光纤光栅曲线形状传感器的封装装置与封装方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤光栅曲线形状传感器的封装装置与封装方法,其包括丝杠螺母平台收紧装置、拉力传感器、支撑装置、夹紧装置、标定块、基材光纤光栅封装体以及底座,光纤光栅曲线形状传感器包括镍钛记忆合金丝、光纤光栅固定套管、光纤光栅组,镍钛记忆合金丝上刻有四十段槽,光纤光栅组为四根刻有光栅点的光纤。本发明针对目前已有的细长柔性杆三维空间定位传感器,在不改变检测原理的前提下对传感器进行标准化封装,同时对传感器内部的记忆合金丝以及固定管套部分进行优化设计,以达到封装精度最优化。
【专利说明】
光纤光栅曲线形状传感器的封装装置与封装方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种医疗器械诊断技术,特别是涉及一种光纤光栅曲线形状传感器的 封装装置与封装方法。
【背景技术】
[0002] 近年来,随着机械电子工程技术、智能传感技术、生物医学工程技术等学科的发 展,传统医疗器械的功能被大大增强。在微创外科手术中,内窥镜被作为一种重要的诊断器 械,在探视病变方面具有极高的价值。在结肠检查过程中,由于存在多个弯道,并且医生在 手术过程中不能预知内窥镜的形状。在深入过程中,镜体容易发生刮擦甚至穿刺组织等危 及病人生命的情况。因此有必要对人体管道内的内窥镜形状进行探测。光纤光栅传感器为 解决内窥镜形状感知提供了一条可行的路径。上海大学医疗机器人研究课题组在近几年对 基于光纤光栅的智能内窥镜感知系统进行了一系列研究。
[0003] 专利号为200510025854.6的专利"软性内窥镜三维曲线形状检测装置和方法"描 述了一种内窥镜三维检测系统,该系统由柔性检测杆、光纤光栅解调设备和计算机连接而 成,在柔性检测杆上沿轴向设置两根成一组的多组光纤光栅,构成传感网络。通过传感器标 定、波长数据采集、绘制曲线形状等步骤实现对镜体形状的实时检测。
[0004] 专利号为200620047636.2的专利"医用内窥镜本体三维定位系统"描述了一种使 用CCD摄像机的内窥镜本体定位方法。该系统包含两个CCD相机、一块图像采集卡、一块摄像 机标定板、内窥镜及其附属平台和一台计算机。摄像头通过标定以及识别安装在内窥镜本 体上的标志点显示出镜体形状。
[0005] 专利号为200710043767.2的专利"细长柔性杆的空间形状检测装置和方法"具体 描述了一种形状传感器装置。该装置在细长柔性杆上布置一组四根光纤组成的光栅阵列, 利用光纤光栅解调仪测得细长杆在空间的五个离散点处的二十个光栅点的中心波长,从而 测得离散点处的空间曲率大小和方向,结合数据处理模块重建出该杆的三维形状。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤光栅曲线形状传感器的封装装置与 封装方法,其针对目前已有的细长柔性杆三维空间定位传感器,在不改变检测原理的前提 下对传感器进行标准化封装,同时对传感器内部的记忆合金丝以及固定管套部分进行优化 设计,以达到封装精度最优化。
[0007] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种光纤光栅曲线形状传感 器的封装装置,其特征在于,所述光纤光栅曲线形状传感器的封装装置包括丝杠螺母平台 收紧装置、拉力传感器、支撑装置、夹紧装置、标定块、基材光纤光栅封装体和底座,拉力传 感器位于丝杠螺母平台收紧装置和支撑装置之间,夹紧装置位于支撑装置和标定块之间, 基材光纤光栅封装体的两端分别与一个标定块连接,丝杠螺母平台收紧装置、拉力传感器、 支撑装置、夹紧装置、标定块都位于底座上。
