调模块(5)、信号处理平台(6)和上位机(7)，每个所述非对称锯齿形多芯光纤探测模块(4)均通过一个相对应的光纤连接器(3)与光纤耦合模块(2)进行信息传输；
所述扫频光源模块(1)用于提供扫频光信号并发送至光纤耦合模块(2)；所述光纤耦合模块(2)用于将扫频光信号耦合成若干束扫频光信号并通过光纤连接器(3)传输至相对应的非对称锯齿形多芯光纤探测模块(4)，所述光纤耦合模块(2)耦合出的扫频光信号路数与非对称锯齿形多芯光纤探测模块(4)的数量一致；
所述非对称锯齿形多芯光纤探测模块(4)被固定于待测部位，用于探测相关部位的二维弯曲度信息并发送给探测解调模块(5)；
所述探测解调模块(5)用于解调非对称锯齿形多芯光纤探测模块(4)在探测过程中输出的光信号并发送给信号处理平台(6)；信号处理平台(6)用于对探测解调模块(5)输出的电信号进行采样和算法处理，并传输至上位机(7)；
所述非对称锯齿形多芯光纤探测模块(4)包括多芯光纤(8)，所述多芯光纤(8)的内部设置有至少两根纤芯，所有纤芯中，至少两根纤芯沿偏离中轴线分布，作为偏芯纤芯(82)，所述多芯光纤(8)的外壁与每个偏芯纤芯(82)相对应之处均设置有锯齿结构，且不同偏芯纤芯(82)对应的锯齿结构的锯齿深度不相同，锯齿结构所在之处为敏感区。
2.如权利要求1所述的一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，其特征在于：当所述光纤连接器(3)将光纤耦合模块(2)发送的若干光信号(14)传输至多芯光纤(8)时，若干光信号(14)先进入相应的纤芯内进行传输，当光信号传输至锯齿结构时，部分所述光信号(14)通过锯齿结构泄露至多芯光纤(8)外部，另一部分信号作为透射光信号从相对应的芯纤继续传递至探测解调模块(5)。
3.如权利要求1所述的一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，其特征在于：所述多芯光纤(8)为三根纤芯，其包括第一纤芯(11)、第二纤芯(12)和第三纤芯(13)，第一纤芯(11)对应第一锯齿区(9)，第二纤芯(12)对应第二锯齿区(10)，第一纤芯(11)、第二纤芯(12)作为偏芯纤芯(82)，第三纤芯12)作为中心纤芯(81)。
4.如权利要求3所述的一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，其特征在于：所述光纤连接器(3)将光纤耦合模块(2)发送的三束光信号(14)传输至多芯光纤(8)时，三束光信号(14)先进入相应的纤芯内进行传输，当光信号(14)传输至第一锯齿区(9)、第二锯齿区(10)时，部分光信号(14)经过第一锯齿区(9)、第二锯齿区(10)泄漏，即第一泄漏光信号(15)、第二泄漏光信号(16)，另一部分光信号即透射光继续从相应的芯纤继续传递：第一透射光(17)、第二透射光(18)和第三透射光(19)，最终传递至探测解调模块(5)。
5.如权利要求4所述的一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，其特征在于：所述信号处理平台(6)包括若干信号处理单元，每个信号处理单元均与一非对称锯齿形多芯光纤传感模块(4)相对应，用于采集透射光，信号处理单元包括主处理器，数据存储模块，协处理器、电源模块、n路光电模块和n路AD采集模块，光电模块通过相对应的AD采集模块将光电信号传输至主处理器，数据存储模块、协处理器均与主处理器连接并进行信息交互，主处理器通过总线与上位机进行通讯，电源模块用于为信号处理单元提供电源；
主处理器用于对第一透射光(17)、第二透射光(18)和第三透射光(19)进行预处理，同时，还作为高速接口协调数字信号处理单元内部的信号传输，协处理器将经过主处理器预处理的数字信号进行编码处理，数据存储模块用于存储主处理器和协处理器在工作过程中需要暂存的数据，通过总线将最终处理的数据传输至上位机(17)。
6.如权利要求5所述的一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，其特征在于：主处理器和协处理器之间的数据交换方法如下：
a、主处理器从AD采集模块获取透射光信号，作为第一包数字信号，将第一包数字信号进行滤波预处理后存放在数据存储模块；
b、协处理器将存放在数据存储模块的第一包数据取出，进行相关分类算法处理，同时主处理器从AD采集单元获取第二包数字信号，经过滤波预处理后存放在数据存储模块；
c、协处理器将处理好的第一包数据传输给主处理器后，从数据存储模块读取暂存的第二包数据；
e、主处理器将协处理器传输的第一包数据进行基于空间域的分类识别算法模型处理，完毕后通过总线传输给上位机；
同时，协处理器将第二包数据进行编码处理后传输给主处理器，主处理器通过总线传输给上位机。
7.如权利要求1所述的一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，其特征在于：每个所述光纤连接器(3)与光纤耦合模块(2)之间均设置有隔离器(20)。
8.如权利要求1所述的一种基于非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量装置，其特征在于：
未发生弯曲的所述多芯光纤(8)中传播的总光功率P的计算方法如下：
当入射光与法线方向呈θ0角度时，光强度为I(θ0)，照射在微单元角度dΩ内的辐射光功率dP按公式一计算：
dP＝I(θ0)dΩdS……公式一
其中，dS为入射光的微单元；
入射光的光强分布按公式二计算：
I(θ0)＝I0cosθ0……公式二
三芯光纤内单根纤芯内光功率dP按公式三计算：
Figure FDA0002784550420000041
公式三中，αa为纤芯的数量级数；
公式三在相应的范围内求积分可以得到未弯曲光纤中传播的总光功率P：
Figure FDA0002784550420000042
