專利名稱：一種空間位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械工程和光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于柔順機(jī)構(gòu)和光纖光柵傳
感技術(shù)的空間位移傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的光纖光柵傳感器，可以實(shí)現(xiàn)軸向和徑向應(yīng)變的感應(yīng)，雖然精度達(dá)到波長(zhǎng)量 級(jí)(nm)，但其只能夠?qū)崿F(xiàn)"一維"的監(jiān)測(cè)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的精確測(cè)量。
由于具有很強(qiáng)的抗干擾能力和很高的檢測(cè)精度，光纖光柵檢測(cè)技術(shù)目前已較為成 熟的應(yīng)用在民用和軍用的大尺度或運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單的領(lǐng)域，如發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀跛袠蛄旱陌?全監(jiān)測(cè)都采用光纖光柵傳感技術(shù)，德國(guó)西門子等公司已用于大型電機(jī)和高壓電傳輸電纜， 航天飛機(jī)X-33上溫度、應(yīng)變監(jiān)測(cè)，美國(guó)宇航研究院光纖光柵自適應(yīng)機(jī)翼。以上所運(yùn)用的方 式都是將光纖光柵簡(jiǎn)單的附著在被測(cè)對(duì)象表面，進(jìn)行簡(jiǎn)單的軸向應(yīng)變測(cè)量，這種"一維"的 檢測(cè)對(duì)復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)"高維"變形測(cè)量的意義不大。 目前各單位在測(cè)量"高維"變形中，所使用的多為六維力傳感器等測(cè)量工具，而且 均為電測(cè)傳感器，存在精度不足、易受電磁干擾的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種空間位移傳感器，該傳感器具有多維度的檢測(cè)能力， 并具有較高精度，且不受電磁干擾。 本發(fā)明提供的一種空間位移傳感器，其特征在于該空間位移傳感器包括柔順機(jī) 構(gòu)和單模光纖光柵，柔順機(jī)構(gòu)由n個(gè)剛性桿件和n-l個(gè)短臂柔鉸交錯(cuò)串聯(lián)構(gòu)成，單模光纖光 柵由n-l個(gè)光柵段通過(guò)單模光纖交錯(cuò)串聯(lián)構(gòu)成，各光柵段的中心波長(zhǎng)不同，n為大于等于4 的正整數(shù)；使用時(shí)，將單模光纖光柵連接到光纖光柵解調(diào)儀上，各光柵段分別粘貼在柔順機(jī) 構(gòu)的各短臂柔鉸位置，并將柔順機(jī)構(gòu)的兩端分別固定在被測(cè)對(duì)象的待測(cè)位置。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn) (1)本發(fā)明是基于柔順機(jī)構(gòu)和光纖光柵傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。由于利用柔順機(jī)構(gòu)將光 纖光柵原有的"一維"檢測(cè)能力擴(kuò)展為多維度的檢測(cè)能力，所以在一定程度上增加了光纖光 柵傳感技術(shù)在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用。 (2)由于光纖光柵傳感器所輸出的檢測(cè)信息是測(cè)量到的波長(zhǎng)的變化量，所以位移 傳感器具有自參照性；由于其以光信號(hào)作為傳播介質(zhì)，所以測(cè)量的抗干擾能力強(qiáng)；整個(gè)位 移傳感器由于采用柔順機(jī)構(gòu)作為所要待測(cè)變形量的"收集器"，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和測(cè)量 方便；對(duì)于不同的待測(cè)對(duì)象可以設(shè)計(jì)不同的柔順機(jī)構(gòu)用以粘貼光纖光柵，所以該空間位移 傳感器的適用性強(qiáng)。
