鄧云峰

摘 要：介紹了一種基于光纖傳感器的觸覺傳感器。也就是說，采用了光纖微彎（MBOF）技術(shù)的觸覺傳感器，可以實(shí)現(xiàn)檢測光運(yùn)輸損耗的要求，而且利用光的損失，傳感器還可以檢測到外力。本文對(duì)該傳感器進(jìn)行了研究，并對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)介紹了分布式光纖傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：觸覺傳感器；分布式；微彎曲

近年來，許多研究人員致力于研究具有視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺五種感官的智能機(jī)器人系統(tǒng)。其中，觸覺傳感器是人機(jī)交互的重要手段之一。然而，由于光纖在某些惡劣環(huán)境下仍保持其具有很強(qiáng)的靈敏度和抗干擾能力的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)代技術(shù)通常將其應(yīng)用于制作觸覺傳感器行業(yè)中。由于現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械應(yīng)用中通常存在著電磁場和靜磁場，該觸覺傳感器通常應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械周邊。光纖傳感器不受潮濕環(huán)境的影響。本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖傳感器的觸覺傳感器。硅橡膠采用橫向光纖結(jié)構(gòu)和微纖維彎曲（MBOF）觸覺傳感器。簡單來說，觸覺傳感器就是使用光纖束進(jìn)行布線。

一、分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感系統(tǒng)的原理是該系統(tǒng)的傳感元件和傳感信號(hào)介質(zhì)全為光纖，而且不同位置光纖的溫度及應(yīng)變變化利用先進(jìn)的OTDR技術(shù)和OFDR技術(shù)來檢測，通過以上技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了分布式測量?；诶⑸涞脑恚l(fā)明了可以同時(shí)測量溫度變化和應(yīng)變變化的微米光學(xué)溫度測量的分布式溫度傳感系統(tǒng)。綜合來說，分布式光纖傳感器利用其獨(dú)特的分布式光纖檢測技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)其檢測或監(jiān)測光纖傳輸路徑上的空間分布和時(shí)變信息的目的，技能感測到光纖沿場邊的分布情況，獲得被測場關(guān)于空間分布和時(shí)變信息等一系列數(shù)據(jù)，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說有很好的發(fā)展前景和開發(fā)空間。

1.1特點(diǎn)

（1）該系統(tǒng)的傳感元件僅采用了光纖；（2）通過一次測量，就可以得到整個(gè)被測場區(qū)域范圍內(nèi)的所得測量數(shù)據(jù)的一維分布，且通過設(shè)置光纖可以測量被測場數(shù)據(jù)的二維及三維分布。（3）OTDR系統(tǒng)的空間分辨率一般為米級(jí)，OFDR技術(shù)的空間分辨率可達(dá)毫米級(jí)；（4）系統(tǒng)的測量精度和空間分辨率一般來說是互相依賴的，其中U檢測信號(hào)比較弱的時(shí)候，需要系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，而O具有較高的信噪比，在檢測過程中需要對(duì)大量的信號(hào)進(jìn)行處理，例如平均信號(hào)檢測、頻率掃描、相位跟蹤等，完成測量需要很長時(shí)間。

1.2技術(shù)介紹

分布式光纖傳感器現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域，用于測量提取分布式信息，從而解決了很多測量領(lǐng)域內(nèi)的難題。分布式光纖傳感器是一種基于分布式光纖傳感技術(shù)開發(fā)的器件，其中，分布式光纖傳感技術(shù)最早是在20世紀(jì)70年代末提出來的，伴隨著光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)的出現(xiàn)及發(fā)展，使得分布式光纖傳感技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的推廣使用。近十年來，一系列分布式光纖傳感機(jī)制和測量系統(tǒng)得到了發(fā)展，并逐步應(yīng)用于許多領(lǐng)域。目前，該技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù)。分布式光纖傳感技術(shù)是可以同時(shí)測量獲得所測場的測量數(shù)據(jù)伴隨著時(shí)間和空間變化而變化的分布信息。首先，檢測信號(hào)一般較弱，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行定位。該系統(tǒng)具有較高的信噪比（SNR）。由于檢測過程中信號(hào)平均、頻率掃描和相位跟蹤的處理能力，完成測量需要很長的時(shí)間。分布式光纖傳感技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。

1.3技術(shù)發(fā)展

1、實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)光纖單元中的多個(gè)物理、化學(xué)參數(shù)的同時(shí)測量，包括溫度和應(yīng)變變化，提高了測量系統(tǒng)的測量范圍，同時(shí)縮短了測量所需的時(shí)間。2、提高了信號(hào)接收系統(tǒng)的測量能力、空間分辨率、測量的不確定度等。3、光纖傳感器的研究向基于兩個(gè)或多個(gè)維度的分布式光纖傳感器的方向發(fā)展。

