CN101982744B - 复合触觉传感器和传感器阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种能同时检测压力与温度的复合触觉传感器和传感器阵列，该复合触觉传感器的金属结构的桥式弹性梁(1)、第一光纤布拉格光栅(2)、第二光纤布拉格光栅(3)、第一单模光纤(4)和第二单模光纤(5)组成复合触觉传感单元(17)，第一光纤布拉格光栅(2)、第二光纤布拉格光栅(3)交叉设置在桥式弹性梁(1)的中间，第一光纤布拉格光栅(2)通过第一单模光纤(4)接第一光纤耦合器(6)，第二光纤布拉格光栅(3)通过第二单模光纤(5)接第三光纤耦合器(8)，第一光纤耦合器(6)、第三光纤耦合器(8)通过光纤耦合到第二光纤耦合器(7)。本发明分辨率高、重复性好、响应时间短，可以工作在潮湿、易燃、易爆和强电磁干扰等恶劣环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于虚拟现实技术和机器人技术领域的复合触觉传感器和传感器阵列，用于分布式测量作用于传感器或传感器阵列表面的压力和传感器表面的温度。本发明特别适用于检测易燃、易爆和强电磁干扰等恶劣环境下的触觉传感信息。
背景技术
近年来，虚拟现实技术和机器人技术的飞速发展，作为一种重要的人机接口方式，触觉传感技术成为国内外研究的热点。在虚拟现实技术中，触觉是用户和设计人员与虚拟环境中的物体交互、感知虚拟物体表面特性的最重要手段之一；在机器人领域，通过触觉传感器感知接触物的形状、表面粗糙度、抖动、抓取目标物时的夹持力、滑移和表面温度等信息。触觉主要包括力触觉和温度触觉，性能优越的触觉传感器是触觉感知技术的关键。
研究人员使用力敏感膜、单晶硅、多品硅、导电橡胶和光纤等材料设计出了压阻式、压电式、电容式、光电式、机械式、超声式、热电式和磁致弹性式等多种触觉传感器[郭天太，秦海霞，麻程健，林亚妮.应用于虚拟现实和机器人的触觉传感技术，机床与液压，2008，36(11)，30-32.]。
2002年3月25日，美国S·C·舒尔茨等人在中国申请了柔性电容式触觉传感器(专利申请号：02808165.X)，提供了一种柔性、电容式触觉传感器以及制造众多这种触觉传感器的方法，可以检测传感器接触面的作用力，主要优点是具备成本低、轻便和柔韧性等特点。2003年12月10日，丹麦P·格拉夫森等人在中国申请了触觉传感器元件和传感器阵列(申请专利号：200380105850.8)，由弹性体的两个弹性面和电极构成电容器，通过检测电容量的变化来检测传感器或阵列表面所受的作用力，具备灵敏度高、体积小、和成本低等优点。东南大学设计了压阻式16×16触觉敏感阵列，重庆大学开展了基干导电橡胶的触觉传感阵列的研究[王东升.基干导电橡胶的触觉传感阵列及其标定实验的研究，硕士学位论文，重庆大学光电工程学院，2009.]。以上触觉传感器都是电容式或压阻式的传感器，不能稳定的工作在易燃、易爆和强电磁干扰等恶劣环境下，并且只能检测接触面的作用力，不能检测接触物的温度。
2006年12月13日，韩国韩东均等人在中国申请了涉及一种背光装置的触觉传感器(专利申请号：200610166959.8)，由光源、导光板和电极等组成，通过检测触觉传感器在导光板上、下表面形成的电极图形来检测接触物的位置、大小和形状，不能检测接触物的作用力和温度。2005年3月3日，日本人馆暲等人在中国申请了光学式触觉传感器(专利号：200580000909.6)，理想是涉及在比较大的区域内求得力的施加方法所使用的触觉传感器，传感器具备触觉部和摄影设备，在物体接触弹性体的触觉面时通过摄影设备对该有色标志的动作进行摄影并取得标志图像，使用从该标志图像得到的关于标志动作的信息来求加在该触觉面上的力，检测手段复杂。2008年5月30日，日本堀本启一等人在中国申请了光学式传感器(申请专利号：200810098389.2)，传感器具有光源、传感部和反射面，反射面与光纤端面之间的相对距离随压力或温度等物理量的变化而变化，通过测量光强度的变化来检测压力或温度等物理量。以上三种光学式传感触觉传感器，都可工作在易燃、易爆和强电磁干扰的环境，但是都对光源有很高的要求，特别是要求光强稳定，光源强度的波动对力或温度等物理信号的检测有很大的影响，并且不能灵活的组建大规模的分布式测量网络。
