CN115420208B - 一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器。包括一根打有一个结的聚合物光纤、一个弹性拨片、一个固定块和一个底座；弹性拨片的一端和聚合物光纤被固定块固定在底座上，聚合物光纤上绕制形成一个光纤扭结区域作为聚合物光纤结，聚合物光纤结以光纤扭结处作为压力敏感点，聚合物光纤结在压力敏感点处顶住弹性拨片被固定的一端表面。本发明具有体积小巧、制作简易、成本低廉、抗电磁干扰、耐腐蚀的特点。

Description

一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器

技术领域

本发明涉及了一种纹理传感器，尤其是涉及一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器。

背景技术

纹理是在接触凹凸表面时产生的一系列感觉。物理特征体现为物体的表面几何状态，包括物体的粗糙度、柔顺度和粘滞性等。根据表面平行方向上纹理间距的不同分为表面粗糙度和表面波纹度，根据纹理方向上的不同分为纹理间距和纹理高度。纹理高度衡量的是纹理表面中波峰和波谷之间的高度差，纹理间距衡量的是纹理表面两个波峰或者波谷之间的距离，即线性纹路之间的周期性间距。

目前的纹理传感器受限于对微弱力的探测灵敏度、对振动的传感能力、微纳加工的难度等因素尚未得到广泛使用，但在纺织业、汽车制造业、机器人等行业或研究领域中具有重要价值，主要用于评估材料表面的舒适程度或对材料进行识别。因此，需研发简单易用、成本低廉的纹理传感器。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器，本发明具有体积小巧、制作简易、成本低廉、抗电磁干扰、耐腐蚀的特点。

本发明的技术方案是：

一、一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器：

纹理传感器包括一根打有一个结的聚合物光纤、一个弹性拨片、一个固定块和一个底座；弹性拨片的一端和聚合物光纤被固定块固定在底座上，聚合物光纤上绕制形成一个光纤扭结区域作为聚合物光纤结，聚合物光纤结以光纤扭结处作为压力敏感点，聚合物光纤结在压力敏感点处顶住弹性拨片被固定的一端表面。

光纤结的两根尾纤穿过固定块中的孔洞向外伸出，使光从光纤一端入射后从另一端出射。孔洞直径与光纤直径相同或略大。光纤结通过这些孔洞与固定块固定。固定块通过两颗螺丝被压紧在底座上。

所述的底座通过螺钉固定在沿纹理表面移动的移动件上。

所述的弹性拨片的另一端用于接触被测样品的纹理表面，且在移动件驱动下沿纹理表面的周期方向移动。

所述弹性拨片的材料是聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）的硬质塑料。

所述的聚合物光纤结的压力敏感点顶接于弹性拨片沿纹理表面移动时的下游侧表面。

二、一种纹理传感器的纹理检测方法，方法包括：

第一步：

将聚合物光纤的一端与发光二极管相连，另一端与光电二极管相连；实时通过数据采集板给发光二极管提供电流使发光二极管发光，发光二极管发出的光经聚合物光纤传导到光电二极管被接收，实施测量光电二极管接收的光电流并转化为电压V；

第二步：

将纹理传感器整体固定在水平和竖直移动的电动位移台上，使弹性拨片垂直于被测样品的纹理表面，将被测样品固定在纹理传感器下方；

第三步：

通过电动位移台驱动下移纹理传感器，使弹性拨片与被测样品的纹理表面接触并弯曲形成弯曲的弹性拨片，再通过匀速水平移动纹理传感器，使弹性拨片沿被测样品的纹理表面以移动速度v移动一段距离；

第四步：移动过程中不断采集光电二极管获得的电压V，进而获得移动一段距离过程中的电压信号，对电压信号进行快速傅里叶变换FFT得到频率f以及对应的幅值A；从频率f = 0 Hz开始向频率f增大的方向找到幅值A为最大值Amax时的频率作为峰值频率f0，根据以下公式计算被测样品的纹理表面上的线性纹路之间的周期性间距λ = v / f0。

本发明巧妙利用聚合物光纤结和弹性拨片对纹理表面设计了特殊结构进行纹理间距检测，简单而有效，体积小巧，且能够抗电磁干扰、耐腐蚀。

本发明中的纹理传感器测量纹理间距，也称空间频率。

本发明的核心传感元件由聚合物光纤打结制成，光纤扭结区域为压力敏感点，压力敏感点顶住弹性拨片，弹性拨片在纹理表面移动时发生周期性弯曲，压迫光纤结并刺激压力敏感点产生电压信号，将移动速度除以电压信号的振动频率等于线性纹路之间的周期性间距。

