[發明專利]一種磁共振安全的旋轉編碼器及旋轉角度檢測方法

有效

• 申請號: 202110483123.5
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113253169B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 高安柱;黃少平;楊廣中
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01R33/20
• 分類號: G01R33/20
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種磁共振安全的旋轉編碼器，包括旋轉軸、偏心輪、軸承、軸套、形狀感知應變片、光纖布拉格光柵傳感器、溫度補償應變片、楔形槽、固定楔子、后蓋和套管；旋轉軸與待測物相連接；偏心輪穿設在旋轉軸尾端，旋轉軸帶動偏心輪旋轉；軸承安裝在軸套的兩側；軸套穿設在旋轉軸上；形狀感知應變片與偏心輪接觸設置，形狀感知應變片和溫度補償應變片安裝在楔形槽，固定楔子用于固定形狀感知應變片和溫度補償應變片；光纖布拉格光柵傳感器安裝在形狀感知應變片上。本發明解決了傳統基于FBG的檢測方法的測量范圍太小，無法檢測360°旋轉角度的問題；此外，該結構便于用磁共振安全的材料制作，實現編碼器的磁共振安全特性。

技術領域

本發明涉及磁共振的技術領域，具體地，涉及一種磁共振安全的旋轉編碼器及旋轉角度檢測方法。

背景技術

隨著磁共振成像技術在硬件及算法方面的日趨成熟，近年來它用于機器人介入手術的實時導航方面的潛力引起了越來越多的關注。相比于傳統的CT、PET及超聲成像，磁共振無電離輻射，并且有著更加豐富的軟組織信息，還可以用于溫度、動態血流檢測。近年來，MRI引導的手術機器人也推陳出新，表現出巨大的臨床潛力。它相比醫生的操作，有著高精度、高可靠、易操作等優點。然而，磁共振環境下，傳統的設備涉及到磁兼容問題難以被應用。要求每個零部件都能在磁共振的環境下正常工作。美國測試與材料學會將用于該環境下的設備分為三個等級：磁共振安全；磁共振兼容；磁共振不安全。其中磁共振安全的設備，安全系數最高，適用于所有的磁共振場景。而磁共振兼容的產品需要針對特定的場景進行測試。目前，部分磁共振安全/兼容的驅動器、傳感器已經被應用于實際工作中。但是磁共振安全的角度傳感器仍然較為稀少。

磁共振安全的旋轉角編碼器的技術難點在于尋找一種磁共振安全的角度檢測方法。傳統的采用光電效應、電阻變化的方法將不再適用。光纖是一種天然的磁共振安全的器件。為此，現有技術采用光纖內光強變化的原理來設計磁共振安全的角度編碼器。該裝置通過在圓盤上設置一定規律的反射片，再設計光纖末端與反射片垂直，從而實現有無反射片情況下的反射光強變化。

現有技術的不足之處是：對于光強式的編碼器，由于光經過長距離傳輸后，光的強度會衰減、波動，因此對光源的穩定性控制要求極高。且外部的機械振動也會導致光纖末端對位不準，進而導致光強檢測產生波動。并且，由于加工技術的限制，要實現高精度的檢測，需要設置大量的反射點。而小尺寸的傳感器由于空間有限，難以加工大量刻槽，從而難以達到高精度檢測。最后，傳統的光纖布拉格光柵傳感器的檢測應變范圍較小，現有的技術只能檢測有限范圍內的旋轉角度。因此，需要提出一種技術方案以改善上述技術問題。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種磁共振安全的旋轉編碼器及旋轉角度檢測方法。

根據本發明提供的一種磁共振安全的旋轉編碼器，包括旋轉軸、偏心輪、軸承、軸套、形狀感知應變片、光纖布拉格光柵傳感器、溫度補償應變片、楔形槽、固定楔子、后蓋和套管；

所述旋轉軸與待測物相連接；所述偏心輪穿設在旋轉軸尾端，并由旋轉軸帶動偏心輪旋轉；

所述軸承安裝在軸套的兩側；所述軸套穿設在旋轉軸上；

所述形狀感知應變片與偏心輪接觸設置，且所述形狀感知應變片和溫度補償應變片安裝在楔形槽，所述固定楔子用于固定形狀感知應變片和溫度補償應變片；

所述光纖布拉格光柵傳感器安裝在形狀感知應變片上，所述光纖布拉格光柵傳感器上的光纖經過后蓋穿過套管與外部光柵解調器相連接；

所述旋轉軸發生旋轉，形狀感知應變片與偏心輪的接觸點的運動軌跡近似為正弦曲線。

本發明還提供一種磁共振安全的旋轉編碼器的旋轉角度檢測方法，所述方法包括上述中的一種磁共振安全的旋轉編碼器，所述方法包括如下步驟：

步驟1：建立旋轉軸的旋轉角θ與形狀感知應變片122與偏心輪121的接觸點P點坐標的幾何關系；