所以，有必要设计出能长期工作在恶劣环境下的新型复合触觉传感器和传感器阵列，要求能够工作在易燃、易爆、强电磁干扰等领域，并且易构建分布式测量网络，能实现接触物的温度与压力同步传感。
光纤布拉格光栅具有体积小、重量轻、抗腐蚀、可集成、抗电磁干扰，并且通过光波长信号传感，能工作在易燃、易爆领域。多个光栅可以都写入到一根光纤上，光纤布拉格光栅能够实现传感信息波长编码，可利用多路复用技术对光栅编址，使FBG传感器具备分布式传感测量的能力。FBG对温度和应变同时敏感，当FBG的温度变化(无应变)时，FBG反射的布拉格中心波长与温度的变化有良好的线性关系；只有应变作用时(温度恒定)，FBG反射的布拉格中心波长与应变有良好的线性关系。所以，FBG是设计新型复合触觉传感器和传感器阵列的优选敏感元件，这种传感器和传感器阵列能长期工作在易燃、易爆、潮湿和强电磁干扰等恶劣环境下，并且易构建分布式传感网络，能实现接触物的温度与压力同步传感。
发明内容
技术问题：本发明是针对现有技术的不足，基于光纤布拉格光栅(FBG，FiberBragg Grating)，设计出能长期稳定工作在恶劣环境下、易构建分布式传感网络的新型复合触觉传感器和传感器阵列。
技术方案：本发明的一种能同时检测压力与温度的复合触觉传感器包括金属结构的桥式弹性梁、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第一单模光纤、第二单模光纤、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器；其中，金属结构的桥式弹性梁、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第一单模光纤和第二单模光纤组成复合触觉传感单元，第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅交叉设置在桥式弹性梁的中间，第一光纤布拉格光栅通过第一单模光纤接第一光纤耦合器，第二光纤布拉格光栅通过第二单模光纤接第三光纤耦合器，第一光纤耦合器、第三光纤耦合器通过光纤耦合到第二光纤耦合器。
所述的金属结构的桥式弹性梁的材料为弹性薄钢片，梁面厚度小于0.5mm，在梁的下表面横向对称轴处有一条深0.15mm的横向光滑细槽，在梁的下表面纵向对称轴处有一条深0.3mm的纵向光滑细槽。
所述的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅是全同光栅，同一外界条件下，两个布拉格光栅反射的光谱的中心波长、光栅的周期和纤芯的有效折射率完全相同，两个光纤布拉格光栅的布拉格波长分布在1310nm或1550nm工作窗口。
所述的第一光纤布拉格光栅用环氧树脂粘紧密贴于横向光滑细槽中，粘贴好后环氧树脂内无气泡，第一光纤布拉格光栅处于微拉伸状态；第二光纤布拉格光栅用环氧树脂粘紧密贴于纵向光滑细槽中，粘贴好后环氧树脂内无气泡，第二光纤布拉格光栅处于微拉伸状态。
在所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器中，第一光纤耦合器第一端口与第二光纤耦合器第一端口焊接在一起，在所述的第三光纤耦合器和第二光纤耦合器中，第三光纤耦合器第一端口与第二光纤耦合器第二端口焊接在一起。