[0008] 优选地,所述光纤光栅曲线形状传感器的封装装置用于对光纤光栅曲线形状传感 器进行封装,光纤光栅曲线形状传感器包括镍钛记忆合金丝、光纤光栅固定套管、光纤光栅 组,镍钛记忆合金丝上刻有四十段槽,光纤光栅组为四根刻有光栅点的光纤。
[0009] 优选地,所述支撑装置包括支撑装置与支撑盖板,支撑装置与支撑盖板通过螺钉 锁紧,用以支撑镍钛记忆合金基材。
[0010] 优选地,所述夹紧装置包括夹紧块和夹紧盖板,夹紧块和夹紧盖板通过螺钉锁紧, 用以固定镍钛记忆合金基材。
[0011] 优选地,所述镍钛记忆合金丝中在相距100mm的十个位置处各自刻出四条槽,且相 互之间呈90°关系,每条槽的长度为45mm。
[0012] 优选地,所述光纤光栅固定套管中含有一个直径为1mm的中心孔以及周围含有 0.3mm直径的梅花孔,且相邻的梅花孔的中心呈90°夹角。
[0013] 优选地,所述光栅固定套管采用梅花形式,光纤光栅固定套管中含有一个直径为 1mm的中心孔以及周围含有0.3mm直径的梅花孔,且相邻的梅花孔的中心呈90°夹角,总长度 为4_,中间孔用于将镍钛记忆合金丝穿入其中,旁边的梅花孔分别用于穿入光纤光栅。
[0014] 本发明还提供一种光纤光栅曲线形状传感器的封装方法,其特征在于,其包括以 下步骤: 步骤一、将底座放于水平面上,并在底座的适当位置上安装夹紧装置和丝杠螺母平台 收紧装置; 步骤二、将镍钛记忆合金丝用酒精擦拭干净,穿过夹紧装置;一端与支撑装置固连,调 整好丝杠螺母平台收紧装置的位置,以便进行前后移动操作; 步骤三、用酒精清洁光纤光栅固定套管,并将二十个光栅点光纤光栅固定套管从远离 拉力传感器的一端套入镍钛记忆合金丝; 步骤四、锁紧远离拉力传感器端的夹紧装置,移动丝杠螺母平台收紧装置拉伸镍钛记 忆合金丝,按照计算得出的合金丝拉应变数值以拉力传感器为参考调节拉力大小;由于光 纤光栅组的拉压极限应变不一致,通常拉伸极限应变小于压缩极限应变,为了使封装后的 光纤光栅曲线形状传感器拉压极限应变一致,需要对光纤光栅施加一个预压应力,体现在 记忆合金丝上便是预拉应力,此应力可通过光纤光栅的极限拉压应变计算得出; 步骤五、调节好每个光纤光栅固定套管的周向位置,将光纤光栅组按顺时针依次穿入 光纤光栅固定套管,按照光栅点的排布图对四根光纤中的光栅位置进行调整;穿入完毕后 将光栅点嵌入镍钛记忆合金丝基材的槽中,并调节光栅点在基材轴向上的位置,使每一个 空间检测点上的相邻光栅点处于同一个轴向位置上; 步骤六、使用树脂均匀涂覆在每一个空间检测点处,保证每一个光纤光栅组的光栅点 处涂覆的胶水尽量均匀光滑;待涂覆完毕后需再次将光栅调整至嵌入镍钛记忆合金丝基材 的槽中的状态,以此状态为光纤光栅与基材的最终相对位置关系; 步骤七、等待24-48小时胶水凝固,在远离拉力传感器的夹紧装置处锁上标定块; 步骤八、将基材每隔半小时松开1/4拉伸量,以免出现应力集中现象;待完全松开后将 基材光纤光栅封装体从夹紧装置中取出; 步骤九、将光纤光栅组按在光纤光栅固定套管的位置依次编号; 步骤十、套上塑胶管,用电吹风机吹紧,并在另一端锁上标定块后即可完成封装。
[0015] 优选地,所述胶水的配方为树脂与环氧胶的质量比等于1比3。
[0016] 优选地,所述丝杠螺母平台收紧装置施加的预拉力为
,e-max表 示光纤光栅能够承受的最大压应变,表示光纤光栅能够承受的最大拉应变,且| e-max | > e+max | ;在拉力传感器松开后,传感器受到的拉、压能力相同,应变量程达到最大。
[0017] 本发明的积极进步效果在于:本发明具有以下优点: 一、本发明通过对光纤光栅点的初步固定和辅助固定,极大地减小了相邻光栅点的位 置误差以及同一根光纤上的光栅点的轴向封装误差。在技术上仅需控制基材开槽的加工精 度即可实现对封装精度的掌控。
