CN220018591U - 一种新型光学智能皮肤 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种新型光学智能皮肤，属于触觉和温度双参数传感技术领域，包括从左至右依次设置的光学薄膜（1）、若干感应单元和A/D转换器（11），所述光学薄膜（1）与感应单元按照设定距离间隔设置，所述感应单元包括大芯径光纤（2）、阵列LED（3）、发射光纤（4）、接收光纤（5）和光纤接收模块（6）；所述大芯径光纤（2）的左端与光学薄膜（1）间隔设置，大芯径光纤（2）的右端与发射光纤（4）和接收光纤（5）的左端连接；所述发射光纤（4）与阵列LED（3）连接，所述接收光纤（5）与光纤接收模块（6）连接；所述光纤接收模块（6）与A/D转换器（11）连接；本装置可精确传感微小形变，集成性强，可靠性高。

Description

一种新型光学智能皮肤

技术领域

本实用新型属于触觉和温度双参数传感技术领域，具体涉及一种新型光学智能皮肤。

背景技术

随着用于人机交互智能系统的快速发展和应用，人们的生活质量得到了提高。在智能系统的正常工作中，触觉传感器是重要且复杂的传感器，也是整个系统的重中之重。近些年来，许多研究者都在对触觉传感器的压力感知功能进行研究，也在尝试利用各种传感原理来开发出结构小、灵敏度高、稳定性好、价格低的触觉传感器。

目前有许多关于电类传感器的研究，但它们本身存在一些明显的缺陷，如易受电磁干扰、线路连接较繁琐和零点漂移等，而且在辐射、高低温等恶劣环境中，传统的电传感器往往难以正常工作。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供一种新型光学智能皮肤，可精确传感微小形变，集成性强，可靠性高。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种新型光学智能皮肤，包括从左至右依次设置的光学薄膜、若干感应单元和A/D转换器，所述光学薄膜与感应单元按照设定距离间隔设置，所述感应单元与A/D转换器电性连接，所述A/D转换器与单片机电性连接；所述感应单元包括大芯径光纤、阵列LED、发射光纤、接收光纤和光纤接收模块；所述大芯径光纤的左端与光学薄膜间隔设置，大芯径光纤的右端与发射光纤和接收光纤的左端连接；所述发射光纤与阵列LED连接，所述接收光纤与光纤接收模块连接；所述光纤接收模块与A/D转换器连接。

作为优选，所述感应单元还包括依次连接的石英光纤、滤波器、红外热成像处理器和温度接收模块，所述温度接收模块与A/D转换器连接。

作为优选，所述发射光纤、接收光纤和石英光纤与大芯径光纤同轴；所述发射光纤、接收光纤和石英光纤的左端拼接在大芯径光纤的右端。

作为优选，所述光纤接收模块包括光电二极管Q、第二运算放大器AR和第三运算放大器AR，光电二极管Q与第二运算放大器AR的输入端连接，第二运算放大器AR的输出端和第三运算放大器AR的输入端连接。

作为优选，所述光学薄膜包括pvc软玻璃层和镜面反光膜，所述镜面反光膜镀在pvc软玻璃层的右端面上。

作为优选，所述大芯径光纤的轴垂直于光学薄膜，所述大芯径光纤左端与光学薄膜的设定距离为5mm～10mm。

作为优选，所述若干感应单元呈矩形阵列分布在光学薄膜的右侧。

作为优选，所述A/D转换器为每个感应单元设有独立的输入端口，每个感应单元与独立的输入端口连接。

作为优选，所述A/D转换器的还连接有单片机。

作为优选，所述阵列LED、光纤接收模块、滤波器、红外热成像处理器和温度接收模块、A/D转换器和单片机都集成在一块电路板上。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型提供的新型光学智能皮肤，采用反射式光纤和光纤收发模块构成感应单元，阵列LED发射的光信号经光纤传输后达到光学薄膜，光信号经光学薄膜反射后又经接收光纤传输给光纤收发模块，一旦光学薄膜发生形变，从发射到接收的光路长度发生变化，可根据接收的光信号强度分析得到光学薄膜的形变情况，并使用石英光纤将外界温度信号通过滤波器、红外热成像处理器传递给温度接收模块进行处理分析温度变化情况，从而实现对光学薄膜微小形变及温度的精确传感。

2、感应单元采用发射、接收光纤为主体，光纤传感器体积较小，且光学薄膜、发射、接收和石英光纤属于无源传感器（不包括本装置的信号发射和处理单元，阵列LED和光接收模块等）不需要使用外部电源，因此该智能皮肤具有更好的可集成性；

3、采用光信号进行传感，通过光纤传输光信号，集传感与传输于一体，不易受电磁波的干扰，最大程度的提高了智能皮肤的实用性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中光学薄膜的结构示意图；

