一種光纖光柵力覺(jué)傳感器、機(jī)器人及其傳感測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】一種光纖光柵力覺(jué)傳感器、機(jī)器人及其傳感測(cè)量方法，包括本體，本體表面至少有一個(gè)刻槽以及放置在刻槽內(nèi)的光纖，光纖上根據(jù)預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)刻寫(xiě)至少一個(gè)光纖光柵；當(dāng)本體在外部力的作用下發(fā)生形變，獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化，根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)的變化量。本發(fā)明的光柵力覺(jué)傳感器基于光纖傳感，克服了傳統(tǒng)傳感器易受電氣干擾，易受電磁干擾的缺陷；發(fā)揮光纖傳感器耐熱、耐腐蝕、耐輻射的優(yōu)點(diǎn)，且體積小、精度高，滿(mǎn)足機(jī)器人足部和指部等的靜、動(dòng)態(tài)特性，承受足夠大的沖擊載荷，可測(cè)范圍大。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種光纖光柵力覺(jué)傳感器、機(jī)器人及其傳感測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種光纖光柵力覺(jué)傳感器、機(jī)器人及其 傳感測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 核電設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備本身或其運(yùn)行環(huán)境具有放射性，同時(shí)還兼具水下、高溫、 高壓等特點(diǎn)，利用機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備檢修、乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)、放射性廢物處置和核事故應(yīng)急處理等 工作，可以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受照劑量和勞動(dòng)強(qiáng) 度，致力于開(kāi)發(fā)出適應(yīng)核輻射環(huán)境。性能先進(jìn)、可靠的核電站機(jī)器人一直是核工業(yè)界追求的 目標(biāo)。
[0003] 但通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀和核電環(huán)境的特殊性研究后發(fā)現(xiàn)，目前核電機(jī) 器人的傳感器有以下缺點(diǎn):敏感元件采用電信號(hào)輸出，容易引起電氣和電磁干擾;傳感單元 較多，電極、引線(xiàn)復(fù)雜，導(dǎo)致傳感器比較笨重；敏感元件、電極電路、彈性體材料在高溫、高 壓、高腐蝕、高輻射的核電特殊復(fù)雜環(huán)境中可靠性和壽命大大降低，而核電工作環(huán)境的特殊 性導(dǎo)致了傳感器失效后無(wú)法及時(shí)更換;且其結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足核電機(jī)器人體積小、質(zhì)量輕、耐沖 擊的使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種光纖光柵力覺(jué)傳感器、機(jī)器人及其傳感 測(cè)量方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種光纖光柵力覺(jué)傳感器，包 括本體，本體表面至少有一個(gè)刻槽，光纖光柵力覺(jué)傳感器還包括放置在刻槽內(nèi)的光纖，光纖 上根據(jù)預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)刻寫(xiě)至少一個(gè)光纖光柵；當(dāng)本體在外部力的作用下發(fā)生形變， 并引起放置在本體的刻槽中的光纖發(fā)生形變時(shí)，獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光 纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化;根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的 變化得出預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)的變化量。
[0006] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，本體為球形本體（101 )，球形本體（101)有至 少一個(gè)切面;球形本體（101)為一體成型；或球形本體（101)為將球體的一部分切除并形成 切面之后成型。