在所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器中，第一光纤耦合器第二端口与单模光纤焊接在一起，第三光纤耦合器第四端口与单模光纤接在一起。
复合触觉传感单元组成能同时检测压力与温度的复合触觉传感器阵列，传感单元按照不同的拓扑结构组成二种复合触觉传感器阵列，传感单元的个数根据不同的需求进行扩展；所有粘贴于弹性梁下表面横向细槽中的光纤布拉格光栅分布在一根单模光纤上，所有粘贴于弹性梁下表面纵向细槽中的光纤布拉格光栅分布在另一根单模光纤上，分布在同一根光纤上的光纤布拉格光栅传感中心波长各不相同，工作过程中光纤布拉格光栅反射的窄带光谱互不重叠。
粘贴在传感器阵列上的光纤布拉格光栅的布拉格中心波长同时分布在1310nm或1550nm的工作窗口，并且按照光纤的走向，同一根光纤上的光栅的布拉格中心波长依次递增或递减，在工作过程中各光栅反射的窄带光谱不能重叠。
有益效果：本发明与现有技术对比，具有如下优点：
1.本发明能够对温度触觉和力触觉同步传感，是一种力/温度复合触觉传感器或传感器阵列，并且基于双参量矩阵运算法，能够消除FBG对温度和应变交叉敏感的影响，实现传感器表面接触压力和温度的同步测量。
2.本发明能长期工作在潮湿、易燃、易爆和强电磁干扰的恶劣环境，并且具有测量精度高、响应时间短和稳定性好等优点。
3.本发明易构建分布式复合触觉传感网络。
附图说明
图1复合触觉传感器结构图，
图2复合触觉传感单元结构图，
图3复合触觉传感单元示意图，
图4一维复合触觉传感器阵列示意图，
图5 4×4复合触觉传感器阵列示意图，
图6 4×4复合触觉传感器阵列的应用方案框图。
图中有：1-金属结构的桥式弹性梁；2-第一光纤布拉格光栅；3-第二光纤布拉格光栅；4-第一单模光纤；5-第二单模光纤；6-第一光纤耦合器；7-第二光纤耦合器；8-第三光纤耦合器；9-深0.15mm的光滑细槽；10-深0.3mm的光滑细槽；11-第一光纤耦合器第一端口；12-第一光纤耦合器第二端口；13-第二光纤耦合器第一端口；14-第三光纤耦合器第一端口；15-第二光纤耦合器第二端口；16-第三光纤耦合器第四端口；17-复合触觉传感单元；18-固定孔；19-固定孔；20到23-光纤耦合器的其它端口；24到28-复合触觉传感单元；29-4×4个复合触觉传感单元阵列。
具体实施方式
一种复合触觉传感器，传感器包括金属结构的桥式弹性梁、2个光纤布拉格光栅、单模光纤和3个2×2光纤耦合器组成，其中桥式弹性梁和2个光纤布拉格光栅组成一个复合触觉传感单元。所述的FBG是全同光栅，同一外界条件下，两个布拉格光栅反射的光谱的中心波长、光栅的周期和纤芯的有效折射率完全相同，两个光纤布拉格光栅的布拉格波长分布在1310nm或1550nm工作窗口；其中一个FBG用环氧树脂粘贴于弹性梁下表面的横向光滑细槽中；另一个FBG用环氧树脂粘贴于弹性梁下表面的纵向光滑细槽中。当有作用力作用在传感器表面上，粘贴于弹性梁下表面的横向光滑细槽中的FBG产生一个横向应变，这个FBG对温度和应变同时敏感；粘贴于弹性梁下表面的纵向光滑细槽中的FBG不产生应变，这个FBG只对温度敏感；基于双参量矩阵运算法，消除FBG对温度和应变的交叉敏感的影响，实现传感器表面接触压力和温度的同步测量。
一种复合触觉传感器阵列，该传感器阵列是由上述的复合传感单元组成的一维复合触觉传感阵列，传感单元的个数可根据不同的需要来决定；所有粘贴于弹性梁下表面横向细槽中的FBG分布在一根单模光纤上；所有粘贴于弹性梁下表面纵向细槽中的FBG分布在另一根单模光纤上；粘贴在传感器阵列上的FBG的布拉格中心波长同时分布在1310nm或1550nm的工作窗口，并且按照光纤的走向，同一根光纤上的FBG的布拉格中心波长依次递增或递减，在工作过程中各光栅反射的窄带光谱不能重叠。