[0018] 二、本发明经过对多种胶水的多种配比实验后,使用了目前为止最佳的胶水配方, 该配方能够保证将基材弯曲的曲率最大限度地传递至光纤光栅上,使光栅点的曲率灵敏度 达到最大。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置整体示意图。
[0020] 图2为本发明光纤光栅曲线形状传感器的基材光纤光栅封装体结构示意图。
[0021] 图3为本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置中的支撑装置结构示意图。
[0022] 图4为本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置中的夹紧装置结构示意图。
[0023] 图5为本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置中的镍钛记忆合金基材的优化 主视图。
[0024] 图6为本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置中的镍钛记忆合金基材的A-A 方向的剖视图。
[0025] 图7为本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置中使用的光纤光栅固定套管的 结构示意图。
[0026] 图8为本发明光纤光栅曲线形状传感器的预压封装原理图。
[0027]图9为本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置中的四条光纤中光栅点(CH1、 CH2、CH3、CH4)的轴向排布图。
[0028]图10为本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置中的四条光纤中光栅点的周 向排布图。
【具体实施方式】
[0029 ]下面结合附图给出本发明较佳实施例,以详细说明本发明的技术方案。
[0030]如图1、图2、图3和图4所示,本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装装置包括丝杠 螺母平台收紧装置1、拉力传感器2、支撑装置3、夹紧装置4、标定块5、基材光纤光栅封装体6 和底座7,拉力传感器2位于丝杠螺母平台收紧装置1和支撑装置3之间,夹紧装置4位于支撑 装置3和标定块5之间,基材光纤光栅封装体6的两端分别与一个标定块5连接,丝杠螺母平 台收紧装置1、拉力传感器2、支撑装置3、夹紧装置4、标定块5都位于底座7上。
[0031]光纤光栅曲线形状传感器的封装装置用于对光纤光栅曲线形状传感器进行封装, 光纤光栅曲线形状传感器包括镍钛记忆合金丝8、光纤光栅固定套管9、光纤光栅组10,镍钛 记忆合金丝上刻有四十段槽,光纤光栅组为四根刻有光栅点的光纤。
[0032] 支撑装置3包括支撑装置11与支撑盖板12,支撑装置11与支撑盖板12通过螺钉锁 紧,用以支撑镍钛记忆合金基材。
[0033] 夹紧装置4包括夹紧块13和夹紧盖板14,夹紧块13和夹紧盖板14通过螺钉锁紧,用 以固定镍钛记忆合金基材。
[0034] 镍钛记忆合金丝中在相距100mm的十个位置处各自刻出四条槽,且相互之间呈90° 关系,每条槽的长度为45mm。使用此方案的目的在于将光栅点嵌入槽中固定,对光栅点起到 预固定作用。
[0035] 所述光栅固定套管采用梅花形式,光纤光栅固定套管中含有一个直径为1mm的中 心孔以及周围含有〇.3mm直径的梅花孔,且相邻的梅花孔的中心呈90°夹角,总长度为4mm, 中间孔用于将镍钛记忆合金丝穿入其中,旁边的梅花孔分别用于穿入光纤光栅。此方案的 目的在于对每一个光栅点在嵌入基材槽之后进行辅助固定。
