CN109470403B - 一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法，该标定方法包括：(1)在眼科显微手术器械末端沿轴向等间距布置三根光纤光栅，每根光纤光栅分布2个光栅，其中相邻光纤光栅在眼科显微手术器械末端截面上的夹角成120度；(2)建立X轴和Y轴，获取眼科显微手术器械末端受压过程中的力与波长的变化；(3)获取眼科显微手术器械末端轴向受扭过程中的扭矩与波长的变化；(4)建立眼科显微手术器械末端力、力矩与差分后的波长变化的关系；(5)标定传感器的精度。根据本发明实施例提供的一种基于光纤光栅的微力/力矩传感器标定方法，可同时对眼科显微手术器械末端力和力矩进行标定。

Description

一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法
技术领域
本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法。
背景技术
眼科显微手术大多数是在狭小的眼内空间中进行精细的手术操作，如果在手术过程中产生过大的操作力可能造成眼组织撕裂、出血，从而造成不可逆的组织破坏。在这种苛刻环境下，以光纤光栅为原理制作的力/力矩传感器具有很大的优势。
将光纤光栅传感网络分布式植入眼科显微手术器械末端，通过将眼科显微手术器械末端形变产生的传感信息进行处理，进而基于相关算法实现对眼科显微手术器械末端力/力矩的感知。但是，目前只建立了波长变化与眼科显微手术器械末端力的关系，但是在手术过程中眼科显微手术器械末端力矩与波长的变化还没有建立。因此，有必要设计一种标定方法来同时建立波长变化与眼科显微手术器械末端力和力矩的关系。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在眼科显微手术器械末端外表面沿轴向等间距布置三根光纤光栅，每根光纤光栅分布2个光栅，其中相邻光纤光栅在眼科显微手术器械末端截面上的夹角成120度。
(2)将眼科显微手术器械末端固定在三自由度平台上，设定其中一根光纤光栅朝上为X轴，与其垂直的方向为Y轴。控制三自由度平台的移动使得眼科显微手术器械末端与高精密天平接触，通过高精密天平得到眼科显微手术器械末端X轴和Y轴方向上的力，通过解调仪得到眼科显微手术器械末端发生形变时光栅波长的变化。
(3)在眼科显微手术器械末端垂直轴向方向固定一根悬臂梁，控制三自由度平台的旋转使得悬臂梁末端与高精密天平接触，通过悬臂梁末端与眼科显微手术器械末端之间的距离得到眼科显微手术器械末端力矩，通过解调仪得到眼科显微手术器械末端发生扭转时光栅波长的变化。
(4)建立眼科显微手术器械末端径向力F和轴向力矩Mz与差分后的波长变化ΔSi的关系，i＝1,2,3,4,5,6，求出各个K值：
Figure GDA0002489044550000021
其中，ΔSi为各段光栅波长的变化量Δλi与其变化和的平均值之差，
Figure GDA0002489044550000022
i＝1,2,3,4,5,6。
(5)通过对其不同方向进行测量，标定光纤光栅力/力矩传感器的精度。
优选地，每根光纤光栅均匀分布。
优选地，眼科显微手术器械末端是由0.5mm-0.7mm的镍钛合金管材料制成。
优选地，眼科显微手术器械末端长度为35mm-60mm。
本发明的有益效果在于：
所述的标定方法，差分后的ΔSi去除了温度对光栅波长变化的影响，从而在计算公式中只考虑形变对波长产生变化。
所述的标定方法，不仅建立了末端径向力与波长之间的关系，也建立了末端扭矩与波长的关系。从而可同时得到在手术操作过程中力/力矩的变化。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方案得以阐述，其中：
图1本发明力/力矩传感器标定系统示意图
图2本发明力/力矩传感器标定方法的流程图
图3本发明三根光纤光栅在眼科显微手术器械末端的分布以及光栅检测点的分布示意图
图4本发明标定过程眼科显微手术器械末端受压示意图
图5本发明标定过程眼科显微手术器械末端受扭示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法，图1为本发明力/力矩传感器标定系统示意图，标定系统包括：宽带光源1、光纤光栅耦合器2、光开关3、三自由度平台4、眼科显微手术器械末端5、标定板6、高精密天平7、光纤光栅传感器8、显示器9、光纤光栅解调仪10、悬臂梁11，其中每根光纤光栅上分布有2个光栅。
由图1所示，宽带光源1发射光波，光波经过光纤光栅耦合器2和光开关3进入到光纤光栅传感器8，光纤光栅传感器8将中心波长发射回来，并通过光开关3和光纤光栅耦合器2传输到光纤光栅解调仪10中转换成数字信号，并在显示器9上显示波长。当眼科显微手术器械末端发生形变时反射的中心波长也会发生变化，通过波长的变化量可以建立其与力/力矩的关系。
图2为本发明力/力矩传感器标定方法的流程图，具体地，本发明提供的一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法，具体包括如下步骤：
步骤S01，在眼科显微手术器械末端5外表面沿轴向等间距布置三根光纤光栅传感器8每根光纤光栅传感器分布2个光栅，其中相邻光纤光栅传感器8在眼科显微手术器械末端截面上的夹角成120度。
