基于分布式光纤传感器的触觉传感器

　　摘要：本文介绍了两种利用光纤传感器的触觉传感器。一种是光纤布拉格光栅（FBG）触觉传感器。布拉格光栅反映在布拉格波长的光谱组成部分，这种传感器可以检测外部强迫使用的反射波长的变化。另一种触觉传感器采用光纤微弯曲（MBOF）触觉传感器。该传感器能够感应光传输的损耗。利用光的损失，该传感器也可以检测外部力量。在本论文中，我们对两种传感器都进行了研究，并对两种触觉传感器的性能进行了验证。

　　关键词：触觉传感器分布式光纤光栅微弯曲

　　作者：王庆磊1张军鹏2

　　中图分类号：TP274.4文献标识码：A文章编号：1007-9416(2012)05-0207-02

　　1、引言

　　近年来，许多研究人员潜心研究拥有视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉人类五官的智能机器人系统。其中，触觉传感器是人类与机器人之间的交互的重要手段之一[1]。在智能机器人和触觉接口中引入了好几种触觉传感器，用来检测压力、质地和温度等的变化。一些应用微型机电系统的触觉传感器技术在这一领域得到了广泛应用[2-5]。但是，在本论文中，使用光纤传感器制造一种触觉传感器。光纤在某些恶劣环境下具有诸如敏感和抗干扰能力强的特性，特别适合应用在在工业机械周围，因为这里普遍存在电磁场和静电场。光纤传感器不受潮湿环境的影响。在本论文中，我们设计了两种使用光纤传感器的触觉传感器。一种是利用光纤布拉格光栅（FBG）传感器的触觉传感器。这种类型的触觉传感器可以简单描述成有宽带光源和一些光纤光栅组成的波长复用方法，在给定的光纤中拥有不同的布拉格波长。另一种采用微型光纤弯曲（MBOF）的触觉传感器在硅橡胶中使用横光纤结构。这种触觉传感器的类型也可以简单描述为采用光学纤维束布线。此传感器的光学测量系统由一个单光源和探测器紧凑的设计在一起。

　　2、光纤布拉格光栅触觉传感器

　　光纤布拉格光栅触觉传感器通过检测返回的布拉格信号波长的位移来感应压力和温度的变化。传感器系统包括布拉格光栅的典型工作---即从宽带源向光纤中注入光。结果，光栅引起布拉格波长的窄谱分量的变化，或者在传送过程中，这一部分在观测到的光谱丢失。布拉格波长是由材料的折射率和光栅间距决定的。因此，光纤布拉格光栅触觉传感器通过检测布拉格波长位移的改变来做出相应变化。因此，光纤通过获取外部压力信息来引起自身动态压力的变化。

　　光纤布拉格光栅触觉传感器的设计与制作。

　　为了设计触觉传感器元件，引起光强减弱和布拉格信号失真的微弯曲度必须考虑在内。为了避免这些因素，我们设计为桥式传感器。在与传感器的轮辋密切相关的布拉格光栅光纤方向上，这种传感器能够对称的扩展。

　　所制作对的样本传感器有待进一步评估。通过评测，我们发现桥式传感器的布拉格波长和作用力之间的线性关系。原型传感器的精度为99.9％，而分辨率约为0.001N。这种压力传感器的分辨率取决于用来测量布拉格波长的可调法布里-珀罗滤波器的精度。如果可调法布里-珀罗滤波器精度提高，力传感器的分辨率会加强。同时，通过对比，这种传感器证明具有重复使用频率高和较小的延迟等优点。

　　3、光纤微弯曲触觉传感器

　　3.1光纤微弯曲触觉传感器的结构与制造

　　为了设计光纤微弯曲触觉传感器，我们使用了嵌入在硅橡胶中的横光纤架构。所设计的接触面具有相同的硅橡胶，集中体现光纤横截面的外部接触力。当这一接触力作用于接触面时，光纤的上表面和下表面通过硅橡胶内应力的变化同时发生微弯曲。在开始制作触觉传感器元件之前，维数必须首先确定下来。该传感器因为要应用于机器人的人工皮肤上，所以它的厚度是非常重要的。传感器越薄，就越适合用于人工皮肤。通过实验验证，在这篇论文中，我们的传感器厚度为2mm。2mm的厚度能够使光纤嵌入到硅橡胶中而不至于裸露在外。由于硅橡胶传感器，试验样本相当具有弹性，因此，他可以轻易的用于诸如曲面等各种形状。

