[发明专利]基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器

说明书

本发明公开了一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力‑力矩传感器，该传感器包括连接的固定环、连接环、受力环、斜置C形梁、平置C形梁以及设置在装置内的第一至第八光纤，第一至第八光纤设置有第一至第八光纤光栅；当该装置接触被测对象时，该装置受力使斜置C形梁以及平置C形梁发生形变，同时第一至第八光纤发生形变，进而使第一至第八光纤光栅的中心波长发生漂移，从而得到六维力参数。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器。

背景技术

近年来，六维力传感器广泛应用在国防及民用工业的各个领域，其中包括医疗设备、机械制造及其自动化、航空航天及土木工程等方面。六维力传感器的核心部分是其用于感知力变化的弹性体，弹性体的结构是影响传感器维间耦合、灵敏度以及传感器动态性能等关键参数的重要因素。目前，六维力传感器普遍采用基于直梁的弹性体结构，其中包括平面十字交叉梁结构、正交弹性体结构、基于马提斯十字梁型的长杆结构、轮辐结构、非径向三梁结构、E型膜结构、双十字梁组合式结构、双孔平行梁结构、Stewart结构等，而上述结构存在不同程度的各向同性差、维间耦合大等缺点。

早期，六维力传感器的敏感元件多采用电阻应变片，这类传感器抗电磁干扰能力较弱，且存在线性度差、输出信号弱的缺点。基于光纤光栅设计的传感器相比于传统的电阻应变片具有突出优势，如不受电磁干扰、引线较少等，更加适用于各类多场复杂环境。目前，基于光纤光栅设计的六维力传感器多采用粘贴式布置，应变传递率低，难以满足高灵敏、高精度力感知的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，以实现对六维力的精准测量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，该传感器包括固定环、连接环以及受力环，其中，

固定环设置于连接环外围，固定环与连接环间连接有第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁；第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁沿该传感器的轴心周向呈中心对称设置；

固定环与第一平置C形梁、第二平置C形梁、第三平置C形梁以及第四平置C形梁的连接处设置有第一光纤固定孔、第二光纤固定孔、第三光纤固定孔以及第四光纤固定孔；对应地，连接环设置有第五光纤固定孔、第六光纤固定孔、第七光纤固定孔以及第八光纤固定孔；

受力环位于连接环上方，连接环与受力环间连接有第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁以及第四斜置C形梁，第一斜置C形梁、第二斜置C形梁、第三斜置C形梁以及第四斜置C形梁沿该传感器的轴心周向呈中心对称设置；

受力环周向设置有第九光纤固定孔、第十光纤固定孔、第十一光纤固定孔以及第十二光纤固定孔；对应地，连接环设置有第十三光纤固定孔、第十四光纤固定孔、第十五光纤固定孔以及第十六光纤固定孔；

该传感器还包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤，第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、第七光纤以及第八光纤依次设置有第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅以及第八光纤光栅；其中第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅一端分别固定于第一光纤固定孔、第二光纤固定孔、第三光纤固定孔、第四光纤固定孔，另一端依次固定于第五光纤固定孔、第六光纤固定孔、第七光纤固定孔、第八光纤固定孔；第五光纤、第六光纤、第七光纤、第八光纤一端依次固定于第九光纤固定孔、第十光纤固定孔、第十一光纤固定孔、第十二光纤固定孔，另一端依次固定于第十三光纤固定孔、第十四光纤固定孔、第十五光纤固定孔、第十六光纤固定孔；