步骤S02，将眼科显微手术器械末端5固定在三自由度平台4上，设定其中一根光纤光栅朝上为X轴，与其垂直的方向为Y轴。控制三自由度平台4的移动使得眼科显微手术器械末端5与高精密天平7接触，通过高精密天平7得到眼科显微手术器械末端5X轴和Y轴方向上的力，通过光纤光栅解调仪10得到眼科显微手术器械末端5发生形变时光栅波长的变化。
步骤S03，在眼科显微手术器械末端5垂直轴向方向固定一根悬臂梁，控制三自由度平台的旋转使得悬臂梁11末端与高精密天平7接触，通过悬臂梁11末端与眼科显微手术器械末端5之间的距离得到眼科显微手术器械末端5力矩，通过光纤光栅解调仪10得到眼科显微手术器械末端5发生扭转时光栅波长的变化。
步骤S04，建立眼科显微手术器械末端5径向力F和轴向力矩Mz与差分后的波长变化ΔSi的关系，i＝1,2,3,4,5,6，求出各个K值：
Figure GDA0002489044550000031
其中，ΔSi为各段光栅波长的变化量Δλi与其变化和的平均值之差，
Figure GDA0002489044550000032
i＝1,2,3,4,5,6；眼科显微手术器械末端径向力F由眼科显微手术器械末端在X轴方向上的力Fx与在Y轴方向上的力Fy的合力组成，即F2＝Fx 2+Fy 2。
步骤S05，通过对其不同方向进行测量，标定光纤光栅微力/传感器的精度。
图3为本发明三根光纤光栅在眼科显微手术器械末端的分布以及光栅检测点的分布示意图，眼科显微手术器械末端管径上每隔120°粘有三根光纤光栅传感器8，每根光纤光栅传感器8上刻有两段光栅。通过建立光栅反射中心波长的变化与力和力矩的关系，当眼科显微手术器械末端5受到力、力矩或者两者合力的时候，通过波长的变化得到其末端力和力矩的大小。
图4和图5分别为标定过程眼科显微手术器械末端受压和受扭示意图，在受压过程中，眼科显微手术器械末端5与标定板6接触，并随三自由度平台4逐渐向下运动，高精密天平7记录受压力数据，光纤光栅解调仪10记录中心波长的变化；在受扭过程中，眼科显微手术器械末端5固定的悬臂梁11末端与标定板6接触，通过悬臂梁11的长度换算出眼科显微手术器械末端5受到的扭矩。
眼科显微手术器械末端5是由0.5mm-0.7mm的镍钛合金管材料制成，长度为35mm-60mm。
发明不限于上述示范性实例的细节，并且在不背离本发明基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，均应将本发明看作是示范性的。本发明范围由所附权利要求限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化涵盖在本发明内，不应将权利要求中任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。同时，上述具体实施方式仅为清楚起见，本领域技术人员应将说明书视为整体，上述实施方法中的步骤可以适当组合改变，但不偏离本发明基本原理和特征，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法，其特征在于，所述标定方法包括如下步骤：
(1)在眼科显微手术器械末端外表面沿轴向等间距布置三根光纤光栅，每根光纤光栅分布2个光栅，其中相邻光纤光栅在眼科显微手术器械末端截面上的夹角成120度；
(2)将眼科显微手术器械末端固定在三自由度平台上，设定其中一根光纤光栅朝上为X轴，与其垂直的方向为Y轴；控制三自由度平台的移动使得眼科显微手术器械末端与高精密天平接触，通过高精密天平得到眼科显微手术器械末端X轴和Y轴方向上的力，通过解调仪得到眼科显微手术器械末端发生形变时光栅波长的变化；
(3)在眼科显微手术器械末端垂直轴向方向固定一根悬臂梁，控制三自由度平台的旋转使得悬臂梁末端与高精密天平接触，通过悬臂梁末端与眼科显微手术器械末端之间的距离得到眼科显微手术器械末端力矩，通过解调仪得到眼科显微手术器械末端发生扭转时光栅波长的变化；
(4)建立眼科显微手术器械末端径向力F和轴向力矩Mz与差分后的波长变化ΔSi的关系，i＝1,2,3,4,5,6，求出各个K值：
Figure FDA0002489044540000011
其中，ΔSi为各段光栅波长的变化量Δλi与其变化和的平均值之差，
Figure FDA0002489044540000012
眼科显微手术器械末端径向力F由眼科显微手术器械末端在X轴方向上的力Fx与在Y轴方向上的力Fy的合力组成，即F2＝Fx 2+Fy 2；
(5)通过对其不同方向进行测量，标定光纤光栅力/力矩传感器的精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法，其特征在于，眼科显微手术器械末端由0.5mm-0.7mm的镍钛合金管材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法，其特征在于，眼科显微手术器械末端长度为35mm-60mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的力/力矩传感器标定方法，其特征在于，该传感器不仅能够测量眼科显微手术器械末端径向方向上的力，也能够测量绕轴向方向的扭矩。
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