(3)柔順機(jī)構(gòu)的材料屬于彈簧鋼材料，而且結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工性能好，便于生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明空間位移傳感器的測(cè)量裝置原理圖。 圖2為本發(fā)明中二維空間位移傳感器的一種結(jié)構(gòu)的測(cè)量原理圖。 圖3為本發(fā)明中二維空間位移傳感器的一種結(jié)構(gòu)的測(cè)量原理圖。 圖4. 1為本發(fā)明用于測(cè)量三維空間位移的柔順機(jī)構(gòu)的主視圖，圖4. 2為圖4. 1的
右視圖，圖4. 3為圖4. 1的俯視圖，圖4. 4為立體圖， 圖5為本發(fā)明以二維空間位移傳感器為例的測(cè)量原理圖。
具體實(shí)施例方式
其中的柔順機(jī)構(gòu)由多個(gè)剛性桿件和短臂柔鉸結(jié)構(gòu)組合而成。這里涉及到的短臂柔 鉸是連接兩段剛體桿件的一段具有較高柔性的圓弧形薄壁結(jié)構(gòu)，圓弧的兩端分別與兩剛體 桿件相連，三者材料相同。當(dāng)其中一個(gè)桿件固定而另一桿件受力時(shí)，連接兩段桿件的圓弧形 薄壁發(fā)生彎曲，并且在薄壁的內(nèi)外兩個(gè)表面產(chǎn)生拉伸或擠壓應(yīng)變。這一應(yīng)變即可通過(guò)粘貼 到該位置的光纖光柵傳感器進(jìn)行檢測(cè)。依據(jù)短臂柔鉸的相關(guān)理論，可將它的彎曲等效視作 普通鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且在利用該傳感器測(cè)量二維空間位移時(shí)，結(jié)構(gòu)中圓弧的軸線要與所要 測(cè)量的二維空間相垂直。短臂柔鉸的數(shù)量需要依據(jù)被測(cè)量的變形特點(diǎn)確定，所以若在本柔 順機(jī)構(gòu)中只采用一個(gè)短臂柔鉸，則可以活動(dòng)的剛性桿件只能做圓弧運(yùn)動(dòng)，不符合實(shí)際測(cè)量； 若采用兩個(gè)短臂柔鉸串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，則柔順機(jī)構(gòu)無(wú)法描述平面內(nèi)的直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)柔順機(jī) 構(gòu)采用三個(gè)短臂柔鉸串聯(lián)的結(jié)構(gòu)且三根軸線不在同一平面內(nèi)時(shí)，即可以完全描述平面內(nèi)的 各種運(yùn)動(dòng)；若采用多于三個(gè)短臂柔鉸串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，則柔順機(jī)構(gòu)的測(cè)量性能與三個(gè)短臂柔鉸 串聯(lián)相同，而且需要更多的光纖光柵，增加了裝置的使用成本，所以本柔順機(jī)構(gòu)采用三個(gè)短 臂柔鉸串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這樣既可以描述轉(zhuǎn)動(dòng)又可以描述直線運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)需要對(duì)三維空間內(nèi)的相對(duì)位移量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況改變短臂柔鉸 的數(shù)量及方向，原理與測(cè)量二維空間位移量相同，所以用于測(cè)量三維空間內(nèi)的相對(duì)位移量 的柔順機(jī)構(gòu)除需要保留二維空間位移測(cè)量的結(jié)構(gòu)中的三個(gè)短臂柔鉸結(jié)構(gòu)以外，還需要再加 入三個(gè)串聯(lián)的短臂柔鉸結(jié)構(gòu)，并且圓弧的軸線與之前的圓弧軸線相垂直，兩個(gè)方向的六個(gè) 短臂柔鉸結(jié)構(gòu)交替串聯(lián)。另外，短臂柔鉸所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要方便光纖光柵傳感器的粘貼。如 柔順機(jī)構(gòu)5由七個(gè)剛性桿件和六個(gè)薄壁圓弧的軸線不在同一平面內(nèi)的短臂柔鉸交錯(cuò)串聯(lián) 構(gòu)成，并分別將三個(gè)用于測(cè)量一個(gè)平面的短臂柔鉸以三角形的方式布局，將另三個(gè)用于測(cè) 量另一個(gè)平面的短臂柔鉸同樣以三角形的方式布局，六個(gè)短臂柔鉸的排列次序依照測(cè)量所 需進(jìn)行布局。 