[0007] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，球形本體（101)上的切面包括第一切面 (103)、第二切面、第三切面（106)、第四切面、第五切面（107)和第六切面；其中，第一切面 (103)和第二切面平行，且第一切面（103)和第二切面分別位于球形本體（101)的相對(duì)兩側(cè)； 第三切面（106)和第四切面平行，且第三切面（106)垂直于第一切面（103)，且第三切面 (106)和第四切面分別位于球形本體（101)的相對(duì)兩側(cè)；第一切面（103)、第二切面、第三切 面（106)和第四切面延伸的四個(gè)平面圍成一空心柱體，第五切面（107)和第六切面與空心柱 體的軸向垂直，且第五切面（107)和第六切面平行，且第五切面（107)和第六切面分別位于 球形本體(101)的相對(duì)兩側(cè)。
[0008] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，本體上的各個(gè)切面上對(duì)應(yīng)設(shè)置至少一個(gè)刻 槽，且各個(gè)切面上的各刻槽內(nèi)均放置光纖;光纖放置于切面上的各刻槽內(nèi)的位置均刻寫(xiě)有 光纖光柵。
[0009] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，球形本體（101)包括垂直于第一切面的中心 軸;刻槽包括第一刻槽（102)，第一刻槽（102)繞球形本體（101)-周所形成的平面為第一平 面，中心軸位于第一平面上。
[0010] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，刻槽還包括第二刻槽（104)，第二刻槽（104) 繞球形本體（101)-周所形成的平面為第二平面，第一平面垂直于第二平面，且第一平面與 第二平面的垂線(xiàn)為中心軸。
[0011]在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，刻槽還包括第三刻槽（105)，第三刻槽（105) 與第一刻槽（102)和第二刻槽（104)均相通，且第三刻槽（105)位于中心軸穿過(guò)的切面上;第 三刻槽(105)具有弧度，光纖通過(guò)第三刻槽(105)從第一刻槽(102)繞至第二刻槽(104)。 [0012]在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，光纖上刻寫(xiě)有多個(gè)光纖光柵，光纖放置在連 通的第一刻槽（102)、第二刻槽（104)和第三刻槽（105)內(nèi)，光纖上刻寫(xiě)光纖光柵的位置均位 于切面內(nèi)。
[0013]優(yōu)選地，預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)包括外部力的大小和力矩、應(yīng)變、溫度、電壓、振動(dòng)或/和加 速度。
[0014] 另，本發(fā)明還構(gòu)造一種機(jī)器人，包括上文的光纖光柵力覺(jué)傳感器。
[0015] 另，本發(fā)明還公開(kāi)一種機(jī)器人傳感測(cè)量方法，機(jī)器人包括上文的光纖光柵力覺(jué)傳 感器、與光纖光柵力覺(jué)傳感器的光纖連接的光檢測(cè)裝置；
[0016] 機(jī)器人的傳感測(cè)量方法包括下述步驟：
[0017] 將光纖光柵力覺(jué)傳感器安裝在機(jī)器人的受力部位；
[0018] 當(dāng)光纖光柵力覺(jué)傳感器的本體在外部力的作用下發(fā)生形變，并引起放置在本體的 刻槽中的光纖發(fā)生形變時(shí)，通過(guò)光檢測(cè)裝置獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光 柵的中心波長(zhǎng)的變化；
[0019] 根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè)測(cè) 量系數(shù)的變化量。
[0020] 優(yōu)選地，通過(guò)光檢測(cè)裝置獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心 波長(zhǎng)的變化包括：
[0021 ]以本體中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立包含光纖光柵力覺(jué)傳感器的坐標(biāo)系；
[0022]通過(guò)光檢測(cè)裝置獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量，其中，預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù) 的變化量包括光纖光柵的柵區(qū)的纖芯的有效折射率和光纖光柵的周期；
[0023]根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量得出光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量。
[0024] 優(yōu)選地，根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出 預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)的變化量包括：
[0025] 根據(jù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量得出其在坐標(biāo)系中與所受外部力之間的對(duì)應(yīng) 關(guān)系，得出坐標(biāo)系中各坐標(biāo)軸上的外部力的大小；
[0026]根據(jù)各坐標(biāo)軸上的外部力的大小得到光纖光柵力覺(jué)傳感器所需檢測(cè)的預(yù)設(shè)測(cè)量 系數(shù)的變化量。
