基于分布式光纖傳感器的觸覺傳感器

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）技術的觸覺傳感器，可以實現檢測光運輸損耗的要求，而且利用光的損失，傳感器還可以檢測到外力。本文對該傳感器進行了研究，并對其性能進行了驗證。同時介紹了分布式光纖傳感器的特點和應用領域。

關鍵詞：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器人系統。其中，觸覺傳感器是人機交互的重要手段之一。然而，由于光纖在某些惡劣環境下仍保持其具有很強的靈敏度和抗干擾能力的優勢，現代技術通常將其應用于制作觸覺傳感器行業中。由于現代工業機械應用中通常存在著電磁場和靜磁場，該觸覺傳感器通常應用于現代工業機械周邊。光纖傳感器不受潮濕環境的影響。本文設計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構和微纖維彎曲（MBOF）觸覺傳感器。簡單來說，觸覺傳感器就是使用光纖束進行布線。

一、分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感系統的原理是該系統的傳感元件和傳感信號介質全為光纖，而且不同位置光纖的溫度及應變變化利用先進的OTDR技術和OFDR技術來檢測，通過以上技術，真正實現了分布式測量。基于拉曼散射的原理，發明了可以同時測量溫度變化和應變變化的微米光學溫度測量的分布式溫度傳感系統。綜合來說，分布式光纖傳感器利用其獨特的分布式光纖檢測技術，而實現其檢測或監測光纖傳輸路徑上的空間分布和時變信息的目的，技能感測到光纖沿場邊的分布情況，獲得被測場關于空間分布和時變信息等一系列數據，對于工業應用來說有很好的發展前景和開發空間。

1.1特點

（1）該系統的傳感元件僅采用了光纖；（2）通過一次測量，就可以得到整個被測場區域范圍內的所得測量數據的一維分布，且通過設置光纖可以測量被測場數據的二維及三維分布。（3）OTDR系統的空間分辨率一般為米級，OFDR技術的空間分辨率可達毫米級；（4）系統的測量精度和空間分辨率一般來說是互相依賴的，其中U檢測信號比較弱的時候，需要系統對信號進行處理，而O具有較高的信噪比，在檢測過程中需要對大量的信號進行處理，例如平均信號檢測、頻率掃描、相位跟蹤等，完成測量需要很長時間。

1.2技術介紹

分布式光纖傳感器現在被廣泛應用于測量領域，用于測量提取分布式信息，從而解決了很多測量領域內的難題。分布式光纖傳感器是一種基于分布式光纖傳感技術開發的器件，其中，分布式光纖傳感技術最早是在20世紀70年代末提出來的，伴隨著光時域反射（OTDR）技術的出現及發展，使得分布式光纖傳感技術在工業領域內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制和測量系統得到了發展，并逐步應用于許多領域。目前，該技術已成為光纖傳感技術中最先進的技術。分布式光纖傳感技術是可以同時測量獲得所測場的測量數據伴隨著時間和空間變化而變化的分布信息。首先，檢測信號一般較弱，需要對信號進行定位。該系統具有較高的信噪比（SNR）。由于檢測過程中信號平均、頻率掃描和相位跟蹤的處理能力，完成測量需要很長的時間。分布式光纖傳感技術在短時間內得到了廣泛的關注和深入的研究。

1.3技術發展

1、實現了對單個光纖單元中的多個物理、化學參數的同時測量，包括溫度和應變變化，提高了測量系統的測量范圍，同時縮短了測量所需的時間。2、提高了信號接收系統的測量能力、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或多個維度的分布式光纖傳感器的方向發展。

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構與制造

光纖微彎觸覺傳感器，其橫向光纖結構采用嵌入硅橡膠式。設計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。當外接觸力作用在接觸面上時，光纖的上下接觸面會隨著硅橡膠的應力變化產生的應變變化而輕微彎曲。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，因為它適用于機器人的人造皮膚。傳感器越薄，就越適合人造皮膚。本文設計的傳感器厚度為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 光測量系統的設計

光纖微彎觸覺傳感器的光學測量系統比光纖光柵觸覺傳感器的光學測量系統更緊湊，因為該傳感器采用的是普通光源，其實通過檢測光強度的變化來工作的，事實上，這種光纖微彎曲觸覺傳感器所需要的光纖數量較多。觸覺傳感器的分布范圍較廣，所需的光纖就越多。為了解決這個問題，我們引入了光纖束。許多纖維會聚成束。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價

傳感器的靈敏度系數為-20灰色/N，樣品傳感器的分辨率為0.05N，通過標定傳感器的靈敏度，可以測量得到較為準確的負載值。該系統的校準過程也是非常簡單的，通過將靈敏度和光強度的變化值進行乘法運算，就可以計算得到傳感器的負載，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，重復性誤差約為2%，由此可以看出，硅橡膠材料對傳感器的負載也有一定的影響。通過相同的試驗裝置對樣品傳感器的負載進行了驗證，結果發現當負載達到15N時，光強的變化與負載的變化呈非線性關系。通過插入不同的接觸面，可以估計硅橡膠接觸壓力的突變。因此，傳感器的最大承載能力為15N，這是保證光強度線性變化的關鍵。

結束語：

對于光纖微彎觸覺傳感器，橫向光纖嵌入彈性硅橡膠中相對簡單。得到了負載強度與照明強度的線性關系。樣品實驗傳感器具有良好的性能：傳感器的分辨率為0.05N，最大負載能力為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。設計了一種基于光纖結構的觸覺傳感器。當我們設計觸覺傳感器時，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，傳感器的測量系統比光纖布拉格光柵觸覺傳感器的測量系統更加緊湊。

參考文獻：

[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.