[发明专利]基于光纤光栅的力矢量测量装置

说明书

本发明公开了基于光纤光栅的力矢量测量装置，包括柔性实体和光纤光栅传感阵列，所述光纤光栅传感阵列设置在柔性实体内部；所述柔性实体内含空心球腔，并且柔性实体呈正方体设置，光纤光栅传感阵列包括第一光纤光栅串和第二光纤光栅串，所述第一光纤光栅串和第二光纤光栅串均嵌设在柔性实体内部并且位于空心球腔的下方；本发明所述的基于光纤光栅的力矢量测量装置，本发明无需在Z轴布置光纤光栅传感器，且装置结构简单，通过在二维平面布置传感器即可实现力矢量的测量，提高力矢量测量精度，两组光纤光栅串之间应变相互影响较小，提高单一维度测量的准确性，降低各维度间的耦合干扰。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器领域，特别涉及基于光纤光栅的力矢量测量装置。

背景技术

多维力传感器伴随着机器人技术的发展而产生，装载在机器人关节、腕部及指尖等部位，将机器人所处的环境作用力信息实时感知并反馈给控制系统或操控人员，协助机器人完成包装码垛、装注塑成型和打磨焊接等工作，多维力传感器可同时检测多个方向上的力信息，是机器人控制系统的核心仪器之一，现有的多维力传感器大都基于电阻应变计、压电薄膜等传统的敏感元件设计而成，这些敏感元件以弱电为传感信号，存在着信号易受电磁干扰、温度零漂、引线数量多、体积较大、难以与诸如微创手术机器人微小的手术臂融合等实际问题，光纤光栅是利用光纤的光敏特性在细微的光纤纤芯上建立周期性折射率分布，从而控制光在该区域的传播方式，是一种新型无源光器件，具备无电检测、不受电磁干扰、可耐高温、无零漂、精度高、体积微小、一根光纤可串接多个光栅等优势，在机器人传感领域崭露头角。

现有装置通过粘结剂将光纤光栅传感器粘贴在十字梁结构表面的多维力传感器，受制造和安装误差等因素的影响，各维度间存在耦合干扰，影响传感器的精度和可靠性，而通过聚合物实体封装光纤光栅的多维力传感器，灵敏度较低，测量范围有限，为此，我们提出基于光纤光栅的力矢量测量装置。

发明内容

本发明的主要目的在于提供基于光纤光栅的力矢量测量装置，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于光纤光栅的力矢量测量装置，包括柔性实体和光纤光栅传感阵列，所述光纤光栅传感阵列设置在柔性实体内部，所述柔性实体内含空心球腔，并且柔性实体呈正方体设置，光纤光栅传感阵列包括第一光纤光栅串和第二光纤光栅串，所述第一光纤光栅串和第二光纤光栅串均嵌设在柔性实体内部并且位于空心球腔的下方；

所述第一光纤光栅串包括第一光纤、第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅设置在平行于Y轴的第一光纤上，并且第一光纤光栅和第二光纤光栅位于空心球腔的两侧，用于更加精准感知Y轴向应力；

所述第二光纤光栅串包括第二光纤、第三光纤光栅和第四光纤光栅，所述第三光纤光栅和第四光纤光栅设置在平行于X轴的第二光纤上，并且第三光纤光栅和第四光纤光栅位于空心球腔的两侧，用于更加精准感知X轴向应力；

所述第一光纤和第二光纤呈90°垂直布置于同一平面内并且交叉点位于所述柔性实体底面中心与所述空心球腔中心的连线上。

进一步的，所述第一光纤光栅与第二光纤光栅、第三光纤光栅与第四光纤光栅关于第一光纤与第二光纤的交叉点呈中心对称设置，保持中心对称关系，可实现测量数据同号/异号等值，方便后续解调处理。

进一步的，所述第一光纤光栅与所述第二光纤光栅、所述第三光纤光栅与所述第四光纤光栅之间的距离大于所述空心球腔半径且小于所述柔性实体边长。

进一步的，所述空心球腔的直径小于柔性实体的边长，所述柔性实体采用硅胶溶液倒入模具中预制成型，硅胶材质柔软，对光纤光栅具有保护作用。

进一步的，该装置与宽带光源、3dB耦合器、光纤光栅传感解调仪和计算机可以构成测量系统，使用步骤如下：