[0036] 如图1至图10所示,本发明光纤光栅曲线形状传感器的封装方法包括以下步骤: 步骤一、将底座7放于水平面上,并在底座的适当位置上安装夹紧装置4和丝杠螺母平 台收紧装置1; 步骤二、将镍钛记忆合金丝8用酒精擦拭干净,穿过夹紧装置4; 一端与支撑装置3固连, 调整好丝杠螺母平台收紧装置1的位置,以便进行前后移动操作; 步骤三、用酒精清洁光纤光栅固定套管9,并将二十个光栅点光纤光栅固定套管从远离 拉力传感器2的一端套入镍钛记忆合金丝8; 步骤四、锁紧远离拉力传感器2端的夹紧装置4,移动丝杠螺母平台收紧装置1拉伸镍钛 记忆合金丝8,按照计算得出的合金丝拉应变数值以拉力传感器2为参考调节拉力大小。由 于光纤光栅组10的拉压极限应变不一致,通常拉伸极限应变小于压缩极限应变,为了使封 装后的光纤光栅曲线形状传感器拉压极限应变一致,需要对光纤光栅施加一个预压应力, 体现在记忆合金丝上便是预拉应力,此应力可通过光纤光栅的极限拉压应变计算得出; 步骤五、调节好每个光纤光栅固定套管9的周向位置,将光纤光栅组10按顺时针依次穿 入光纤光栅固定套管,按照光栅点的排布图对四根光纤中的光栅位置进行调整;穿入完毕 后将光栅点嵌入镍钛记忆合金丝基材的槽中,并调节光栅点在基材轴向上的位置,使每一 个空间检测点上的相邻光栅点处于同一个轴向位置上; 步骤六、使用树脂均匀涂覆在每一个空间检测点处,保证每一个光纤光栅组10的光栅 点处涂覆的胶水B尽量均匀光滑;待涂覆完毕后需再次将光栅调整至嵌入镍钛记忆合金丝 基材的槽中的状态,以此状态为光纤光栅与基材的最终相对位置关系; 步骤七、等待24-48小时胶水凝固,在远离拉力传感器2的夹紧装置4处锁上标定块; 步骤八、将基材每隔半小时松开1/4拉伸量,以免出现应力集中现象;待完全松开后将 基材光纤光栅封装体6从夹紧装置4中取出; 步骤九、将光纤光栅组10按在光纤光栅固定套管9的位置依次编号; 步骤十、套上塑胶管,用电吹风机吹紧,并在另一端锁上标定块5后即可完成封装。
[0037] 本发明使用树脂与环氧胶的质量比等于1比3的胶水。
[0038] 所述丝杠螺母平台收紧装置施加的预拉力为
,e-max表示光纤 光栅能够承受的最大压应变,£+^\表示光纤光栅能够承受的最大拉应变,且| £iax | > | e+max ;在拉力传感器松开后,传感器受到的拉、压能力相同,应变量程达到最大。
[0039]以上所述的具体实施例,对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制 本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本 发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种光纤光栅曲线形状传感器的封装装置,其特征在于,所述光纤光栅曲线形状传 感器的封装装置包括丝杠螺母平台收紧装置、拉力传感器、支撑装置、夹紧装置、标定块、基 材光纤光栅封装体和底座,拉力传感器位于丝杠螺母平台收紧装置和支撑装置之间,夹紧 装置位于支撑装置和标定块之间,基材光纤光栅封装体的两端分别与一个标定块连接,丝 杠螺母平台收紧装置、拉力传感器、支撑装置、夹紧装置、标定块都位于底座上。2. 如权利要求1所述的光纤光栅曲线形状传感器的封装装置,其特征在于,所述光纤光 栅曲线形状传感器的封装装置用于对光纤光栅曲线形状传感器进行封装,光纤光栅曲线形 状传感器包括镍钛记忆合金丝、光纤光栅固定套管、光纤光栅组,镍钛记忆合金丝上刻有四 十段槽,光纤光栅组为四根刻有光栅点的光纤。3. 如权利要求2所述的光纤光栅曲线形状传感器的封装装置,其特征在于,所述支撑装 置包括支撑装置与支撑盖板,支撑装置与支撑盖板通过螺钉锁紧,用以支撑镍钛记忆合金 基材。