[0027] 優(yōu)選地，坐標(biāo)系為空間直角坐標(biāo)系；
[0028] 根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè)測(cè) 量系數(shù)的變化量包括：
[0029] 根據(jù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量，得出光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量在空間直 角坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸上與所受外部力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出X軸、Y軸、Z軸上的外部力的 大??；
[0030] 根據(jù)X軸、Y軸、Z軸上的外部力的大小得出光纖光柵力覺(jué)傳感器所需檢測(cè)的預(yù)設(shè)測(cè) 量系數(shù)的變化量。
[0031] 優(yōu)選地，預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)包括外部力的大小和力矩、應(yīng)變、溫度、電壓、振動(dòng)或/和加 速度。
[0032] 實(shí)施本發(fā)明的一種光纖光柵力覺(jué)傳感器、機(jī)器人及其傳感測(cè)量方法，具有以下有 益效果:本發(fā)明的光柵力覺(jué)傳感器基于光纖傳感，適應(yīng)核電特殊環(huán)境下應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)傳 感器易受電氣干擾，易受電磁干擾的缺陷;發(fā)揮光纖傳感器耐熱、耐腐蝕、耐輻射的優(yōu)點(diǎn)，使 用特殊的封裝材料及封裝技術(shù)，滿(mǎn)足傳感器在高溫、高壓、高腐蝕、高輻射的核電特殊復(fù)雜 的環(huán)境下的使用要求;光纖傳感器體積小、精度高;采用特殊輕質(zhì)材料制作，質(zhì)量輕;特殊結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足機(jī)器人足部和指部等的靜、動(dòng)態(tài)特性，承受足夠大的沖擊載荷，可測(cè)范圍大。
【附圖說(shuō)明】
[0033]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：
[0034]圖1是本發(fā)明光纖光柵力覺(jué)傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2是本發(fā)明光纖光柵力覺(jué)傳感器的切面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖3是本發(fā)明光纖光柵力覺(jué)傳感器俯視圖；
[0037]圖4是本發(fā)明光纖光柵的折射率分布及光譜特性；
[0038]圖5是本發(fā)明光纖光柵傳感器傳感原理圖；
[0039] 圖6是本發(fā)明使用光纖光柵力覺(jué)傳感器方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 如圖1所示，是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0041 ] 本實(shí)施例公開(kāi)一種光纖光柵力覺(jué)傳感器，包括本體，所述本體表面至少有一個(gè)刻 槽，光纖光柵力覺(jué)傳感器還包括放置在所述刻槽內(nèi)的光纖，光纖上根據(jù)預(yù)設(shè)的光纖光柵參 數(shù)刻寫(xiě)至少一個(gè)光纖光柵;所述本體的形狀根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行具體場(chǎng)景設(shè)計(jì)，可采 用球體、柱體等;所述本體的大小根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行具體場(chǎng)景設(shè)計(jì)，本實(shí)施例對(duì)此不 做限定。光纖中刻寫(xiě)光纖光柵的數(shù)量和光纖光柵之間的距離根據(jù)所述本體的形狀和大小確 定。
[0042] 當(dāng)所述本體在外部力的作用下發(fā)生形變，并引起放置在所述本體的所述刻槽中的 光纖發(fā)生形變時(shí)，獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化；
[0043] 根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè)測(cè) 量系數(shù)的變化量。優(yōu)選地，預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)包括外部力的大小和力矩、應(yīng)變、溫度、電壓、振動(dòng) 或/和加速度。