一种可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器，包括两根相同的光纤和透明套管，两根光纤为第一光纤和第二光纤，透明套管为空芯圆柱状，由具有柔韧性的透明材料制成；第一光纤的输出端和第二光纤的输入端分别从透明套管的两端伸入至透明套管内，第一光纤的输出端和第二光纤的输入端正对且保持一定间距，光从第一光纤的输入端输入，从第一光纤的输出端输出，光通过透明套管内的空气传输直接到达第二光纤的输入端或者通过透明套管耦合到达第二光纤的输入端，再从第二光纤的输出端输出；传感器的弯曲发生在透明套管的中间段，中间段对应于透明套管内没有光纤的部分，本发明专利技术能够实现高灵敏度

【技术实现步骤摘要】
一种可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器


[0001]本专利技术涉及传感器领域，尤其涉及一种可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器
。

技术介绍

[0002]不正确的运动方法
、
中风偏瘫等疾病
、
年老肌体衰退都会导致人体关节损伤，关节角度检测技术可通过稳定
、
重复的方式对受损关节运动幅度进行健康评估
。
关节弯曲检测还可以应用到交互式游戏
、
智能机器人
、
人体运动监测
、
航空航天等领域
。
关节弯曲检测方案主要包括惯性式传感
、
电学式传感
、
光学式传感等
。
相较于电学传感器，光纤型传感器具有高灵敏度，抗电磁干扰和结构紧凑等光纤器件的固有优势，近年来受到广泛关注
。
[0003]基于波长调制或相位调制均可实现对弯曲形变的检测，其中波长调制是弯曲形变会改变光栅的周期
、
折射率分布等参数感知弯曲状态，如专利授权公告号
CN108507598B
的中国专利技术专利“一种光纤布拉格光栅角度传感器”；相位调制则是通过监测光栅特征峰的波长偏移可感知弯曲状态，如专利授权公告号
CN111457864B
的中国专利技术专利“一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置及方法”。
强度调制方案是通过外界参量变化引起的光强变化来实现弯曲传感的目的，如通过弯曲引起的损耗来实现弯曲传感
。
如专利申请公布号
CN114674245A
的中国专利技术专利“一种光纤角度传感器及其制备方法”提出的基于嵌入
PDMS
薄膜的双
U
锥形塑料光纤传感器用于手指关节弯曲检测，其灵敏度可达
0.07dB/
°
，线性度为
0.995
，弯曲角度范围0～
105
°
。
[0004]然而，现有技术在检测范围
、
精度方面仍存在不足
。
例如，人体手指关节弯曲角度可超过
110
°
，即传感器检测范围应该至少应包含0～
110
°
，在一些特殊场合，如机器人手指
、
手臂弯曲检测等场合，其弯曲角度还会进一步增大，为此，研究可实现宽角度检测范围
、
高灵敏度的关节弯曲传感技术有重要的实际应用价值
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器，实现高灵敏度
、
大弯曲角度下的传感
。
[0006]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的
。
[0007]一种可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器，包括两根相同的光纤和透明套管，两根所述光纤为第一光纤和第二光纤，所述透明套管为空芯圆柱状，由具有柔韧性的透明材料制成；所述第一光纤的输出端和所述第二光纤的输入端分别从所述透明套管的两端伸入至所述透明套管内，所述第一光纤的输出端和所述第二光纤的输入端正对且保持一定间距，光从所述第一光纤的输入端输入，从所述第一光纤的输出端输出，光通过所述透明套管内的空气传输直接到达所述第二光纤的输入端或者通过所述透明套管耦合到达所述第二光纤的输入端，再从所述第二光纤的输出端输出；所述传感器的弯曲发生在所述透明套管的中间段，所述中间段对应于所述透明套管内没有光纤的部分
。
[0008]进一步的，所述光纤的直径
d
f
