專利名稱：基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術領域的測量裝置及方法，特別涉及一種基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置及方法。
背景技術：
隨著仿生物機器、智能機器人、虛擬手等智能機器的發(fā)展，對于該類機器的肢體關節(jié)運動的監(jiān)測是必不可少的，其中彎曲曲率和彎曲方向是非常關鍵的參數(shù)，目前的測量方法有電學法、光學法以及傳統(tǒng)的光纖法，前兩者結(jié)構原理復雜，成本高，誤差較大，且需要復雜的電路、軟件系統(tǒng)支持，實際應用推廣比較困難，而現(xiàn)有的光纖法中比較典型的是光纖光柵法，如中國專利申請?zhí)?00510024425. 7、200710043767. 2和200780039102. 2的專利均是采用該方法，雖比前兩者有很大的進步，但其缺點也不少，如成本仍比較高，需要使用價格較高的光纖光柵解調(diào)設備，特別是需要進行多點測量時成本顯著增加；同時光纖光柵是一種對溫度和應力均非常敏感的傳感元件，在使用中需增加額外的步驟來消除溫度的影響， 進一步增加了整個系統(tǒng)的成本；另外是光纖光柵比較脆弱，對封裝有較高的要求，既要保證傳感元件的敏感性，又要保證使用壽命是比較困難的，封裝一般要占到傳感元件成本的 30%至90%，這又加大了系統(tǒng)的成本，從而限制了該類裝置及方法的使用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置及方法。本發(fā)明不僅可以測定待測物體的彎曲曲率，并可以做到能夠同時測量彎曲的方向。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特征在于包括兩端固定于待測物體上的一個由彈簧絲構成的整體呈螺旋狀的多圈形彈簧型構件，在彈簧絲的上表面和下表面上沿彈簧絲縱向連續(xù)布設有多個變形齒，相鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲的下表面上的第一下變形齒與下彈簧絲上表面上的第一上變形齒交錯對應，第一下變形齒之間和第一上變形齒之間的齒距是均勻的，所述第一下變形齒與第一上變形齒之間夾有第一信號光纖，所述第一信號光纖通過傳輸光纖連接有測試單元，所述測試單元連接有處理單元。上述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，所述的構成彈簧型構件的彈簧絲的上表面與下表面之間設置有彈性材料層。上述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，包括在彈簧絲表面上與第一個信號光纖并排布設的第二信號光纖，以及連續(xù)布設在所述彈簧絲的第二組多個上彈簧絲的下表面上的第二下變形齒和第二組多個下彈簧絲上表面上的第二上變形齒，所述第二信號光纖夾持在第二下變形齒與第二上變形齒之間，所述第二下變形齒和第二上變形齒沿著彈簧型構件每360度為一個周期，每個周期的起始點位于彈簧型構件的同一個方向， 并作為零角度，每個周期內(nèi)的變形齒的間距或齒高是單調(diào)變化的，且不同周期的變形齒的間距或齒高是單調(diào)變化且變化趨勢是一致的，所述第二個信號光纖通過傳輸光纖與測試單元相連接。上述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特征在于每個周期之間沒有交叉，每個周期劃分為相同數(shù)量的有限個區(qū)域，對應于彈簧型構件0 同一個方向的每個周期上的對應區(qū)域內(nèi)的變形齒的間距或齒高是相同的。上述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，所述彈簧型構件通過光開關與測試單元連接?；诠饫w彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定方法，包括以下步驟步驟一、包含在彈簧型構件中的第一信號光纖的光信號損耗變化值與彈簧型構件彎曲曲率的比例因子的標定標定的方法將含有第一信號光纖的彈簧型構件的長度在初始狀態(tài)或直線狀態(tài)下鎖定，利用已知彎曲曲率的圓弧，將含有第一信號光纖的彈簧型構件依照圓弧彎曲，并記錄在相應彎曲曲率下第一信號光纖的損耗變化值，利用所得到的數(shù)據(jù)采用插值和線性擬合的方法得到彎曲曲率與信號光纖損耗變化值的比例因子K，其關系可表示為
權利要求
1.基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特征在于包括兩端固定于待測物體(10)上的一個由彈簧絲(4)構成的整體呈螺旋狀的多圈形彈簧型構件(25)，在彈簧絲的上表面和下表面上沿彈簧絲(4)縱向連續(xù)布設有多個變形齒，相鄰兩圈彈簧絲 (4)中的上彈簧絲的下表面上的第一下變形齒與下彈簧絲上表面上的第一上變形齒 (4-2)交錯對應，第一下變形齒之間和第一上變形齒(4- 之間的齒距是均勻的，所述第一下變形齒(4-1)與第一上變形齒(4- 之間夾有第一信號光纖(6)，所述第一信號光纖(6)通過傳輸光纖(1)連接有測試單元(5)，所述測試單元( 連接有處理單元(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特征在于所述的構成彈簧型構件0 的彈簧絲的上表面與下表面之間設置有彈性材料層 ⑶。