　　3.2光测量系统的设计

　　光纤微弯曲触觉传感器的光测量系统比光纤布拉格光栅触觉传感器更加紧凑，因为此种传感器用普通光源，同时通过检测光强度的改变来发挥作用。但是，事实上，这类触觉传感器相比于光纤布拉格光栅触觉传感器需要更多的光纤。触觉传感器分布的越广，需要的光纤越多。为了解决这个问题，我们引入光纤束。很多条光纤聚合在一起成为光纤束。因此，通过使用光纤束，许多条光纤被处理成一条线。

　　光纤微弯曲触觉传感器的光测量系统由一个简单的光源和一个光检测器组成。我们用一个小的LED灯作为光源，用电荷耦合器件作为这个传感器系统的光检测器。通过使用两者，整个光测量系统的尺寸变得最小。每个光纤的强度变化可以由电荷耦合器测量一次，即使使用的光纤束也是这样。同时，光强的改变由电荷耦合器的输出信号进行计算。用电荷耦合器输出信号的灰度值来表示光纤的光强度的变化。

　　3.3光纤微弯曲触觉传感器的评价

　　这种传感器的敏感系数为-20灰度值/N，这个样本传感器的分辨率为0.05N。通过校准传感器的灵敏度，可以获得传感器的确切的负载量。校准过程是非常简单的。我们把敏感度和光强改变量相乘，可以计算出传感器的负载量。但是，会有约6.3%的延迟误差。因为此类传感器的原材料硅橡胶的特质是非线性的，所以这种延迟误差无法避免。重复性误差约为2%。硅橡胶也对传感器的负载产生一定的影响。通过相同的实验设备，我们验证了实验样本传感器的最大负荷量。光强变化和应用负载之间的线性关系在承载量达到15N时产生变化，成非线性关系。通过插入接触面的不同，这种现象可以用来估算硅橡胶接触面所承受压力的突变量。因此，这种传感器的最大承载量为15N，这是保证光强成线性变化的临界点。

　　4、结语

　　光纤布拉格光栅触觉传感器通过检测布拉格波长的变化来获得额外的分布力信息。这种传感器有一个桥式传感器和一根光纤组成，结构比较简单。这类桥式传感器能够修正嵌入在光纤中的布拉格光栅微小弯曲和鸣响的影响。我们制作和评价了光纤布拉格光栅触觉传感器。结果，所制作的光纤布拉格光栅触觉传感器表现出了很高的准确性，分辨率达到了0.001N。同时，我们设计和实验了光纤布拉格光栅触觉传感器的3*3光纤传感器阵列。这个3*3的传感器阵列在每根光纤中有九个不同的布拉格光栅。也就是说，设计一种简单的接线和结构紧凑的触觉传感器系统是可能的。但是，光纤布拉格光栅触觉传感器的测量系统相当笨重和昂贵。

　　对于光纤微弯曲触觉传感器，嵌入在弹性硅橡胶中的横光纤结构也是较为简单的。负载强度和光强变化的线性关系已经有实验得出。所制作的样本实验传感器有很好的表现：传感器的分辨率为0.05N，最大承载量为15N。但是，因为传感器本身材质硅橡胶的原因，有一个小的延迟误差存在。我们设计了基于传感器的光纤织物结构的触觉传感器。当我们设计了触觉传感器的时候，需要很多光纤，但是我们可以使用光纤束把它们集成一束光纤。触觉传感器的测量系统是由一个LED灯和一个由光源和检测器组成的电荷耦合元件组成的。由于使用了小的LED和电荷耦合元件，这种传感器的测量系统相对于光纤布拉格光栅触觉传感器，更加紧凑。