光纤触觉传感器的研究

作     者：郝华丽 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：荆振国

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：触觉传感器 光纤 法布里-珀罗干涉仪 核磁共振成像兼容 光纤布拉格光栅 

摘      要：当前,微创介入手术凭借着较低的手术风险性、较小的创伤、治疗时间短、快速恢复的特点,越来越受到医生和病人的青睐。特别是在临床设备中引入不具有电离辐射的核磁共振成像技术,更受到医生和患者的欢迎。 在微创介入手术过程中,手术器械会与人体组织间产生接触力,这种接触力的信息能否准确的反馈,对治疗医生来说是至关重要的。接触力信息准确的反馈给治疗医生,可以帮助医生实时判断手术进展情况,从而选择更有效的手术治疗方案。这样,开发具有核磁共振成像兼容性能的触觉传感器就显得如此重要。而光纤材料具有抗电磁干扰的特性,使其能够与核磁共振成像兼容,并且价格低廉。光纤材料诸多优点,使得光纤式触觉传感器具有较高的使用价值,也会进一步促进传感器在医疗上的更广泛的应用。本文分别基于法布里-波罗(Fabry-Perot,F-P)干涉仪原理和光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)原理,设计制作了这两种光纤触觉传感器。以下是本文的主要内容： 1.阐述了F-P传感原理和FBG传感原理。着重分析了FBG应变传感原理,在FBG受到应力时,一般只考虑轴向应力作用,而忽略切向应力的情况下对其进行分析。 2.分别制作实现了具有较高测量范围的光纤F-P触觉传感器和具有较高灵敏度的光纤F-P触觉传感器。测量了传感器的重复性、迟滞和分辨率等指标,实验测量结果和理论分析基本吻合。具有较高测量范围的光纤触觉传感器在3N测量范围内,测量灵敏度为0.23um/N,波长测量分辨率为0.2nm。具有较高灵敏度的光纤触觉传感器在0.6N的测量范围内,测量灵敏度为2.02um/N,波长测量分辨率为0.3nm。结果显示,该结构的两种传感器在各自的测量范围内,具有较好的性能指标,可以根据需要,应用于不同的场合。 3.对基于FBG原理的触觉传感器进行了研究。对制作的FBG触觉传感器进行理论分析和实验测试对比,结果显示实验和理论有较好的吻合性。在5.8N力的范围内,FBG触觉传感器的中心反射波长变化了0.286nm,得出波长/力的灵敏度为0.0491nm/N。多次测量结果的线性拟合度都在0.99以上,说明该传感器具有良好的重复性。