短臂柔鉸的布局要以滿足待測(cè)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為主，同時(shí)考慮方便機(jī)械加工。以用于 測(cè)量二維空間內(nèi)相對(duì)位移的柔順機(jī)構(gòu)為例，說(shuō)明本空間位移傳感器的構(gòu)成，如圖1所示，空 間位移傳感器由柔順機(jī)構(gòu)5和單模光纖光柵3組成。柔順機(jī)構(gòu)5由四個(gè)剛性桿件和三個(gè)短 臂柔鉸交錯(cuò)串聯(lián)構(gòu)成，將三個(gè)短臂柔鉸以等腰直角三角形的布局方式分別分布在一個(gè)直角 頂角和兩個(gè)45度銳角的位置。單模光纖光柵3由三個(gè)光柵段2通過(guò)單模光纖交錯(cuò)串聯(lián)構(gòu) 成。這種結(jié)構(gòu)是以方便機(jī)械加工為優(yōu)先條件。光柵段2為單模光纖光柵3上經(jīng)過(guò)加工處理 后具有應(yīng)變敏感特性的一段區(qū)域，根據(jù)不同的使用要求，可以在同一根單模光纖光柵3上 制作多段光柵段2，各光柵段2的中心波長(zhǎng)不同。
圖1-3中，三個(gè)短臂柔鉸的圓弧軸線均垂直于測(cè)量平面，且不在一個(gè)平面內(nèi)。由被 測(cè)對(duì)象4所引起的柔順機(jī)構(gòu)5的平面內(nèi)的所有變形集中反應(yīng)到三個(gè)短臂柔鉸結(jié)構(gòu)中。
測(cè)量前，將單模光纖光柵3連接到光纖光柵解調(diào)儀1上，三個(gè)光柵段2分別粘貼在 柔順機(jī)構(gòu)的三個(gè)短臂柔鉸位置(A、 B、 C)，之后將柔順機(jī)構(gòu)5的兩端分別固定在被測(cè)對(duì)象4 的待測(cè)位置。 測(cè)量時(shí)，光纖光柵解調(diào)儀1可發(fā)出激光，激光沿單模光纖光柵3傳輸。當(dāng)激光到達(dá) 位于各短臂柔鉸位置的光柵段2時(shí)，根據(jù)公式AB = 2 n A ，將不同波長(zhǎng)的光反射回光纖光 柵解調(diào)儀l，光纖光柵解調(diào)儀1接收到反射光后進(jìn)行解調(diào)，并以數(shù)字形式輸出波長(zhǎng)值。當(dāng)被 測(cè)對(duì)象4發(fā)生的變形使兩待測(cè)位置發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)8時(shí)，柔順機(jī)構(gòu)5發(fā)生變形，并將變形集中 體現(xiàn)在短臂柔鉸的圓弧形薄壁位置，由于短臂柔鉸的彎曲在圓弧形薄壁表面所產(chǎn)生的拉伸 或擠壓應(yīng)變，帶動(dòng)粘貼于表面上的光纖光柵傳感器發(fā)生軸向應(yīng)變，使光柵段2中光柵的反 射光波長(zhǎng)發(fā)生變化，變化的波長(zhǎng)經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)1后輸出波長(zhǎng)變化的數(shù)字信息。
測(cè)量后，通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀1輸出的數(shù)字信息計(jì)算光柵段2中光柵的反射光波 長(zhǎng)變化量，推算出光柵段2發(fā)生的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變公式計(jì)算出圓弧形薄壁的表面應(yīng)變量， 根據(jù)短臂柔鉸的幾何參數(shù)和材料力學(xué)公式計(jì)算出短臂柔鉸的轉(zhuǎn)角，最后綜合多個(gè)短臂柔鉸 的轉(zhuǎn)動(dòng)信息和剛性桿件的幾何參數(shù)得出柔順機(jī)構(gòu)5兩端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)果，即為被測(cè)對(duì)象4 上兩待測(cè)位置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)9。 圖4中，圖中短臂柔鉸結(jié)構(gòu)中A、B、C的圓弧軸線相互平行，呈三角形分布；D、E、F 的圓弧軸線相互平行，呈三角形分布；且A、B、C的圓弧軸線與D、E、F的圓弧軸線相互垂直。 該種機(jī)構(gòu)的柔順機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器的測(cè)量特性從一維測(cè)量到三維空間的擴(kuò)展。
