[发明专利]一种三维力传感器及测量方法

权利要求书

1.一种三维力传感器，其特征在于，所述力传感器包括：底座、中心柱、应变弹性体、贴片温度传感器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅；

应变弹性体包括外圆环、内圆环和平面应变梁；所述平面应变梁包括四个水平梁，四个水平梁呈十字型结构布置；四个水平梁的一端均与所述外圆环的内壁连接，四个水平梁的另一端均与所述内圆环的外壁连接；所述外圆环通过螺纹连接的方式安装在机器人的关节部位上；

所述中心柱的底面垂直固定在所述底座的中心，所述中心柱的顶面从所述内圆环的中部穿过，且所述中心柱与所述内圆环之间间隙配合；

所述贴片温度传感器设置在所述中心柱的顶面上；所述贴片温度传感器用于测量所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅所在的环境温度；

所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅分别设置在平面应变梁的相垂直的两个水平梁上，所述第三光纤光栅设置在所述中心柱的侧面上；所述第一光纤光栅用于测量第一维方向上的力，所述第二光纤光栅用于测量第二维方向上的力，所述第三光纤光栅用于测量第三维方向上的力。

2.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述外圆环、所述内圆环和所述平面应变梁为一体结构且采用弹性材料制成，所述中心柱的材料也为弹性材料。

3.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅分别粘贴于相垂直的两个水平梁的上表面且靠近内圆环。

4.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅通过光纤依次连接。

5.根据权利要求4所述的三维力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括：上端盖；

所述上端盖卡紧在所述外圆环的内壁中；

所述上端盖开设一通孔，所述光纤的首端和尾端均穿过所述通孔与外部解调设备相连。

6.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括：外壳；

所述外壳固定在所述外圆环与所述底座之间。

7.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述底座上开设螺纹孔，所述底座通过所述螺纹孔安装在机器人的关节部位上。

8.一种三维力传感器测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的三维力传感器，所述方法包括：

通过三维力传感器的贴片温度传感器测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度；

根据所述环境温度，计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量；所述发生弹性形变的结构上的光纤光栅为第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅中的其中一个、两个或三个；所述发生弹性形变的结构为相垂直的两个水平梁、中心柱中的其中一个、两个或三个；

根据发生弹性形变的结构上的光纤光栅的中心波长偏移量与所述第一中心波长偏移量的差值，计算发生弹性形变的结构上的光纤光栅所对应维度方向上的力。

9.根据权利要求8所述的三维力传感器测量方法，其特征在于，根据所述环境温度，计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量，具体包括：

根据所述环境温度，利用公式计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量；

其中，T为环境温度，T₀为初始温度，K_T为发生弹性形变的结构上的光纤光栅的温度灵敏度，Δλ₁为第一中心波长漂移量。