需要說(shuō)明的是，預(yù)先標(biāo)定的波長(zhǎng)(包括光纖光柵的中心波長(zhǎng))和預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù) 之間的關(guān)系要考慮所述本體所用的材質(zhì)、形狀、大小以及所用光波的波段，也就是說(shuō)，根據(jù) 本發(fā)明的原理制作的傳感器，其預(yù)先標(biāo)定的波長(zhǎng)和預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)之間的關(guān)系是不同的，需 要在確定好傳感器的材質(zhì)、形狀、大小以及所用光波的波段的基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定標(biāo) 定的波長(zhǎng)和預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0044] 力覺(jué)傳感器可以作為機(jī)器人的感知部件，安裝在機(jī)器人的手臂等和末端執(zhí)行器中 間，將感知的力/力矩信息(或其他的測(cè)量系數(shù))反饋至計(jì)算機(jī)，以便控制末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的 方向和位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自適應(yīng)調(diào)節(jié)，完成自動(dòng)裝配等精密作業(yè)。
[0045] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，所述本體為球形本體101，球形本體101有至 少一個(gè)切面;球形本體101為一體成型；或球形本體101為將球體的一部分切除并形成切面 之后成型。這里所說(shuō)的球形本體101不僅包括正球體，也包括橢球體，以及類(lèi)球體，例如，規(guī) 則的多面體以及不規(guī)則的多面體。需要注意的是，本實(shí)施例中的球體光纖光柵力覺(jué)傳感器 應(yīng)用于核電機(jī)器人的足部和指部，因此要求球體具有平滑的過(guò)度，便于旋轉(zhuǎn)，方便機(jī)器人足 部和指部的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，球體的材質(zhì)應(yīng)是具有彈性體材料，需采用輕質(zhì)高強(qiáng)度合金，如鈦合 金等，滿(mǎn)足傳感器在機(jī)器人在足部行進(jìn)和指部抓握過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊強(qiáng)度要求，且彈性體 作為一個(gè)整體采用高強(qiáng)度輕質(zhì)合金一次加工成型，彈性體結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足敏感元件測(cè)應(yīng)變靈敏 性的前提下，確保強(qiáng)度和較輕便的質(zhì)量。光纖光柵力覺(jué)傳感器與機(jī)器人部位的銜接，可根據(jù) 不同類(lèi)型機(jī)器人的不同部位的安裝需求，設(shè)計(jì)安裝孔位，進(jìn)行銜接。
[0046] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，球形本體101上的切面包括第一切面103、第 二切面、第三切面106、第四切面、第五切面107和第六切面;其中，第一切面103和第二切面 平行，且第一切面103和第二切面分別位于球形本體101的相對(duì)兩側(cè);第三切面106和第四切 面平行，且第三切面106垂直于第一切面103,且第三切面106和第四切面分別位于球形本體 101的相對(duì)兩側(cè);第一切面103、第二切面、第三切面106和第四切面延伸的四個(gè)平面圍成一 空心柱體，第五切面107和第六切面與空心柱體的軸向垂直，且第五切面107和第六切面平 行，且第五切面107和第六切面分別位于球形本體101的相對(duì)兩側(cè)。
[0047] 本實(shí)施例在球形本體101上取六個(gè)切割面，也可根據(jù)需要取四個(gè)切面、八個(gè)切面 等，切面的選取規(guī)則與取六個(gè)切面的方法相同，保證取過(guò)切面的球形本體101能保持平滑過(guò) 度，方便安裝在機(jī)器人的銜接部位。六個(gè)切面既可以對(duì)稱(chēng)相同，也可以根據(jù)需求切割。
[0048] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，所述本體上的各個(gè)切面上對(duì)應(yīng)設(shè)置至少一個(gè) 所述刻槽，且各個(gè)切面上的各所述刻槽內(nèi)均放置光纖;光纖放置于切面上的各所述刻槽內(nèi) 的位置均刻寫(xiě)有光纖光柵。
[0049] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，球形本體101包括垂直于第一切面的中心軸； 所述刻槽包括第一刻槽102,第一刻槽102繞球形本體101-周所形成的平面為第一平面，中 心軸位于第一平面上;所述刻槽還包括第二刻槽104,第二刻槽104繞球形本體101-周所形 成的平面為第二平面，第一平面垂直于第二平面，且第一平面與第二平面的垂線(xiàn)為中心軸； 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，所述刻槽還包括第三刻槽105,第三刻槽105與第一刻 槽102和第二刻槽104均相通，且第三刻槽105位于中心軸穿過(guò)的切面上；第三刻槽105具有 弧度，光纖通過(guò)第三刻槽105從第一刻槽102繞至第二刻槽104。因?yàn)楣饫w的特性，不能隨意 彎折，需要控制一定的彎折角度，否則會(huì)引起光的傳播失真，所以第三刻槽105具有一定弧 度，弧度的大小根據(jù)傳感器的大小和相交所述刻槽的角度確定，方便光纖從第一刻槽102繞 至第二刻槽104,不影響光波在光纖中的傳輸。在本實(shí)施例中，所述本體上的所述刻槽的數(shù) 量并不限定為第一刻槽102、第二刻槽104和第三地槽105,所述刻槽數(shù)量可以根據(jù)所述本體 的形狀以及需要測(cè)量的外力的分布情況確定。