聚合物光纤是一种常见的光纤，由聚甲基丙烯酸甲酯等材料制成。当聚合物光纤打结后，在打结位置施加外力使弯曲半径发生改变，光纤透过率产生显著变化，导致光纤输出端的光强产生显著变化。本发明利用这一原理巧妙制作了纹理间距检测的传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)聚合物光纤为价格低廉的常见物品，因此本发明不需要购买或合成特殊的敏感材料，不需要特殊的化学合成或精密的微纳加工设备；

(2)纹理传感器的灵敏度可通过光纤材料、光纤直径、光纤结直径、拨片材料、厚度与高度等参数进行调整；

(3)基于光的原理使本发明可抵抗强电磁干扰，且耐受潮湿易腐蚀的环境。

附图说明

图1是本发明基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器的外观示意图；

图2是本发明的爆炸示意图；

图3是本发明中测量纹理间距前的准备状态实景图；

图4是本发明中测量纹理间距时的实景图；

图5是本发明中测量纹理间距时的传感振动信号示意图；

图6是本发明中测量纹理间距的快速傅里叶变换结果示意图。

图中：1—打有一个结的聚合物光纤，11—聚合物光纤结，2—弹性拨片，21—弯曲的弹性拨片，3—固定块，4—底座，5—小螺钉，6—被测样品，7—大螺钉，8—移动件，9—振动的传感信号，10—传感信号的快速傅里叶变换结果，101—快速傅里叶变换结果中的峰值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，主体结构包括一根打有一个结的聚合物光纤1、一个弹性拨片2、一个固定块3和一个底座4；弹性拨片2的一端和聚合物光纤1被固定块3固定在底座4上，聚合物光纤1上绕制形成一个光纤扭结区域作为聚合物光纤结11，聚合物光纤结11以光纤扭结处或者光纤交叠处作为压力敏感点，聚合物光纤结11在压力敏感点处顶住弹性拨片2被固定的一端表面，即靠近根部的位置。

弹性拨片2的材料可以是聚碳酸酯PC、聚丙烯PP、聚乙烯PE等硬质塑料。固定块3、底座4均为金属材质，如铝合金，也可以是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS等3D打印常用非金属材料。

聚合物光纤1打有一个环形的结11。在结11的顶部是光纤扭结的区域，为压力敏感点。

聚合物光纤1的两根尾纤穿过固定块3上的两个孔洞，并被粘合剂与孔洞壁面固定。孔洞的直径为270微米，略大于光纤直径250微米。固定块3通过两颗小螺钉5被压紧在底座4上。

本发明中，光纤结的直径指光纤结内圈的直径。光纤结外圈的直径与内圈的直径相差两倍光纤直径，即500微米。光纤结的直径不得小于2毫米，否则光纤结将产生严重的塑性形变，失去压力敏感性。

如图3所示，底座4通过大螺钉7固定在沿纹理表面移动的移动件8上，弹性拨片2的另一端用于接触被测样品6的纹理表面，且在移动件8驱动下沿纹理表面的周期方向移动，弹性拨片2的材料是聚碳酸酯PC、聚丙烯PP、聚乙烯PE等的硬质塑料。

螺钉7用来固定底座4和移动件8，螺钉5是用来把固定块3和弹性拨片2固定在底座4上的。具体来说，见图1、图2，螺钉5顶住固定块3，固定块3顶住弹性拨片2，弹性拨片2被顶在底座4的凹槽壁面上，如果旋紧螺钉5，则固定块3和弹性拨片2都会被压紧，就不会从底座4上脱落。

聚合物光纤结11的压力敏感点顶接于弹性拨片2沿纹理表面移动时的下游侧表面。

如图3-图6所示，纹理传感器在检测纹理表面时，将弹性拨片2另一端沿纹理表面移动时发生周期性弯曲，压迫聚合物光纤结11并刺激压力敏感点，产生振动信号；然后从振动信号中获得振动频率，用弹性拨片2另一端沿纹理表面移动的移动速度除以振动频率获得纹理表面上的线性纹路之间的周期性间距。具体是在振动信号9的快速傅里叶变换结果10中找到峰值频率101，用移动速度除以此峰值频率101等于线性纹路之间的周期性间距，即纹理间距。