与所述透明套管的内直径
d
s
之间满足：
‑
10
μ
m<d
s
‑
d
f
<
20
μ
m。
[0009]进一步的，所述第一光纤的输出端与所述第二光纤的输入端之间的间距为
L
，所述透明套管弯曲的曲率半径为
R
，满足：
L<3
π
R/2
，且间距
L
与所述透明套管的外直径
d
m
之间满足：
L>
π
d
m
/2。
[0010]进一步的，所述透明套管的弯曲角度范围为0～
180
°
。
[0011]进一步的，所述第一光纤的输出端端面与所述第一光纤的中心轴线垂直，所述第二光纤的输入端端面与所述第二光纤的中心轴线垂直
。
[0012]进一步的，所述透明套管的透光率
T
满足：
T>66
％
。
[0013]进一步的，所述透明套管的弹性模量为
0.84
～
0.95GPa。
[0014]进一步的，所述透明套管的折射率大于所述光纤的纤芯及包层的折射率
。
[0015]进一步的，所述光纤为聚合物光纤或带护套的石英光纤
。
[0016]进一步的，所述透明套管由聚乙烯制成
。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018](1)
由于本专利技术中透明套管内两根光纤的端面相对但不接触，使得空气和透明套管成为两根光纤之间的导光介质，其光耦合不仅通过套管内的空气直接传输，且可通过透明套管对光的反射和折射最终耦合到另一根光纤，借助套管作用下光耦合对弯曲角度的敏感性和大弯曲角度下的耦合能力，实现高灵敏度
、
大弯曲角度下的传感
。
[0019](2)
本专利技术方案使光在套管内的空气纤芯中传输，由于不满足全内反射原理，光更容易随套管的弯曲角度的变化而发生损耗变化，从而高灵敏度的传感，即传感结构类似于实芯光纤
‑
空芯光纤
‑
实芯光纤的连接结构，且套管具有很好的弹性，从而可实现0～
180
°
的弯曲角度传感，且灵敏度更高，除合适人体关节检测外，还可以在机器人等领域应用
。
本专利技术避免了现有技术中液体存在时，液体折射率容易受环境温度的影响，从而需要进行温度补偿等复杂操作，并且在制作上也更为简单
。
由于本专利技术透明套管内存在空气区域，使得透明套管弯曲更为容易
。
因而，本专利技术方案的弯曲角度检测范围更宽
。
[0020](3)
由于本专利技术传感器中密封软管内的两根光纤端面不接触且封闭在透明套管内，在传感器工作过程中避免了光纤端面被磨损或受到污染，因此本专利技术传感器可以长时间稳定地工作
。
附图说明
[0021]图1为根据本专利技术实施例的可用于关节弯曲检测的光纤角度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器，其特征在于，包括两根相同的光纤和透明套管，两根所述光纤为第一光纤和第二光纤，所述透明套管为空芯圆柱状，由具有柔韧性的透明材料制成；所述第一光纤的输出端和所述第二光纤的输入端分别从所述透明套管的两端伸入至所述透明套管内，所述第一光纤的输出端和所述第二光纤的输入端正对且保持一定间距，光从所述第一光纤的输入端输入，从所述第一光纤的输出端输出，光通过所述透明套管内的空气传输直接到达所述第二光纤的输入端或者通过所述透明套管耦合到达所述第二光纤的输入端，再从所述第二光纤的输出端输出；所述传感器的弯曲发生在所述透明套管的中间段，所述中间段对应于所述透明套管内没有光纤的部分
。2.
根据权利要求1中所述的可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器，其特征在于，所述光纤的直径
d
f
与所述透明套管的内直径
d
s
之间满足：
‑
10
μ
m<d
s
‑
d
f
<20
μ
m。3.
根据权利要求1中所述的可用于关节弯曲检测的光纤角度传感器，其特征在于，所述第一光纤的输出端与所述第二光纤的输入端之间的间距为
L
，所述透明套管弯曲的曲率半径为
R
，满足：
L<3
π
R/2
，且间距

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明阳，周婷，胡振章，龚天翼，梁莹，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：