圖5中，6表示柔順機(jī)構(gòu)與被測(cè)對(duì)象的固結(jié)位置(如，螺釘緊固)，7表示被測(cè)對(duì)象 未變形狀態(tài)(初始態(tài))，8表示被測(cè)對(duì)象變形后的狀態(tài)，9表示變形前后柔順機(jī)構(gòu)末端的空間 位置變化(待測(cè)位置的相對(duì)運(yùn)動(dòng))?？臻g位移傳感器兩側(cè)通過(guò)螺釘6與被測(cè)對(duì)象4的待測(cè) 位置相連接。當(dāng)被測(cè)對(duì)象4受到一個(gè)力而使一端相對(duì)于另一端發(fā)生一個(gè)相對(duì)的空間位移， 即為變形后的狀態(tài)8相對(duì)于未變形狀態(tài)7的空間位置變化9。本發(fā)明空間位移傳感器即可 獲得空間位置變化9的相關(guān)信息，以便于后續(xù)處理， 以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保 護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種空間位移傳感器，其特征在于該空間位移傳感器包括柔順機(jī)構(gòu)(5)和單模光纖光柵(3)，柔順機(jī)構(gòu)(5)由n個(gè)剛性桿件和n-1個(gè)短臂柔鉸交錯(cuò)串聯(lián)構(gòu)成，單模光纖光柵(3)由n-1個(gè)光柵段(2)通過(guò)單模光纖交錯(cuò)串聯(lián)構(gòu)成，各光柵段(2)的中心波長(zhǎng)不同，n為大于等于4的正整數(shù)。使用時(shí)，將單模光纖光柵(3)連接到光纖光柵解調(diào)儀(1)上，各光柵段(2)分別粘貼在柔順機(jī)構(gòu)的各短臂柔鉸位置，并將柔順機(jī)構(gòu)(5)的兩端分別固定在被測(cè)對(duì)象(4)的待測(cè)位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間位移傳感器，其特征在于用于測(cè)量二維空間位移的柔 順機(jī)構(gòu)(5)由四個(gè)剛性桿件和三個(gè)薄壁圓弧的軸線不在同一平面內(nèi)的短臂柔鉸交錯(cuò)串聯(lián) 構(gòu)成，并將三個(gè)短臂柔鉸以等腰直角三角形的布局方式分別分布在一個(gè)直角頂角和兩個(gè)45 度銳角的位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間位移傳感器，其特征在于用于測(cè)量三維空間位移的柔 順機(jī)構(gòu)(5)由七個(gè)剛性桿件和六個(gè)薄壁圓弧的軸線不在同一平面內(nèi)的短臂柔鉸交錯(cuò)串聯(lián) 構(gòu)成，并分別將三個(gè)用于測(cè)量一個(gè)平面的短臂柔鉸以三角形的方式布局，將另三個(gè)用于測(cè) 量另一個(gè)平面的短臂柔鉸同樣以三角形的方式布局。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間位移傳感器，它包括柔順機(jī)構(gòu)和單模光纖光柵，柔順機(jī)構(gòu)由多個(gè)剛性桿件和多個(gè)短臂柔鉸交錯(cuò)串聯(lián)構(gòu)成，單模光纖光柵由多個(gè)光柵段通過(guò)單模光纖交錯(cuò)串聯(lián)構(gòu)成，各光柵段的中心波長(zhǎng)不同，使用時(shí)，將單模光纖光柵連接到光纖光柵解調(diào)儀上，各光柵段分別粘貼在柔順機(jī)構(gòu)的各短臂柔鉸位置，并將柔順機(jī)構(gòu)的兩端分別固定在被測(cè)對(duì)象的待測(cè)位置。本發(fā)明是基于柔順機(jī)構(gòu)和光纖光柵傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，該傳感器具有多維度的檢測(cè)能力，具有好的自參照性，且具有較高精度，不受電磁干擾。
文檔編號(hào)G01B11/16GK101769720SQ20101010459
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者徐科明, 楊文玉, 馬雙 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)