[发明专利]基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术领域的测量装置及方法，特别涉及一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置及方法。

背景技术

随着仿生物机器、智能机器人、虚拟手等智能机器的发展，对于该类机器的肢体关节运动的监测是必不可少的，其中弯曲曲率和弯曲方向是非常关键的参数，目前的测量方法有电学法、光学法以及传统的光纤法，前两者结构原理复杂，成本高，误差较大，且需要复杂的电路、软件系统支持，实际应用推广比较困难，而现有的光纤法中比较典型的是光纤光栅法，如中国专利申请号200510024425.7、200710043767.2和200780039102.2的专利均是采用该方法，虽比前两者有很大的进步，但其缺点也不少，如成本仍比较高，需要使用价格较高的光纤光栅解调设备，特别是需要进行多点测量时成本显著增加；同时光纤光栅是一种对温度和应力均非常敏感的传感元件，在使用中需增加额外的步骤来消除温度的影响，进一步增加了整个系统的成本；另外是光纤光栅比较脆弱，对封装有较高的要求，既要保证传感元件的敏感性，又要保证使用寿命是比较困难的，封装一般要占到传感元件成本的30％至90％，这又加大了系统的成本，从而限制了该类装置及方法的使用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置及方法。本发明不仅可以测定待测物体的弯曲曲率，并可以做到能够同时测量弯曲的方向。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：包括两端固定于待测物体上的一个由弹簧丝构成的整体呈螺旋状的多圈形弹簧型构件，在弹簧丝的上表面和下表面上沿弹簧丝纵向连续布设有多个变形齿，相邻两圈弹簧丝中的上弹簧丝的下表面上的第一下变形齿与下弹簧丝上表面上的第一上变形齿交错对应，第一下变形齿之间和第一上变形齿之间的齿距是均匀的，所述第一下变形齿与第一上变形齿之间夹有第一信号光纤，所述第一信号光纤通过传输光纤连接有测试单元，所述测试单元连接有处理单元。

上述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，所述的构成弹簧型构件的弹簧丝的上表面与下表面之间设置有弹性材料层。

上述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，包括在弹簧丝表面上与第一个信号光纤并排布设的第二信号光纤，以及连续布设在所述弹簧丝的第二组多个上弹簧丝的下表面上的第二下变形齿和第二组多个下弹簧丝上表面上的第二上变形齿，所述第二信号光纤夹持在第二下变形齿与第二上变形齿之间，所述第二下变形齿和第二上变形齿沿着弹簧型构件每360度为一个周期，每个周期的起始点位于弹簧型构件的同一个方向，并作为零角度，每个周期内的变形齿的间距或齿高是单调变化的，且不同周期的变形齿的间距或齿高是单调变化且变化趋势是一致的，所述第二个信号光纤通过传输光纤与测试单元相连接。

上述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，其特征在于：每个周期之间没有交叉，每个周期划分为相同数量的有限个区域，对应于弹簧型构件(25)同一个方向的每个周期上的对应区域内的变形齿的间距或齿高是相同的。

上述的基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定装置，所述弹簧型构件通过光开关与测试单元连接。

基于光纤弯曲损耗的弹簧型弯曲参量的测定方法，包括以下步骤：

步骤一、包含在弹簧型构件中的第一信号光纤的光信号损耗变化值与弹簧型构件弯曲曲率的比例因子的标定：

标定的方法：将含有第一信号光纤的弹簧型构件的长度在初始状态或直线状态下锁定，利用已知弯曲曲率的圆弧，将含有第一信号光纤的弹簧型构件依照圆弧弯曲，并记录在相应弯曲曲率下第一信号光纤的损耗变化值，利用所得到的数据采用插值和线性拟合的方法得到弯曲曲率与信号光纤损耗变化值的比例因子K，其关系可表示为：

C_I＝KΔα_I+ε                            公式一

式中：C_I表示标定时不同的弯曲曲率值，Δα_I是表示不同弯曲曲率下光信号的损耗变化值，K是得到的比例因子，ε为得到的误差值；

步骤二、第一信号光纤传输的光信号的损耗变化值的采集：两端固定于待测物体上的含第一信号光纤的弹簧型构件随着待测物体的弯曲而弯曲，第一信号光纤的损耗值也随之变化，通过测试单元获得第一信号光纤的损耗变化值，并将该值传递给处理单元，其中，两端固定于待测物体上的弹簧型构件在初始状态或直线状态时其长度与标定时的长度一致；