[0050] 在本發(fā)明的光纖光柵力覺(jué)傳感器中，光纖上刻寫(xiě)有多個(gè)光纖光柵，光纖放置在連 通的第一刻槽102、第二刻槽104和第三刻槽105內(nèi)，光纖上刻寫(xiě)光纖光柵的位置均位于切面 內(nèi)。優(yōu)選地，在光纖上刻寫(xiě)六個(gè)光纖光柵，光纖在第一刻槽102、第二刻槽104和第三刻槽105 繞球形本體101兩周，且六個(gè)光纖光柵分別落在六個(gè)切面內(nèi)。在光纖光柵力覺(jué)傳感器受到外 力之前，利用光檢測(cè)裝置檢測(cè)光纖中的各個(gè)光纖光柵的光波分布，記錄為原始光信號(hào);在光 纖光柵力覺(jué)傳感器受到外力發(fā)生形變后，光纖隨之發(fā)生形變，例如拉伸或壓縮，導(dǎo)致光纖中 的光波波長(zhǎng)發(fā)生變化，光檢測(cè)裝置檢測(cè)到各個(gè)光纖光柵的光波變化量，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的波 長(zhǎng)與受力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及變化量確定受到外部力的大小和方向，也就是六個(gè)切面所受 外部力的大小和方向。
[0051] 將本實(shí)施例的力覺(jué)傳感器安裝在機(jī)器人的手臂等和末端執(zhí)行器中間，將感知的 力/力矩信息反饋至計(jì)算機(jī)，以便控制末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的方向和位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自適應(yīng)調(diào) 節(jié)，完成自動(dòng)裝配等精密作業(yè)。
[0052] 優(yōu)選地，結(jié)合圖2和圖3,本實(shí)施例給出一種光纖光柵力覺(jué)傳感器，具體參數(shù)是:光 纖光柵力覺(jué)傳感器的球體的半徑為15_，切面的半徑為7.5_，兩個(gè)平行切面之間的距離為 25.98mm，所述刻槽的槽深為0.6mm，所述刻槽的槽寬為0.6mm，根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)的光纖光 柵力覺(jué)傳感器經(jīng)測(cè)試，可達(dá)到下表的性能參數(shù)：
[0053] 表1光纖光柵力覺(jué)傳感器的性能參數(shù)表
LUUbbj 元針元柵是一柙新型的元尤源器仵，利用元針材科的元敏特性在元針的針芯上建 立的一種空間周期性折射率分布，可以改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為方式。被測(cè)量(溫 度、應(yīng)力/應(yīng)變）引起光纖光柵柵距的變化，從而反射峰的中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào) 系統(tǒng)得到反射峰移動(dòng)量，即可獲得被測(cè)量的大小。
[0056] 光纖光柵是在沿光纖軸向方向上的一小段上進(jìn)行寫(xiě)入，寫(xiě)入后便在光纖的纖芯內(nèi) 形成了折射率周期變化的光纖光柵，光纖光柵的反射率為90%以上，反射帶寬進(jìn)為0.25nm， 所以光纖光柵相當(dāng)于窄帶濾波器。光源的光經(jīng)光纖光柵的一端進(jìn)入，滿(mǎn)足布拉格條件的光， 即波長(zhǎng)為λ Β光會(huì)發(fā)生后向耦合，反射譜中會(huì)形成以λΒ為中心的峰值，如圖4所示，即光纖光柵 只能反射以λ Β為中心的窄帶寬的光，其余波長(zhǎng)的光透射。布拉格條件為：
[0057] AB = 2neff Λ (2-1)
[0058] 其中λΒ為光纖光柵的中心波長(zhǎng)即布拉格波長(zhǎng)，neff為柵區(qū)的纖芯的有效折射率，Λ 為光纖光柵的周期。
[0059] 由公式(2-1)可知，光纖光柵的中心波長(zhǎng)是和Λ與λΒ有關(guān)，外界溫度應(yīng)變等變化時(shí) 會(huì)引起△ neff和△ Λ的變化，從而中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，則中心波長(zhǎng)變化可表示為：
[0060] ΔλΒ = 2Δηθ?? A+2neff A Λ (2-2)
[00611公式(2-2)中可知，當(dāng)有效折射率neff或柵距Λ有變化時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)λΒ 會(huì)隨之改變，通過(guò)探測(cè)光纖光柵的λΒ的變化，便可映射出待測(cè)參量的變化，如圖5所示：只要 測(cè)的波長(zhǎng)變化量A λΒ，便可映射出應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、電壓、振動(dòng)、加速度、等的變化量，從而 完成光纖光柵傳感過(guò)程。
[0062]現(xiàn)說(shuō)明本發(fā)明所用光纖光柵的壓力特性。
[0063]若外界壓力變化，光纖光柵波長(zhǎng)的變化可表示為：
[0064]
[0065]
[0066]
