Polymer-Based Optical Waveguide Tactile Sensing Method for 3-D Surfaces

波导管 弯曲半径 光学 线性 材料科学 灵敏度(控制系统) 多模光纤 光纤 弯曲 计算机科学 物理 电子工程 工程类 复合材料
作者
Jian Hu,Danqian Cao,Yue Li,Hongbin Liu
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:23 (8): 8761-8768 被引量:3
标识
DOI:10.1109/jsen.2023.3252263
摘要

At present, most tactile sensors are fabricated based on the flat surface, which greatly limits their applications in the 3-D scenario. To deal with the bottleneck, this article proposes a polymer-based optical waveguide sensing method. The waveguide can be integrally formed along a channel within a 3-D surface. Microbending light loss of a waveguide is the sensing principle. By studying the linearity between the degree of microbending and light loss, the feasibility analysis of spherical tactile sensing element (tactile) was completed, as well as the basis for size selection of it. In addition, the key to layout on 3-D surface of the proposed sensing method is that the bending radius of the waveguide is within the critical angle of total internal reflection (TIR). By normalizing the ratio of the side length of the cross Section to the bending radius, it is shown that the light loss does not increase when the proportionality coefficient is less than 0.3. The experiment is validated by embedding four tactiles in a 3-D surface. The cross Section of the waveguide is $1.5\times1.5$ mm. We demonstrated that the static hysteresis error for a tactile is less than 16% within 595 kPa, the best sensing sensitivity is ${1}.{42} \times {{10}}^{-{5}} {}{\text {kPa}}^{-{1}}$ , and the maximum measurement range is from 0 to 850 kPa. As for the dynamic measurement, the tactile can rapidly response the signal change with given frequencies (the maximum is 10 Hz). The average delay time is around 12 ms.
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