图3是本实用新型中大芯径光纤的阵列分布示意图；

图4是本实用新型阵列LED的电路结构图；

图5是本实用新型阵列光纤接收模块的电路结构图；

图6是本实用新型测距模块工作过程中的光信号流向图。

图中标记名称：

1、光学薄膜，2、大芯径光纤，3、阵列LED ，4、发射光纤，5、接收光纤，6、光纤接收模块，7、石英光纤，8、滤波器，9、红外热成像处理器，10、温度接收模块，11、A/D转换器，12、单片机模块，13、上位机模块，14、pvc软玻璃层，15、镜面反光膜。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述。

需要注意的是，实用新型中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1所示，本实用新型提供一种新型光学智能皮肤，包括从左至右依次设置的光学薄膜1、若干感应单元和A/D转换器11，所述光学薄膜1与感应单元按照设定距离5mm～20mm间隔设置，在该距离范围内，输出电信号与光学薄膜1形变大小保持较好的线性关系，便于后续数据处理；可以将若干感应单元安装在固定壳内，固定壳上设有柔性支撑柱，通过柔性轴承柱连接光学薄膜1，从而实现光学薄膜1和感应单元的间隔设置；

感应单元设有N组，A/D转换器11具有至少N个输入端口，N个感应单元与A/D转换器11的N个输入端口一一对应连接，其中，N表示大于等于1的整数（具体数值根据实际需要设置）；通过N组感应单元来传感光学薄膜1的形变，检测精度高，可检测出光学薄膜的微小形变；

所述感应单元包括大芯径光纤2，大芯径光纤2的右端连接有测距模块和测温模块，所述测距模块包括阵列LED3、发射光纤4、接收光纤5和光纤接收模块6；所述大芯径光纤2的左端与光学薄膜1间隔设置，大芯径光纤2的右端与发射光纤4和接收光纤5的左端拼接；所述发射光纤4与阵列LED3连接，所述接收光纤5与光纤接收模块6连接；通过这些装置实现光学薄膜1形变的感知（也就是光学薄膜1与大芯径光纤2左端面距离的变化）；所述光纤接收模块6与A/D转换器11的输入端口连接；

所述测温模块包括依次连接的石英光纤7、滤波器8、红外热成像处理器9和温度接收模块10，滤波器8、红外热成像处理器9和温度接收模块10彼此之间通过无线通讯装置彼此传递信息，比如通过wizfi360传输数据信息；通过这些装置实现温度的感知，所述石英光纤7的左端也拼接在大芯径光纤2的右端，所述温度接收模块10与A/D转换器11连接。

所述A/D转换器11的输出端口与单片机12连接，单片机12用于将A/D转换器11发送的数字信号进行处理，单片机12分析得到光学薄膜1的形变情况。本具体实施例中，单片机为意法半导体有限公司生产的STM32F0单片机。

如图2所示，光学薄膜1包括pvc软玻璃层14，pvc软玻璃层14右端面镀有镜面反光膜15，所述镜面反光膜15正对着大芯径光纤2的左端面；pvc软玻璃层14起到支撑作用，且具有一定的柔软性，用于模拟皮肤，在外力作用下产生形变便于检测；镜面反光膜15用于反射大芯径光纤2传输的光信号（通过发射光纤4传输的光信号），从而再被大芯径光纤2传输至（通过接收光纤5传输）光纤接收模块6，用于传感光学薄膜的形变情况。

如图3所示，大芯径光纤2采用多芯缆光纤，为现有产品，其结构包括一根发射光纤4、一根接收光纤5和一根石英光纤7，发射光纤4用于发送光信号；接收光纤5用于接收光信号；石英光纤7用于接收红外热成像信号；本实用新型具体实施例中，采用的多芯缆光纤为南京春辉科技实业有限公司生产的CCS1500P-T-2K-1多芯缆光纤；

大芯径光纤2在光学薄膜1的右侧呈矩形阵列分布（也可以采用其他分布方式），用于将阵列LED3发出的光信号传输至光学薄膜1，再将光学薄膜1反射的光信号传输给光纤接收模块6。

如图4所示阵列LED3包括第一运算放大器AR1和激光二极管D1，第一运算放大器AR1的输出端通过三极管Q1与激光二极管D1连接；所述阵列LED3用于发射光信号，并可为所有发射光纤提供光信号。

如图5所示，光纤接收模块6包括光电二极管Q2、第二运算放大器AR2和第三运算放大器AR3，光电二极管Q2与第二运算放大器AR2的输入端连接，第二运算放大器AR2的输出端和第三运算放大器AR3的输入端连接；光纤接收模块6用于接收光信号，光纤接收模块6也采用现有产品。

A/D转换器11用于将光纤收发模块6和温度接收模块10发送的模拟信号转换为数字信号，便于分析处理；A/D转换器11也为现有产品。本具体实施例中，A/D转换器中的转换芯片为美国德州仪器公司生产的型号为ADS1263芯片。

如图6所示，本实施例的测距模块工作时的光信号流向为：阵列LED3发射的光信号经反射式光纤4传输后达到光学薄膜1，光信号经光学薄膜1反射后又经反射式光纤5传输给光纤接收模块6，一旦光学薄膜1发生形变，从发射到接收的光路长度发生变化，可根据接收的光信号强度分析得到光学薄膜1的形变情况，实现对光学薄膜微小形变的精确传感。