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]裸光纖光柵的壓力靈敏度一般為3.13pm/MPa;光纖光柵對(duì)壓力并不是很敏感，需 要一些增敏措施。
[0071 ]在本發(fā)明所用光纖光柵中：
[0072] 當(dāng)均勻軸向應(yīng)力施加到光纖光柵上時(shí)，光纖光柵會(huì)受到拉伸或壓縮時(shí)，機(jī)械性的 拉伸會(huì)改變光纖光柵的光柵常數(shù)，表示為：
[0073]
[0074] 其中εχ為被測(cè)點(diǎn)處的軸向應(yīng)變，與此同時(shí)彈光效應(yīng)會(huì)使光纖光柵的折射率發(fā)生變 化：
[0076] μ為纖芯材料的泊松比，Pll和Pl 2為彈光系數(shù)，定義有效彈光系數(shù)Pe為：
[0075]
[0077]
[0078] 摻鍺石英光纖，？11=0.121，？12 = 0.27 4為0.17，帶入上式得到？6?0.22。
[0079] 所以軸向應(yīng)變?cè)斐傻墓饫w光柵波長(zhǎng)變化量為：
[0080]
[0081] 由上式可知，光纖光柵的材料確定后，外界應(yīng)變對(duì)其的影響^是與材料系數(shù)相 % 關(guān)的常數(shù)，說(shuō)明光纖光柵的應(yīng)變特性是線(xiàn)性的。在實(shí)際應(yīng)用，一般不允許形變超過(guò)5%，否則 會(huì)產(chǎn)生斷裂常用裸光纖光柵一個(gè)微應(yīng)變引起的波長(zhǎng)變化為1.205pm。
[0082] 另，本發(fā)明還構(gòu)造一種機(jī)器人，包括上文的光纖光柵力覺(jué)傳感器。
[0083] 該光纖光柵力覺(jué)傳感器安裝在機(jī)器人的手指、腳趾、手臂等部位，利用光纖光柵對(duì) 應(yīng)變和溫度的靈敏反映來(lái)代替普通的壓力和溫度傳感器，為機(jī)器人所需配備傳感器提供了 新的選擇。特別地，對(duì)于應(yīng)用在核電環(huán)境中的機(jī)器人，使用本發(fā)明提供的光纖光柵力覺(jué)傳感 器可適應(yīng)核電站的高溫、高壓、高腐蝕、高輻射的特殊環(huán)境，且體積小，壽命可達(dá)8-10年，不 易受電磁環(huán)境的干擾，具有優(yōu)良特性。
[0084] 如圖6所示，本發(fā)明還公開(kāi)一種機(jī)器人傳感測(cè)量方法，所述機(jī)器人包括上文的光纖 光柵力覺(jué)傳感器、與光纖光柵力覺(jué)傳感器的光纖連接的光檢測(cè)裝置；
[0085] 機(jī)器人的傳感測(cè)量方法包括下述步驟：
[0086] Sl:將光纖光柵力覺(jué)傳感器安裝在機(jī)器人的受力部位；
[0087] S2:當(dāng)光纖光柵力覺(jué)傳感器的本體在外部力的作用下發(fā)生形變，并引起放置在本 體的所述刻槽中的光纖發(fā)生形變時(shí)，通過(guò)光檢測(cè)裝置獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量以 及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化；
[0088] S3:根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè) 測(cè)量系數(shù)的變化量。
[0089] 優(yōu)選地，通過(guò)光檢測(cè)裝置獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心 波長(zhǎng)的變化包括：
[0090] 以本體中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立包含光纖光柵力覺(jué)傳感器的坐標(biāo)系；
[0091]通過(guò)光檢測(cè)裝置獲取預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù)的變化量，其中，預(yù)設(shè)的光纖光柵參數(shù) 的變化量包括光纖光柵的柵區(qū)的纖芯的有效折射率和光纖光柵的周期；
[0092]根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量得出光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量。
[0093] 優(yōu)選地，根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出 預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)的變化量包括：
[0094] 根據(jù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量得出其在坐標(biāo)系中與所受外部力之間的對(duì)應(yīng) 關(guān)系，得出坐標(biāo)系中各坐標(biāo)軸上的外部力的大??；
[0095]根據(jù)各坐標(biāo)軸上的外部力的大小得到光纖光柵力覺(jué)傳感器所需檢測(cè)的預(yù)設(shè)測(cè)量 系數(shù)的變化量。
[0096] 優(yōu)選地，坐標(biāo)系為空間直角坐標(biāo)系；
[0097] 根據(jù)獲取的光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè)測(cè) 量系數(shù)的變化量包括：
