基于分布式光纤传感器的触觉传感器

邓云峰

摘 要：介绍了一种基于光纤传感器的触觉传感器。也就是说，采用了光纤微弯（MBOF）技术的触觉传感器，可以实现检测光运输损耗的要求，而且利用光的损失，传感器还可以检测到外力。本文对该传感器进行了研究，并对其性能进行了验证。同时介绍了分布式光纤传感器的特点和应用领域。

关键词：触觉传感器；分布式；微弯曲

近年来，许多研究人员致力于研究具有视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉五种感官的智能机器人系统。其中，触觉传感器是人机交互的重要手段之一。然而，由于光纤在某些恶劣环境下仍保持其具有很强的灵敏度和抗干扰能力的优势，现代技术通常将其应用于制作触觉传感器行业中。由于现代工业机械应用中通常存在着电磁场和静磁场，该触觉传感器通常应用于现代工业机械周边。光纤传感器不受潮湿环境的影响。本文设计了一种基于光纤传感器的触觉传感器。硅橡胶采用横向光纤结构和微纤维弯曲（MBOF）触觉传感器。简单来说，触觉传感器就是使用光纤束进行布线。

一、分布式光纤传感器

分布式光纤传感系统的原理是该系统的传感元件和传感信号介质全为光纤，而且不同位置光纤的温度及应变变化利用先进的OTDR技术和OFDR技术来检测，通过以上技术，真正实现了分布式测量。基于拉曼散射的原理，发明了可以同时测量温度变化和应变变化的微米光学温度测量的分布式温度传感系统。综合来说，分布式光纤传感器利用其独特的分布式光纤检测技术，而实现其检测或监测光纤传输路径上的空间分布和时变信息的目的，技能感测到光纤沿场边的分布情况，获得被测场关于空间分布和时变信息等一系列数据，对于工业应用来说有很好的发展前景和开发空间。

1.1特点

（1）该系统的传感元件仅采用了光纤；（2）通过一次测量，就可以得到整个被测场区域范围内的所得测量数据的一维分布，且通过设置光纤可以测量被测场数据的二维及三维分布。（3）OTDR系统的空间分辨率一般为米级，OFDR技术的空间分辨率可达毫米级；（4）系统的测量精度和空间分辨率一般来说是互相依赖的，其中U检测信号比较弱的时候，需要系统对信号进行处理，而O具有较高的信噪比，在检测过程中需要对大量的信号进行处理，例如平均信号检测、频率扫描、相位跟踪等，完成测量需要很长时间。

1.2技术介绍

分布式光纤传感器现在被广泛应用于测量领域，用于测量提取分布式信息，从而解决了很多测量领域内的难题。分布式光纤传感器是一种基于分布式光纤传感技术开发的器件，其中，分布式光纤传感技术最早是在20世纪70年代末提出来的，伴随着光时域反射（OTDR）技术的出现及发展，使得分布式光纤传感技术在工业领域内得到了广泛的推广使用。近十年来，一系列分布式光纤传感机制和测量系统得到了发展，并逐步应用于许多领域。目前，该技术已成为光纤传感技术中最先进的技术。分布式光纤传感技术是可以同时测量获得所测场的测量数据伴随着时间和空间变化而变化的分布信息。首先，检测信号一般较弱，需要对信号进行定位。该系统具有较高的信噪比（SNR）。由于检测过程中信号平均、频率扫描和相位跟踪的处理能力，完成测量需要很长的时间。分布式光纤传感技术在短时间内得到了广泛的关注和深入的研究。

1.3技术发展

1、实现了对单个光纤单元中的多个物理、化学参数的同时测量，包括温度和应变变化，提高了测量系统的测量范围，同时缩短了测量所需的时间。2、提高了信号接收系统的测量能力、空间分辨率、测量的不确定度等。3、光纤传感器的研究向基于两个或多个维度的分布式光纤传感器的方向发展。

二、光纤微弯曲触觉传感器

2.1 光纤微弯曲触觉传感器的结构与制造

光纤微弯触觉传感器，其横向光纤结构采用嵌入硅橡胶式。设计的接触面采用了相同 的硅橡胶，反映了光纤段的外接触力良好。当外接触力作用在接触面上时，光纤的上下接触面会随着硅橡胶的应力变化产生的应变变化而轻微弯曲。触觉传感器的尺寸必须在制造前确定。传感器的厚度非常重要，因为它适用于机器人的人造皮肤。传感器越薄，就越适合人造皮肤。本文设计的传感器厚度为2毫米。厚度为2毫米的纤维可以嵌入硅橡胶中而不会暴露出来。由于试样的弹性，硅橡胶传感器可以很容易地用于各种形状，如曲面。

2.2 光测量系统的设计

光纤微弯触觉传感器的光学测量系统比光纤光栅触觉传感器的光学测量系统更紧凑，因为该传感器采用的是普通光源，其实通过检测光强度的变化来工作的，事实上，这种光纤微弯曲触觉传感器所需要的光纤数量较多。触觉传感器的分布范围较广，所需的光纤就越多。为了解决这个问题，我们引入了光纤束。许多纤维会聚成束。因此，许多纤维使用成束的纤维加工成一条线。

2.3 光纤微弯曲触觉传感器的评价

传感器的灵敏度系数为-20灰色/N，样品传感器的分辨率为0.05N，通过标定传感器的灵敏度，可以测量得到较为准确的负载值。该系统的校准过程也是非常简单的，通过将灵敏度和光强度的变化值进行乘法运算，就可以计算得到传感器的负载，延迟误差约为6.3%。硅橡胶作为传感器接触面的材料，其特性是非线性的，无法避免延迟误差，重复性误差约为2%，由此可以看出，硅橡胶材料对传感器的负载也有一定的影响。通过相同的试验装置对样品传感器的负载进行了验证，结果发现当负载达到15N时，光强的变化与负载的变化呈非线性关系。通过插入不同的接触面，可以估计硅橡胶接触压力的突变。因此，传感器的最大承载能力为15N，这是保证光强度线性变化的关键。

结束语：

对于光纤微弯触觉传感器，横向光纤嵌入弹性硅橡胶中相对简单。得到了负载强度与照明强度的线性关系。样品实验传感器具有良好的性能：传感器的分辨率为0.05N，最大负载能力为15N，但由于传感器本身是由硅橡胶制成，所以存在很小的延迟误差。设计了一种基于光纤结构的触觉传感器。当我们设计触觉传感器时，我們需要很多纤维，但是我们可以用它们把它们整合成一束纤维。触觉传感器测量系统由LED灯和由光源和探测器组成的电荷耦合元件组成。由于LED和电荷耦合元件体积小，传感器的测量系统比光纤布拉格光栅触觉传感器的测量系统更加紧凑。

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