9.一种基于权利要求1至8中任一项所述非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将非对称锯齿形多芯光纤传感模块(4)固定在待测关节之处，关节进行一个周期的屈伸运动，对非对称锯齿形多芯光纤传感模块(4)的二维弯曲度的探测值进行校准标定；
S2、被测试关节连续屈伸，经过非对称锯齿形多芯光纤传感模块4的光信号通过探测解调模块(5)传递至信号处理模块(6)进行处理；
S3、信号处理模块(6)对所获取的光信号进行强度解调，将获取的数据进行分类和识别，提取特征参数后，将特征参数存入数据库，对所采集到的相应数据进行滤波去噪处理和算法分析，最终对关节弯曲特征进行识别。
10.如权利要求9所述的非对称锯齿形多芯光纤传感的关节弯曲测量方法，其特征在于：步骤S1中对非对称锯齿形多芯光纤传感模块的二维弯曲度的探测值进行标定具体包括以下步骤：
利用方向弯曲检测装置测试出非对称锯齿形多芯光纤传感器内部透射光信号强度和方向弯曲度的对应关系：分别探测弯曲方向为0°、90°和180°下，曲率0m-1、0.5m-1、1m-1、1.5m-1、2m-1、2.5m-1、3m-1、3.5m-1、4m-1、4.5m-1、5m-1下透射光信号强度值；
根据不同弯曲方向和曲率下相对应的透射光信号强度值，按公式y1＝a1×x1+a2×x2+b1，计算出系数a1、a2、b1值，建立透射光信号强度值-弯曲方向曲率方程。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113670377A (zh) * 2021-08-05 2021-11-19 丁磊 基于级联保偏光纤复合传感器的多参量检测装置和方法
CN114129389A (zh) * 2021-12-03 2022-03-04 山西工程职业学院 膝关节骨关节炎步态监视装置及分析方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5321257A (en) * 1991-07-31 1994-06-14 Danisch Lee A Fiber optic bending and positioning sensor including a light emission surface formed on a portion of a light guide
CA2311966A1 (en) * 1999-06-23 2000-12-23 Stavros Dariotis Optical fiber mach-zehnder interferometer employing miniature bends
CN102455191A (zh) * 2010-11-01 2012-05-16 西安金和光学科技有限公司 基于光纤弯曲形变的光纤传感装置
CN102538702A (zh) * 2011-12-16 2012-07-04 上海交通大学 侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器
CN106913342A (zh) * 2017-03-30 2017-07-04 武汉纺织大学 一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统和方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5321257A (en) * 1991-07-31 1994-06-14 Danisch Lee A Fiber optic bending and positioning sensor including a light emission surface formed on a portion of a light guide
CA2311966A1 (en) * 1999-06-23 2000-12-23 Stavros Dariotis Optical fiber mach-zehnder interferometer employing miniature bends
CN102455191A (zh) * 2010-11-01 2012-05-16 西安金和光学科技有限公司 基于光纤弯曲形变的光纤传感装置
CN102538702A (zh) * 2011-12-16 2012-07-04 上海交通大学 侧掺杂弯曲增敏型光纤曲率传感器
CN106913342A (zh) * 2017-03-30 2017-07-04 武汉纺织大学 一种基于光纤光栅和压力传感器的步态测试系统和方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUANG BO, SHU XUEWEN: "Highly sensitive torsion sensor with femtosecond laser-induced low birefringence single-mode fiber based Sagnac interferometer", 《OPTICS EXPRESS》, 13 February 2019 (2019-02-13) *
丁磊: "基于扫频光学相干层析成像的光纤复合探测技术研究", 《中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑》, 15 July 2019 (2019-07-15) *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113670377A (zh) * 2021-08-05 2021-11-19 丁磊 基于级联保偏光纤复合传感器的多参量检测装置和方法
CN114129389A (zh) * 2021-12-03 2022-03-04 山西工程职业学院 膝关节骨关节炎步态监视装置及分析方法
CN114129389B (zh) * 2021-12-03 2023-08-29 山西工程职业学院 膝关节骨关节炎步态监视装置及分析方法

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