[0098] 根據(jù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量，得出光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量在空間直 角坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸上與所受外部力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出X軸、Y軸、Z軸上的外部力的 大?。?br>[0099]根據(jù)X軸、Y軸、Z軸上的外部力的大小得出光纖光柵力覺(jué)傳感器所需檢測(cè)的預(yù)設(shè)測(cè) 量系數(shù)的變化量。
[0100]優(yōu)選地，預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)包括外部力的大小和力矩、應(yīng)變、溫度、電壓、振動(dòng)或/和加 速度。
[0101]以上實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)此實(shí)施，并不能限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡跟本發(fā)明權(quán)利要 求范圍所做的均等變化與修飾，均應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，包括本體，所述本體表面至少有一個(gè)刻槽， 所述光纖光柵力覺(jué)傳感器還包括放置在所述刻槽內(nèi)的光纖，所述光纖上根據(jù)預(yù)設(shè)的光纖光 柵參數(shù)刻寫(xiě)至少一個(gè)光纖光柵； 當(dāng)所述本體在外部力的作用下發(fā)生形變，并引起放置在所述本體的刻槽中的所述光纖 發(fā)生形變時(shí)，獲取預(yù)設(shè)的所述光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化； 根據(jù)獲取的所述光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè)測(cè) 量系數(shù)的變化量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，所述本體為球形本體 (1 〇 1 )，所述球形本體(1 〇 1)有至少一個(gè)切面； 所述球形本體（101)為一體成型；或所述球形本體（101)為將球體的一部分切除并形成 所述切面之后成型。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，所述球形本體（101)上的 所述切面包括第一切面（103)、第二切面、第三切面（106)、第四切面、第五切面（107)和第六 切面； 其中，所述第一切面（103)和所述第二切面平行，且所述第一切面（103)和所述第二切 面分別位于所述球形本體(101)的相對(duì)兩側(cè)； 所述第三切面（106)和所述第四切面平行，且所述第三切面（106)垂直于所述第一切面 (103) ，且所述第三切面(106)和所述第四切面分別位于所述球形本體(101)的相對(duì)兩側(cè)； 所述第一切面（103)、所述第二切面、所述第三切面（106)和所述第四切面延伸的四個(gè) 平面圍成一空心柱體，所述第五切面（107)和所述第六切面與所述空心柱體的軸向垂直，且 所述第五切面（107)和所述第六切面平行，且所述第五切面（107)和所述第六切面分別位于 所述球形本體(101)的相對(duì)兩側(cè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，所述本體上的各個(gè)所述切 面上對(duì)應(yīng)設(shè)置至少一個(gè)所述刻槽，且各個(gè)所述切面上的各所述刻槽內(nèi)均放置光纖;所述光 纖放置于所述切面上的各所述刻槽內(nèi)的位置均刻寫(xiě)有所述光纖光柵。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，所述球形本體（101)包括 垂直于所述第一切面的中心軸;所述刻槽包括第一刻槽（102)，所述第一刻槽（102)繞所述 球形本體(101)-周所形成的平面為第一平面，所述中心軸位于所述第一平面上。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，所述刻槽還包括第二刻槽 (104) ，所述第二刻槽(104)繞所述球形本體(101)-周所形成的平面為第二平面，所述第一 平面垂直于所述第二平面，且所述第一平面與所述第二平面的垂線(xiàn)為所述中心軸。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，所述刻槽還包括第三刻槽 (105) ，所述第三刻槽（105)與所述第一刻槽（102)和所述第二刻槽（104)均相通，且所述第 三刻槽（105)位于所述中心軸穿過(guò)的所述切面上;所述第三刻槽（105)具有弧度，所述光纖 通過(guò)所述第三刻槽(105)從所述第一刻槽(102)繞至所述第二刻槽(104)。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，所述光纖上刻寫(xiě)有多個(gè)所 述光纖光柵，所述光纖放置在連通的所述第一刻槽（102)、所述第二刻槽（104)和所述第三 刻槽(105)內(nèi)，所述光纖上刻寫(xiě)所述光纖光柵的位置均位于所述切面內(nèi)。