另一种复合触觉传感器阵列，该传感器阵列是由上述的复合传感单元组成4×4的复合触觉传感阵列，但传感单元的个数不局限于4×4，可根据不同的需要来决定，所有粘贴于弹性梁下表面横向细槽中的FBG分布在一根单模光纤上；所有粘贴于弹性梁下表面纵向细槽中的FBG分布在另一根单模光纤上；粘贴在传感器阵列上的FBG的布拉格中心波长同时分布在1310nm或1550nm的工作窗口，并且按照光纤的走向，同一根光纤上的FBG的布拉格中心波长依次递增或递减，在工作过程中各光栅反射的窄带光谱不能重叠。
本发明涉及的一种复合触觉传感器结构如图1所示，传感器由金属结构的桥式弹性梁1、光纤布拉格光栅2、光纤布拉格光栅3、单模光纤4、单模光纤5、2×2光纤耦合器6、2×2光纤耦合器7和2×2光纤耦合器8组成。金属结构的桥式弹性梁1、光纤布拉格光栅2、光纤布拉格光栅3、单模光纤4和单模光纤5组成一个复合触觉传感单元，复合触觉传感单元17结构图如图2所示，复合触觉传感单元示意图如图3所示。所述的FBG是全同光栅，同一外界条件下，两个FBG反射光谱的中心波长、光栅的周期和纤芯的有效折射率等对应的参数完全相同，两个FBG的布拉格波长分布在1310nm或1550nm工作窗口；其中一个光纤布拉格光栅2用环氧树脂粘贴于弹性梁下表面的横向光滑细槽9中；另一个光纤布拉格光栅用环氧树脂粘贴于弹性梁下表面的纵向光滑细槽10中；光纤耦合器6的端口13与光纤耦合器7的端口11通过光纤焊接机焊接在一起，光纤耦合器8的端口14与光纤耦合器7的端口15通过光纤焊接机焊接在一起；光纤耦合器6的端口12与单模光纤4通过光纤焊接机焊接在一起，光纤耦合器8的端口16与单模光纤5通过光纤焊接机焊接在一起。当有作用力作用在传感器表面上，光纤布拉格光栅2产生一个横向应变，这个光纤布拉格光栅对温度和应变同时敏感；光纤布拉格光栅3不产生应变，这个FBG只对温度敏感；基于双参量矩阵运算法，消除FBG对温度和应变交叉敏感的影响，实现传感器表面接触压力和温度的同步测量。
本发明涉及的一维复合触觉传感器阵列如图4所示，该传感器阵列是由上述的复合触觉传感单元组成的一维复合触觉传感器阵列，复合触觉传感单元的个数可根据不同的需要来决定；所有粘贴于弹性梁下表面横向细槽中的FBG分布在一根单模光纤上；所有粘贴于弹性梁下表面纵向细槽中的FBG分布在另一根单模光纤上；粘贴在传感器阵列上的FBG的布拉格中心波长同时分布在1310nm或1550nm的工作窗口，并且按照光纤的走向，同一根光纤上的FBG的布拉格中心波长依次递增或递减，在工作过程中FBG反射的窄带光谱不能重叠；不同的传感单元可以根据FBG的布拉格波长进行编码。
本发明涉及的4×4的复合触觉传感器阵列如图5所示，该传感器阵列是由上述的复合触觉传感单元组成4×4的复合触觉传感器阵列，但传感单元的个数不局限于4×4个，可根据不同的需要来决定，所有粘贴于弹性梁下表面横向细槽中的FBG分布在一根单模光纤上；所有粘贴于弹性梁下表面纵向细槽中的FBG分布在另一根单模光纤上；粘贴在传感器阵列上的FBG的布拉格中心波长同时分布在1310nm或1550nm的工作窗口，并且按照光纤的走向，同一根光纤上的FBG的布拉格中心波长依次递增或递减，在工作过程中FBG反射的窄带光谱不能重叠；不同的传感单元可以根据FBG的布拉格波长进行编码。
实施例1