4. 如权利要求2所述的光纤光栅曲线形状传感器的封装装置,其特征在于,所述夹紧装 置包括夹紧块和夹紧盖板,夹紧块和夹紧盖板通过螺钉锁紧,用以固定镍钛记忆合金基材。5. 如权利要求2所述的光纤光栅曲线形状传感器的封装装置,其特征在于,所述镍钛记 忆合金丝中在相距100mm的十个位置处各自刻出四条槽,且相互之间呈90°关系,每条槽的 长度为45mm。6. 如权利要求2所述的光纤光栅曲线形状传感器的封装装置,其特征在于,所述光纤光 栅固定套管中含有一个直径为1mm的中心孔以及周围含有0.3mm直径的梅花孔,且相邻的梅 花孔的中心呈90°夹角。7. 如权利要求2所述的光纤光栅曲线形状传感器的封装装置,其特征在于,所述光栅固 定套管采用梅花形式,光纤光栅固定套管中含有一个直径为1mm的中心孔以及周围含有 0.3mm直径的梅花孔,且相邻的梅花孔的中心呈90°夹角,总长度为4mm,中间孔用于将镍钛 记忆合金丝穿入其中,旁边的梅花孔分别用于穿入光纤光栅。8. -种光纤光栅曲线形状传感器的封装方法,其特征在于,其包括以下步骤: 步骤一、将底座放于水平面上,并在底座的适当位置上安装夹紧装置和丝杠螺母平台 收紧装置; 步骤二、将镍钛记忆合金丝用酒精擦拭干净,穿过夹紧装置;一端与支撑装置固连,调 整好丝杠螺母平台收紧装置的位置,以便进行前后移动操作; 步骤三、用酒精清洁光纤光栅固定套管,并将二十个光栅点光纤光栅固定套管从远离 拉力传感器的一端套入镍钛记忆合金丝; 步骤四、锁紧远离拉力传感器端的夹紧装置,移动丝杠螺母平台收紧装置拉伸镍钛记 忆合金丝,按照计算得出的合金丝拉应变数值以拉力传感器为参考调节拉力大小;由于光 纤光栅组的拉压极限应变不一致,通常拉伸极限应变小于压缩极限应变,为了使封装后的 光纤光栅曲线形状传感器拉压极限应变一致,需要对光纤光栅施加一个预压应力,体现在 记忆合金丝上便是预拉应力,此应力可通过光纤光栅的极限拉压应变计算得出; 步骤五、调节好每个光纤光栅固定套管的周向位置,将光纤光栅组按顺时针依次穿入 光纤光栅固定套管,按照光栅点的排布图对四根光纤中的光栅位置进行调整;穿入完毕后 将光栅点嵌入镍钛记忆合金丝基材的槽中,并调节光栅点在基材轴向上的位置,使每一个 空间检测点上的相邻光栅点处于同一个轴向位置上; 步骤六、使用树脂均匀涂覆在每一个空间检测点处,保证每一个光纤光栅组的光栅点 处涂覆的胶水尽量均匀光滑;待涂覆完毕后需再次将光栅调整至嵌入镍钛记忆合金丝基材 的槽中的状态,以此状态为光纤光栅与基材的最终相对位置关系; 步骤七、等待24-48小时胶水凝固,在远离拉力传感器的夹紧装置处锁上标定块; 步骤八、将基材每隔半小时松开1/4拉伸量,以免出现应力集中现象;待完全松开后将 基材光纤光栅封装体从夹紧装置中取出; 步骤九、将光纤光栅组按在光纤光栅固定套管的位置依次编号; 步骤十、套上塑胶管,用电吹风机吹紧,并在另一端锁上标定块后即可完成封装。9. 如权利要求8所述的光纤光栅曲线形状传感器的封装方法,其特征在于,所述胶水的 配方为树脂与环氧胶的质量比等于1比3。10. 如权利要求8所述的光纤光栅曲线形状传感器的封装方法,其特征在于,所述丝杠 螺母平台收紧装置施加的预拉力为,e-max表示光纤光栅能够承受的最 大压应变,e+max表不光纤光栅能够承受的最大拉应变,且|e_max |>|e+max |;在拉力传感器松 开后,传感器受到的拉、压能力相同,应变量程达到最大。
【文档编号】G01B11/24GK106052582SQ201610337778
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月22日
【发明人】肖海, 章亚男, 沈林勇
【申请人】上海大学