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器，其特征在于，所述預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)包括所 述外部力的大小和力矩、應(yīng)變、溫度、電壓、振動(dòng)或/和加速度。10. -種機(jī)器人，其特征在于，包括權(quán)利要求1-9任一所述的光纖光柵力覺(jué)傳感器。11. 一種機(jī)器人傳感測(cè)量方法，其特征在于，所述機(jī)器人包括權(quán)利要求1-9任一所述的 光纖光柵力覺(jué)傳感器、與所述光纖光柵力覺(jué)傳感器的所述光纖連接的光檢測(cè)裝置； 所述機(jī)器人的傳感測(cè)量方法包括下述步驟： 將所述光纖光柵力覺(jué)傳感器安裝在所述機(jī)器人的受力部位； 當(dāng)所述光纖光柵力覺(jué)傳感器的所述本體在外部力的作用下發(fā)生形變，并引起放置在所 述本體的刻槽中的所述光纖發(fā)生形變時(shí)，通過(guò)所述光檢測(cè)裝置獲取預(yù)設(shè)的所述光纖光柵參 數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化； 根據(jù)獲取的所述光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè)測(cè) 量系數(shù)的變化量。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的機(jī)器人傳感測(cè)量方法，其特征在于，所述通過(guò)所述光檢測(cè)裝 置獲取預(yù)設(shè)的所述光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化包括： 以所述本體中心點(diǎn)為原點(diǎn)，建立包含所述光纖光柵力覺(jué)傳感器的坐標(biāo)系； 通過(guò)所述光檢測(cè)裝置獲取預(yù)設(shè)的所述光纖光柵參數(shù)的變化量，其中，預(yù)設(shè)的所述光纖 光柵參數(shù)的變化量包括光纖光柵的柵區(qū)的纖芯的有效折射率和光纖光柵的周期； 根據(jù)獲取的所述光纖光柵參數(shù)的變化量得出光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)器人傳感測(cè)量方法，其特征在于，所述根據(jù)獲取的所述光 纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)的變化量包括： 根據(jù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量得出其在所述坐標(biāo)系中與所受外部力之間的對(duì)應(yīng) 關(guān)系，得出所述坐標(biāo)系中各坐標(biāo)軸上的所述外部力的大小； 根據(jù)各所述坐標(biāo)軸上的所述外部力的大小得到所述光纖光柵力覺(jué)傳感器所需檢測(cè)的 預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù)的變化量。14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)器人傳感測(cè)量方法，其特征在于，所述坐標(biāo)系為空間直角 坐標(biāo)系； 所述根據(jù)獲取的所述光纖光柵參數(shù)的變化量以及光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化得出預(yù) 設(shè)測(cè)量系數(shù)的變化量包括： 根據(jù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量，得出光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化量在所述空間直 角坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸上與所受外部力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出X軸、Y軸、Z軸上的所述外部 力的大??； 根據(jù)X軸、Y軸、Z軸上的所述外部力的大小得出所述光纖光柵力覺(jué)傳感器所需檢測(cè)的預(yù) 設(shè)測(cè)量系數(shù)的變化量。15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的機(jī)器人傳感測(cè)量方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)測(cè)量系數(shù) 包括所述外部力的大小和力矩、應(yīng)變、溫度、電壓、振動(dòng)或/和加速度。
【文檔編號(hào)】G01D5/32GK105841721SQ201610163669
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月21日
【發(fā)明人】戴忠華, 洪振旻, 黃衛(wèi)剛, 王勤湖, 馮文彪, 張鳳斌, 張宇宏, 朱鋼, 張力, 朱佳佳, 周軍, 高峰, 李恒, 鐘聲, 王文奎
【申請(qǐng)人】中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司, 中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司, 中國(guó)廣核電力股份有限公司