作为优选例，所述发射光纤4、接收光纤5和石英光纤7与大芯径光纤2同轴，大芯径光纤2的轴线垂直于光学薄膜1与大芯径光纤2相对的一面，可以最大限度的接收反射回的光信号，当光学薄膜发生形变后，光线的反射角度依旧可以满足光纤的数值孔径。

作为优选例，阵列LED3、光纤接收模块6、滤波器8、红外热成像处理器9和温度接收模块10，以及A/D转换器11和单片机12集成在同一个PCB板上，提高整个智能皮肤的集成度，减小整个装置体积。

作为优选例，单片机12还可以连接上位机13（显示器），便于观察结果。

本实用新型提供的一种新型光学智能皮肤的工作原理如下：

N个光纤接收模块6分别与N条接收光纤5连接，光信号可在接收光纤5内传输，并从发射光纤4发出，进而从大芯径光纤2发出，大芯径光纤2的轴线与光学薄膜1保持垂直，光信号经过光学薄膜1反射后返回大芯径光纤2，进入接收光纤5和石英光纤7；

当光学薄膜1 发生形变，从发射到接收的光路长度发生变化，接收到的光信号强度随之发生变化，可得到N组不同的光信号；N个光纤接收模块6各有一个光信号检测器件，分别与N条接收光纤5连接，可接收传来的N组不同的光信号；同时N个测温模块也可以得到N组不同的光信号，由此构成了完整的感应单元；

光纤接收模块6将光信号转化为电信号，在经过放大电路和跟随电路，得到便于处理的电信号；

光纤接收模块6和温度接收模块10将经过处理的信号传输给A/D转换器11进行模数转换，单片机12将N组信号进行处理，由此检测出光学薄膜的形变和温度情况。

如果需要更直观的展示，还可以将单片机12与上位机13连接，通过上位机13更直观的展示光学薄膜的形变和温度情况。

本实用新型以反射式光纤为主体，体积较小，且光学薄膜和光纤不需要使用外部电源，具有较好的可集成性；而且，采用光信号进行传感，通过光纤传输光信号，集传感与传输于一体，不易受电磁波的干扰，最大程度的提高了智能皮肤的实用性和可靠性；

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种新型光学智能皮肤，包括从左至右依次设置的光学薄膜（1）、若干感应单元和A/D转换器（11），所述光学薄膜（1）与感应单元按照设定距离间隔设置，所述感应单元与A/D转换器（11）电性连接，所述A/D转换器（11）与单片机（12）电性连接，其特征在于：所述感应单元包括大芯径光纤（2）、阵列LED（3）、发射光纤（4）、接收光纤（5）和光纤接收模块（6）；所述大芯径光纤（2）的左端与光学薄膜（1）间隔设置，大芯径光纤（2）的右端与发射光纤（4）和接收光纤（5）的左端连接；所述发射光纤（4）与阵列LED（3）连接，所述接收光纤（5）与光纤接收模块（6）连接；所述光纤接收模块（6）与A/D转换器（11）连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型光学智能皮肤，其特征在于：所述感应单元还包括依次连接的石英光纤（7）、滤波器（8）、红外热成像处理器（9）和温度接收模块（10），所述温度接收模块（10）与A/D转换器（11）连接。

3.根据权利要求2所述的一种新型光学智能皮肤，其特征在于：所述发射光纤（4）、接收光纤（5）和石英光纤（7）与大芯径光纤（2）同轴；所述发射光纤（4）、接收光纤（5）和石英光纤（7）的左端拼接在大芯径光纤（2）的右端。

4.根据权利要求1所述的一种新型光学智能皮肤，其特征在于：所述光纤接收模块（6）包括光电二极管Q2、第二运算放大器AR2和第三运算放大器AR3，光电二极管Q2与第二运算放大器AR2的输入端连接，第二运算放大器AR2的输出端和第三运算放大器AR3的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型光学智能皮肤，其特征在于，所述光学薄膜（1）包括pvc软玻璃层（14）和镜面反光膜（15），所述镜面反光膜（15）镀在pvc软玻璃层（14）的右端面上。

6.根据权利要求1所述的一种新型光学智能皮肤，其特征在于：所述大芯径光纤（2）的轴垂直于光学薄膜（1），所述大芯径光纤（2）左端与光学薄膜（1）的设定距离为5mm～20mm。

7.根据权利要求1所述的一种新型光学智能皮肤，其特征在于：所述若干感应单元呈矩形阵列分布在光学薄膜（1）的右侧。

8.根据权利要求1所述的一种新型光学智能皮肤，其特征在于：所述A/D转换器（11）为每个感应单元设有独立的输入端口，每个感应单元与独立的输入端口连接。

9.根据权利要求2所述的一种新型光学智能皮肤，其特征在于：所述阵列LED（3）、光纤接收模块（6）、滤波器（8）、红外热成像处理器（9）和温度接收模块（10）、A/D转换器（11）和单片机（12）都集成在一块电路板上。