CN112683429A - 一种光纤光栅仿生电子皮肤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅仿生电子皮肤，其包括传感器层和设置在传感器层两侧的柔性材料层；所述传感器层包括封装材料层和埋设于封装材料层中的第一光纤光栅层和第二光纤光栅层；所述第一光纤光栅层和第二光纤光栅层由若干根等间距布置的光纤光栅级联串组成，第一光纤光栅层和第二光纤光栅层平行，第一光纤光栅层中的光纤光栅级联串和第二光纤光栅层中的光纤光栅级联串不平行；每根光纤光栅级联串由若干个光纤光栅串联构成。本发明光纤光栅仿生电子皮肤，其传感器层具有良好的柔性，适于构建大面积高分辨率的柔性传感阵列网络，并具有灵敏度高，抗干扰能力强等优点，适于在有强电磁干扰的环境工作，能准确的感知按压位置、按压力大小及滑触方向。
Description
技术领域
本发明涉及电子皮肤技术领域和光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅仿生电子皮肤。
背景技术
电子皮肤是一类模拟皮肤优良性能、增强人机交互、协助人工智能感知世界以及对皮肤损伤进行修复的新型电子器件。随着柔性电子的发展，电子皮肤结构的研究吸引着越来越多的目光。
触觉、滑觉和热觉作为电子皮肤的重要感知参量，目前电子皮肤传感一般采用压电式、电容式、微机电系统等刚性传感元件封装于如聚偏二氟乙烯等柔性材料基体中，这种以刚性传感元件为核心部件的电学类触滑热觉传感器柔韧性较差，同时由于传感元件为点阵式检测方式，检测的空间分辨率受限，因此较难构建大面积高分辨率的柔性传感阵列网络。此外，基于电学原理的传感器还存在电磁干扰、信号串扰等问题，难以适应有强电磁干扰的工作环境。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种光纤光栅仿生电子皮肤，以解决现有采用压电式、电容式、微机电系统等刚性传感元件封装于如聚偏二氟乙烯等柔性材料基体中的电子皮肤存在柔韧性差、较难构建大面积高分辨率的柔性传感阵列网络以及难以适应有强电磁干扰的工作环境等技术问题。
本发明光纤光栅仿生电子皮肤，包括传感器层和设置在传感器层两侧的柔性材料层；所述传感器层包括封装材料层和埋设于封装材料层中的第一光纤光栅层和第二光纤光栅层；所述第一光纤光栅层由若干根等间距布置的光纤光栅级联串组成，第二光纤光栅层也由若干根等间距布置的光纤光栅级联串组成，第一光纤光栅层和第二光纤光栅层平行，第一光纤光栅层中的光纤光栅级联串和第二光纤光栅层中的光纤光栅级联串不平行；每根光纤光栅级联串由若干个光纤光栅串联构成。
进一步，所述光纤光栅级联串的外表面上设置有与封装材料层连接的胶结剂层。
进一步，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。
进一步，所述第一光纤光栅层和第二光纤光栅层之间的距离小于光纤光栅中光栅段长度的三倍且大于或等于光纤光栅中光栅段长度的一半。
进一步，各相互平行的相邻光纤光栅级联串间的距离小于光纤光栅中光栅段长度的三倍且大于或等于光纤光栅中光栅段长度的一半。
本发明的有益效果：
本发明光纤光栅仿生电子皮肤，其传感器层具有良好的柔性，适于构建大面积高分辨率的柔性传感阵列网络，并具有灵敏度高，抗干扰能力强等优点，适于在有强电磁干扰的环境工作，能准确的感知按压位置、按压力大小及滑触方向。
附图说明
图1为本实施例中光纤光栅仿生电子皮肤的结构示意图；
图2为第一光纤光栅层和第二光纤光栅层的俯视示意图；
图3为光纤光栅级联串的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图所示，本实施例本发明光纤光栅仿生电子皮肤，包括传感器层和设置在传感器层两侧的柔性材料层1；所述传感器层包括封装材料层2和埋设于封装材料层中的第一光纤光栅层3和第二光纤光栅层4；所述第一光纤光栅层由若干根等间距布置的光纤光栅级联串5组成，第二光纤光栅层也由若干根等间距布置的光纤光栅级联串组成，第一光纤光栅层和第二光纤光栅层平行，第一光纤光栅层中的光纤光栅级联串和第二光纤光栅层中的光纤光栅级联串不平行，每根光纤光栅级联串由若干个光纤光栅6串联构成。本实施例中，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅的，当然在不同实施例中还可选择其它形式的光纤光栅。