本发明涉及的复合触觉传感器或复合触觉传感器阵列，在实际应用中的检测方案可以参考4×4的复合触觉传感器阵列的检测方案，如图6所示。中心波长为1310nm或1550nm的宽带光源(带宽为50nm)连接光纤耦合器7的端口20，宽带光入射传感器阵列中的所有布拉格光栅，所有布拉格光栅的反射光从光纤耦合器6的端口22和光纤耦合器8的端口23出射，多通道波长解调器接收布拉格光栅的反射光，波长解调器实时解调出粘贴在复合触觉传感器阵列上的所有光纤布拉格光栅的波长，基于双参量矩阵运算法，消除FBG对温度和应变交叉敏感的影响，实现传感器阵列表面接触压力和温度的同步测量。
Claims (6)
1.一种复合触觉传感器，其特征在于该复合触觉传感器包括金属结构的桥式弹性梁(1)、第一光纤布拉格光栅(2)、第二光纤布拉格光栅(3)、第一单模光纤(4)、第二单模光纤(5)、第一光纤耦合器(6)、第二光纤耦合器(7)和第三光纤耦合器(8)；其中，金属结构的桥式弹性梁(1)、第一光纤布拉格光栅(2)、第二光纤布拉格光栅(3)、第一单模光纤(4)和第二单模光纤(5)组成复合触觉传感单元(17)，第一光纤布拉格光栅(2)、第二光纤布拉格光栅(3)交叉设置在桥式弹性梁(1)的中间，第一光纤布拉格光栅(2)通过第一单模光纤(4)接第一光纤耦合器(6)，第二光纤布拉格光栅(3)通过第二单模光纤(5)接第三光纤耦合器(8)，第一光纤耦合器(6)、第三光纤耦合器(8)通过光纤耦合到第二光纤耦合器(7)；
所述的金属结构的桥式弹性梁(1)的材料为弹性薄钢片，梁面厚度小于0.5mm，在梁的下表面横向对称轴处有一条深0.15mm的横向光滑细槽(9)，在梁的下表面纵向对称轴处有一条深0.3mm的纵向光滑细槽(10)；
所述的第一光纤布拉格光栅(2)和第二光纤布拉格光栅(3)是全同光栅，同一外界条件下，两个布拉格光栅反射的光谱的中心波长、光栅的周期和纤芯的有效折射率完全相同，两个光纤布拉格光栅的布拉格波长分布在1310nm或1550nm工作窗口。
2.根据权利要求1所述的复合触觉传感器，其特征在于所述的第一光纤布拉格光栅(2)用环氧树脂粘紧密贴于横向光滑细槽(9)中，粘贴好后环氧树脂内无气泡，第一光纤布拉格光栅(2)处于微拉伸状态；第二光纤布拉格光栅(3)用环氧树脂粘紧密贴于纵向光滑细槽(10)中，粘贴好后环氧树脂内无气泡，第二光纤布拉格光栅(3)处于微拉伸状态。
3.根据权利要求1所述的复合触觉传感器，其特征在于在所述的第一光纤耦合器(6)和第二光纤耦合器(7)中，第一光纤耦合器第一端口(13)与第二光纤耦合器第一端口(11)焊接在一起，在所述的第三光纤耦合器(8)和第二光纤耦 合器(7)中，第三光纤耦合器第一端口(14)与第二光纤耦合器第二端口(15)焊接在一起。
4.根据权利要求1所述的复合触觉传感器，其特征在于在所述的第一光纤耦合器(6)和第二光纤耦合器(7)中，第一光纤耦合器第二端口(12)与单模光纤(4)焊接在一起，在所述的第三光纤耦合器(8)和第二光纤耦合器(7)中，第三光纤耦合器第四端口(16)与单模光纤(5)接在一起。
5.一种如权利要求1所述的复合触觉传感器组成的传感器阵列，其特征在于复合触觉传感单元(17)组成能同时检测压力与温度的复合触觉传感器阵列，传感单元按照不同的拓扑结构组成二种复合触觉传感器阵列，传感单元的个数根据不同的需求进行扩展；所有粘贴于弹性梁下表面横向细槽中的光纤布拉格光栅分布在一根单模光纤上，所有粘贴于弹性梁下表面纵向细槽中的光纤布拉格光栅分布在另一根单模光纤上，分布在同一根光纤上的光纤布拉格光栅传感中心波长各不相同，工作过程中光纤布拉格光栅反射的窄带光谱互不重叠。
6.根据权利要求5所述的复合触觉传感器的传感器阵列，其特征在于粘贴在传感器阵列上的光纤布拉格光栅的布拉格中心波长同时分布在1310nm或1550nm的工作窗口，并且按照光纤的走向，同一根光纤上的光栅的布拉格中心波长依次递增或递减，在工作过程中各光栅反射的窄带光谱不能重叠。
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