本发明通过调节光纤结所用材料的弹性系数、光纤结的直径、拨片的弹性系数、厚度与高度等方面进而调节控制传感器的灵敏度与量程。

具体实施的检测过程是：

第一步：

将聚合物光纤1的一端与发光二极管相连，另一端与光电二极管相连；实时通过数据采集板给发光二极管提供电流使发光二极管发光，发光二极管发出的光经聚合物光纤1传导到光电二极管被接收，实施测量光电二极管接收的光电流并转化为电压V；

聚合物光纤1的聚合物光纤结11形成通光的聚合物光纤结。

第二步：

如图3所示，将纹理传感器整体固定在水平和竖直移动的电动位移台上，使弹性拨片2垂直于被测样品6的纹理表面，将被测样品6固定在纹理传感器下方，使纹理表面的线性纹路与水平移动方向垂直；

第三步：

如图4所示，通过电动位移台驱动缓慢下移纹理传感器，使弹性拨片2与被测样品6的纹理表面接触并微微弯曲形成弯曲的弹性拨片21，再通过匀速水平移动纹理传感器，使弹性拨片2沿被测样品6的纹理表面以移动速度v移动划过一段距离；

若聚合物光纤结11位于弹性拨片2的左侧，则向右移动纹理传感器；反之，向左移动。

第四步：在测量纹理间距时，移动过程中不断采集光电二极管获得的电压V，进而获得移动一段距离过程中的电压信号9，如图5所示的传感信号9，对电压信号进行快速傅里叶变换FFT10得到频率f与幅值A，如图6所示的结果10；从频率f = 0 Hz开始(不包括频率f= 0 Hz)向频率f增大的方向找到幅值A为最大值Amax时的频率作为峰值频率f0101，根据以下公式计算被测样品6的纹理表面上的线性纹路之间的周期性间距λ = v / f0。

Claims (5)

1.一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器，其特征在于：

包括一根打有一个结的聚合物光纤（1）、一个弹性拨片（2）、一个固定块（3）和一个底座（4）；弹性拨片（2）的一端和聚合物光纤（1）被固定块（3）固定在底座（4）上，聚合物光纤（1）上绕制形成一个光纤扭结区域作为聚合物光纤结（11），聚合物光纤结（11）以光纤扭结处作为压力敏感点，聚合物光纤结（11）在压力敏感点处顶住弹性拨片（2）被固定的一端表面；

弹性拨片（2）垂直于被测样品（6）的纹理表面；

所述的弹性拨片（2）的另一端用于接触被测样品（6）的纹理表面，且在移动件（8）驱动下沿纹理表面的周期方向移动。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器，其特征在于：所述的底座（4）通过螺钉（7）固定在沿纹理表面移动的移动件（8）上。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器，其特征在于：所述弹性拨片（2）的材料是聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）的硬质塑料。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤结敏感结构与弹性拨片的纹理传感器，其特征在于：所述的聚合物光纤结（11）的压力敏感点顶接于弹性拨片（2）沿纹理表面移动时的下游侧表面。

5.应用于权利要求1-4任一所述纹理传感器的纹理检测方法，其特征在于：方法包括：

第一步：

将聚合物光纤（1）的一端与发光二极管相连，另一端与光电二极管相连；实时通过数据采集板给发光二极管提供电流使发光二极管发光，发光二极管发出的光经聚合物光纤（1）传导到光电二极管被接收，实施测量光电二极管接收的光电流并转化为电压V；

第二步：

将纹理传感器整体固定在水平和竖直移动的电动位移台上，使弹性拨片（2）垂直于被测样品（6）的纹理表面，将被测样品（6）固定在纹理传感器下方；

第三步：

通过电动位移台驱动下移纹理传感器，使弹性拨片（2）与被测样品（6）的纹理表面接触并弯曲形成弯曲的弹性拨片（21），再通过匀速水平移动纹理传感器，使弹性拨片（2）沿被测样品（6）的纹理表面以移动速度v移动一段距离；

第四步：移动过程中不断采集光电二极管获得的电压V，进而获得移动一段距离过程中的电压信号（9），对电压信号进行快速傅里叶变换FFT（10）得到频率f以及对应的幅值A；从频率f = 0 Hz开始向频率f增大的方向找到幅值A为最大值Amax时的频率作为峰值频率f0（11），根据以下公式计算被测样品（6）的纹理表面上的线性纹路之间的周期性间距λ = v /f0。

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