本实施例中所述的柔性材料层由PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)制成，当然在不同实施例中还可由其它材料制成，如还可以是可拉伸的有机聚合物材料。柔性材料层可以透明或不透。在具体实施中，可以将传感器层置于模具中，将柔性材料充入模具中的传感器层两侧，固化后即得本电子皮肤。
本实施例中，所述第一光纤光栅层中的光纤光栅级联串投影到第二光纤光栅层的正投影垂直于第二光纤光栅层中的光纤光栅级联串，第一光纤光栅层中的光纤光栅级联串中的光纤光栅的投影与第二光纤光栅层中的光纤光栅级联串中的光纤光栅相交，本实施例中的相交角度为90°，当然在不同实施例中，相交角度还可为其它值。
作为对上述实施例的改进，所述光纤光栅级联串的外表面上设置有与封装材料层连接的胶结剂层7。胶结剂层可以提高光纤光栅级联串与封装材料层2的连接强度，提高电子皮肤的稳定性和灵敏度。
作为对上述实施例的改进，所述第一光纤光栅层和第二光纤光栅层之间的距离小于光纤光栅中光栅段长度的三倍且大于或等于光纤光栅中光栅段长度的一半；各相互平行的相邻光纤光栅级联串间的距离小于光纤光栅中光栅段长度的三倍且大于或等于光纤光栅中光栅段长度的一半。本改进使得仿生电子皮肤的分辨率高。
本实施例中仿生电子皮肤的工作原理为：入射光从各光纤光栅级联串的一段射入，当力作用在仿生电子皮肤上时，每根光栅的波长都会发生变化，通过光纤光栅解调仪进行解调，将数据传送到上位机利用算法将力的信息表达出来。
仿生电子皮肤受压位置周围的光栅都会有不同程度的波长变化，越靠近按压点，波长变化越大，周围逐渐减少，找到由于第一光纤光栅层和第二光纤光栅层中波长变化最显著的两根光纤光栅级联串，这两根光纤光栅级联串的交汇点即是受压部位。
本实施例中光纤光栅仿生电子皮肤，其传感器层具有良好的柔性，适于构建大面积高分辨率的柔性传感阵列网络，并具有灵敏度高，抗干扰能力强等优点，适于在有强电磁干扰的环境工作，能准确的感知按压位置、按压力大小及滑触方向。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种光纤光栅仿生电子皮肤，其特征在于：包括传感器层和设置在传感器层两侧的柔性材料层；所述传感器层包括封装材料层和埋设于封装材料层中的第一光纤光栅层和第二光纤光栅层；所述第一光纤光栅层由若干根等间距布置的光纤光栅级联串组成，第二光纤光栅层也由若干根等间距布置的光纤光栅级联串组成，第一光纤光栅层和第二光纤光栅层平行，第一光纤光栅层中的光纤光栅级联串和第二光纤光栅层中的光纤光栅级联串不平行；每根光纤光栅级联串由若干个光纤光栅串联构成。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅仿生电子皮肤，其特征在于：所述光纤光栅级联串的外表面上设置有与封装材料层连接的胶结剂层。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅仿生电子皮肤，其特征在于：所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅仿生电子皮肤，其特征在于：所述第一光纤光栅层和第二光纤光栅层之间的距离小于光纤光栅中光栅段长度的三倍且大于或等于光纤光栅中光栅段长度的一半。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅仿生电子皮肤，其特征在于：各相互平行的相邻光纤光栅级联串间的距离小于光纤光栅中光栅段长度的三倍且大于或等于光纤光栅中光栅段长度的一半。
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