二、光纖微彎曲觸覺傳感器

2.1 光纖微彎曲觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與制造

光纖微彎觸覺傳感器，其橫向光纖結(jié)構(gòu)采用嵌入硅橡膠式。設(shè)計(jì)的接觸面采用了相同 的硅橡膠，反映了光纖段的外接觸力良好。當(dāng)外接觸力作用在接觸面上時(shí)，光纖的上下接觸面會(huì)隨著硅橡膠的應(yīng)力變化產(chǎn)生的應(yīng)變變化而輕微彎曲。觸覺傳感器的尺寸必須在制造前確定。傳感器的厚度非常重要，因?yàn)樗m用于機(jī)器人的人造皮膚。傳感器越薄，就越適合人造皮膚。本文設(shè)計(jì)的傳感器厚度為2毫米。厚度為2毫米的纖維可以嵌入硅橡膠中而不會(huì)暴露出來。由于試樣的彈性，硅橡膠傳感器可以很容易地用于各種形狀，如曲面。

2.2 光測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光纖微彎觸覺傳感器的光學(xué)測量系統(tǒng)比光纖光柵觸覺傳感器的光學(xué)測量系統(tǒng)更緊湊，因?yàn)樵搨鞲衅鞑捎玫氖瞧胀ü庠?，其?shí)通過檢測光強(qiáng)度的變化來工作的，事實(shí)上，這種光纖微彎曲觸覺傳感器所需要的光纖數(shù)量較多。觸覺傳感器的分布范圍較廣，所需的光纖就越多。為了解決這個(gè)問題，我們引入了光纖束。許多纖維會(huì)聚成束。因此，許多纖維使用成束的纖維加工成一條線。

2.3 光纖微彎曲觸覺傳感器的評(píng)價(jià)

傳感器的靈敏度系數(shù)為-20灰色/N，樣品傳感器的分辨率為0.05N，通過標(biāo)定傳感器的靈敏度，可以測量得到較為準(zhǔn)確的負(fù)載值。該系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程也是非常簡單的，通過將靈敏度和光強(qiáng)度的變化值進(jìn)行乘法運(yùn)算，就可以計(jì)算得到傳感器的負(fù)載，延遲誤差約為6.3%。硅橡膠作為傳感器接觸面的材料，其特性是非線性的，無法避免延遲誤差，重復(fù)性誤差約為2%，由此可以看出，硅橡膠材料對(duì)傳感器的負(fù)載也有一定的影響。通過相同的試驗(yàn)裝置對(duì)樣品傳感器的負(fù)載進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載達(dá)到15N時(shí)，光強(qiáng)的變化與負(fù)載的變化呈非線性關(guān)系。通過插入不同的接觸面，可以估計(jì)硅橡膠接觸壓力的突變。因此，傳感器的最大承載能力為15N，這是保證光強(qiáng)度線性變化的關(guān)鍵。

結(jié)束語：

對(duì)于光纖微彎觸覺傳感器，橫向光纖嵌入彈性硅橡膠中相對(duì)簡單。得到了負(fù)載強(qiáng)度與照明強(qiáng)度的線性關(guān)系。樣品實(shí)驗(yàn)傳感器具有良好的性能：傳感器的分辨率為0.05N，最大負(fù)載能力為15N，但由于傳感器本身是由硅橡膠制成，所以存在很小的延遲誤差。設(shè)計(jì)了一種基于光纖結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)觸覺傳感器時(shí)，我們需要很多纖維，但是我們可以用它們把它們整合成一束纖維。觸覺傳感器測量系統(tǒng)由LED燈和由光源和探測器組成的電荷耦合元件組成。由于LED和電荷耦合元件體積小，傳感器的測量系統(tǒng)比光纖布拉格光柵觸覺傳感器的測量系統(tǒng)更加緊湊。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nicholls and Lee“Tactile sensing for mechatronics -astate of the art survey”，Mechatronics，Volume 9，Issue 1，1 Feb-ruary 1999，Pages 1-31

[2].Mei，W.J.Li，Y.Ge，Y.Chen，L.Ni and M.H.Chan， “An integrated MEMS threedimensional tactile sensor with large forcerange”，Sensors and Actuators （A），Vol.80，pp155-162，2000.

[3]M. J.Yoon，K.H.Yu，G.Y.Jeong，S.C.Leeand T.G.Kwon，“Development of a Distributed Flexible Tactile Sensor System”，J.of KSPE，Vol.19，No.1，pp.212-218，2002.