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特征在于包括在彈簧絲(4)表面上與第一個信號光纖(6)并排布設的第二信號光纖(9)，以及連續(xù)布設在所述彈簧絲(4)的第二組多個上彈簧絲的下表面上的第二下變形齒(4- 和第二組多個下彈簧絲上表面上的第二上變形齒G-4)，所述第二信號光纖(9)夾持在第二下變形齒G-3)與第二上變形齒(4-4)之間，所述第二下變形齒(4- 和第二上變形齒G-4) 沿著彈簧型構件05)每360度為一個周期，每個周期的起始點位于彈簧型構件05)的同一個方向，并作為零角度，每個周期內(nèi)的變形齒的間距或齒高是單調(diào)變化的，且不同周期的變形齒的間距或齒高是單調(diào)變化且變化趨勢是一致的，所述第二個信號光纖(9)通過傳輸光纖(1)與測試單元( 相連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特征在于每個周期之間沒有交叉，每個周期劃分為相同數(shù)量的有限個區(qū)域，對應于彈簧型構件 (25)同一個方向的每個周期上的對應區(qū)域內(nèi)的變形齒的間距或齒高是相同的。
5.根據(jù)權利要求2所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，其特征在于所述彈簧型構件通過光開關(30)與測試單元(5)連接。
6.基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、包含在彈簧型構件0 中的第一信號光纖(6)的光信號損耗變化值與彈簧型構件05)彎曲曲率的比例因子的標定標定的方法將含有第一信號光纖(6)的彈簧型構件0 的長度在初始狀態(tài)或直線狀態(tài)下鎖定，利用已知彎曲曲率的圓弧，將含有第一信號光纖(6)的彈簧型構件05)依照圓弧彎曲，并記錄在相應彎曲曲率下第一信號光纖(6)的損耗變化值，利用所得到的數(shù)據(jù)采用插值和線性擬合的方法得到彎曲曲率與信號光纖損耗變化值的比例因子K，其關系可表示為
7.根據(jù)權利要求6所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定方法，其特征在于，在步驟三完成后進行以下步驟步驟四、包含在彈簧型構件0 中的第二信號光纖(9)的光信號損耗變化值與彈簧型構件05)彎曲曲率和彎曲方向的比例因子的標定標定的方法利用已知彎曲曲率的圓弧，將含有第二信號光纖(9)的彈簧型構件05) 變換不同的角度依照圓弧彎曲，并記錄相應彎曲曲率和相應角度下第二信號光纖(9)的損耗變化值，利用所得到的數(shù)據(jù)采用插值和線性擬合的方法得到彎曲方向的角度θ與第二信號光纖(9)損耗變化值及彎曲曲率變化值的比例因子K0 (C)，其關系可表示為 θ =Ke(C) Δ α θ+ε θ公式二式中θ表示標定時不同的彎曲方向角度，C表示標定時彎曲曲率，△ α θ是表示不同彎曲方向角度和不同彎曲曲率下光信號的損耗變化值，K0 (C)是得到的不同彎曲曲率下比例因子，ε e為得到的誤差值；步驟五、第二信號光纖(9)傳輸?shù)墓庑盘柕膿p耗變化值的采集兩端固定于待測物體 (10)上的含第二信號光纖(9)的彈簧型構件0 隨著待測物體(10)的彎曲而彎曲，第二信號光纖(9)的損耗值也隨著待測物體(10)的彎曲曲率和彎曲方向角度的變化而變化，通過測試單元( 獲得第二信號光纖(9)的損耗變化值，并將該值傳遞給處理單元(7)；步驟六、處理單元(7)利用第二信號光纖(9)損耗變化值、第一信號光纖(6)確定的彎曲曲率及公式二給出待測物體(10)的彎曲方向角度。
8.根據(jù)權利要求6所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定方法，其特征在于當待測物體(10)有一個以上的待測彎曲曲率時，在相應的部位均安置有兩端固定于待測物體(10)上的含信號光纖的彈簧型構件(25)，且所述彈簧型構件0 中的第一信號光纖(6)串聯(lián)在一起。
9.根據(jù)權利要求7所述的基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定方法，其特征在于當待測物體(10)是由多個可彎曲的部分構成時，處理單元(7)通過確定其最初和最終的各個部分的彎曲曲率和彎曲方向，可給出該待測物體(10)的最終狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖彎曲損耗的彈簧型彎曲參量的測定裝置，所述裝置包括一個由彈簧絲構成的彈簧型構件，相鄰兩圈彈簧絲中的上彈簧絲的下表面上的第一下變形齒與下彈簧絲上表面上的第一上變形齒交錯對應，第一下變形齒與第一上變形齒之間夾有第一信號光纖，第一信號光纖通過傳輸光纖連接有測試單元，測試單元連接處理單元。另外本發(fā)明還涉及上述彎曲參量的測定方法包含第一信號光纖的光信號損耗變化值與彈簧型構件彎曲曲率的比例因子的標定；第一信號光纖傳輸?shù)墓庑盘柕膿p耗變化值的采集；處理單元利用第一信號光纖損耗變化值及公式一給出待測物體的彎曲曲率。本發(fā)明不僅可以確定待測物體的彎曲曲率，還可以確定待測物體的彎曲方向。
文檔編號G01B11/24GK102466469SQ20101053200
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權日2010年11月4日
發(fā)明者杜兵 申請人:西安金和光學科技有限公司