CN205102965U - 光纤光栅六维力传感器及其主体结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种新型的光纤光栅六维力传感器及其主体结构，本申请所提供主体结构结构对称性好，易于加工制造。本申请所提供的光纤光栅六维力传感器，其光纤光栅元件的数量仅为12个，与电阻应变计组桥测量原理的传感器一般需要24个应变片相比，敏感元件的数量减少了一倍。同时，光波长信息作为传感器的输出信号，具备了抗电磁干扰、无零漂等优势。本申请提供的测量方法使用12个光纤光栅构成的六组光纤光栅的波长差值输出信息，实现了六维力和力矩测量信息的自动除耦输出，以及实现了温度自补偿。因此本实用新型减小了维间耦合，实现了自解耦测量三维力和三维力矩。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅六维力传感器及其主体结构。
背景技术
随着机器人技术的飞速发展，消防机器人、救援机器人等工作于特殊、恶劣环境中的特种机器人的研发越来越受到人们的重视。六维力传感器作为机器人最为重要的力觉传感器，其在特种机器人恶劣工作环境中的适用性和测量准确性就显得尤为重要。
目前现有的六维力传感器多是基于电阻应变片组桥测量原理而设计的，电阻应变片受温度、潮湿等影响产生的零点漂移大，弱电信号难以抵抗复杂环境中存在的电磁干扰等。
此外，一般的六维力传感器由于结构设计、加工误差、贴片误差等，导致单一维度的力或力矩同样会对其他维度的测量输出有影响，即为维间耦合，这将降低传感器的测量精度。即使目前对六维力传感器维间耦合的解耦方法的研究非常多，但能够实现结构自解耦、检测信息输出自解耦的传感器则可降低对解耦算法的依赖，更能保证传感器的测量精度。
发明内容
本申请提供一种新型的光纤光栅六维力传感器及其主体结构。
本申请提供的光纤光栅六维力传感器的主体结构,其特征在于，包括：
上弹性盘，所述上弹性盘包括外圆环体、四个梁组件和与外圆环体同心的内圆环筒，所述主体结构具有相互垂直的第一轴向、第二轴向和第三轴向形成三维坐标系，所述外圆环体和内圆环筒的对称中心线方向为第三轴，所述四个梁组件连接于外圆环体的内壁与内圆环筒的外壁之间，且四个梁组件之间分别间隔90°，使其中两个梁组件沿第二轴方向设置，另两个梁组件沿第一轴向设置；所述梁组件包括连接于外圆环体的外矩形梁、连接于内圆环筒的内矩形梁和连接于两者之间的传力块；
下弹性筒，所述下弹性筒连接于内圆环筒的下方，所述内圆环筒具有腔体，所述下弹性筒具有内圆孔，所述腔体通过中心通孔与内圆孔连通；所述下弹性筒上开设有沿第三轴向排布的三层切孔组，每层切孔组包括四个径向贯通的切孔且均沿周向均匀分布，所述弹性筒的外壁中部径向凹陷形成中间薄壁，第一层切孔位于中间薄壁的上方，且所述内圆孔的最上端与第一层切孔的最上端平齐，所述第二层切孔位于中间薄壁之上，第三层切孔位于中间薄壁的下方，所述第一层切孔与第三层切孔位置一一对应，所述第二层切孔与第一层切孔沿周向错开45°；
底座，所述底座包括连接于下弹性筒的下方，且具有与内圆孔连通的小轴心孔和与小轴心孔同心的大轴心孔；
以及封堵盖，所述封堵盖包括与小轴心孔配合的上圆台和与大轴心孔配合的下圆台，所述上圆台和下圆台具有贯通的中心孔和偏心孔。
作为所述主体结构的进一步改进，沿第一轴向设置的外矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第二轴的长度；沿第二轴向设置的外矩形梁中，其沿第二轴向方向的长度大于其沿第一轴向的长度；沿第一轴向设置的外矩形梁中，其沿第二轴向的长度为其沿第三轴向长度的3倍以上；沿第二轴向设置的外矩形梁中，其沿第一轴向的长度为沿第三轴向长度的3倍以上；
沿第一轴向设置的内矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第三轴向的长度；沿第二轴向设置的内矩形梁中，其沿第二轴向的长度大于其沿第三轴向的长度；沿第一轴向设置的内矩形梁中，其沿第三轴向的长度为其沿第二轴向长度的3倍以上；沿第二轴向设置的内矩形梁中，其沿第三轴向的长度为其沿第一轴向长度的3倍以上。
作为所述主体结构的进一步改进，所述外矩形梁沿第三轴向的长度,与沿第一轴向布置的内矩形梁中沿第二轴向的长度相同；或者所述外矩形梁沿第三轴向的长度，与沿第二轴向布置的内矩形梁中沿第一轴向的长度相同；
所述内矩形梁沿第三轴向的长度，与沿第一轴向布置的外矩形梁中沿第二轴向的长度相同，或者所述内矩形梁沿第三轴向的长度与沿第二轴向布置的外矩形梁中沿第一轴向的长度相同；
作为所述主体结构的进一步改进，所述传力块沿第一轴向设置时，其沿第一轴向的厚度为外矩形梁沿第三轴向长度的2倍以上；所述传力块的两个侧面与对应的外矩形梁的两个侧面平齐，且外矩形梁位于传力块沿第三轴向长度的中央；所述传力块的上下表面与内矩形梁的上下两个表面平齐，且沿第一轴向布置的内矩形梁位于对应传力块沿第二轴向长度的中央，沿第二轴向布置的内矩形梁位于对应传力块沿第一轴向长度的中央。
作为所述主体结构的进一步改进，同一层的两个切孔之间的部分为支撑台，所述支撑台为三层，第一层支撑台设置于第一层切孔之间，第二层支撑台设置于第二层切孔之间，第三层支撑台设置于第三层切孔之间，每个所述切孔的周向长度为对应支撑台周向长度的2倍以上，且第一层支撑台以及和其对应的第三层支撑台分别沿第一轴向和第二轴向设置。
作为所述主体结构的进一步改进，所述上弹性盘、下弹性筒和底座为弹性材料制成的一体式结构，所述的封堵盖与底座机械配合，并采用激光点焊固定。
作为所述主体结构的进一步改进，所述的封堵盖装入底座时，所述下圆台的上表面与大轴心孔的上表面平齐，所述上圆台的上表面低于第三层切孔。
本申请提供的光纤光栅六维力传感器，包括如上述任一项所述的主体结构和敏感检测元件，所述敏感检测元件为光纤光栅，在第一层支撑台和与其上下对应的第三层支撑台之间且平行于第三轴向的位置分别布置有第一光纤光栅(FBG1)、第二光纤光栅(FBG2)、第三光纤光栅(FBG3)和第四光纤光栅(FBG4)，且第一光纤光栅(FBG1)和第三光纤光栅(FBG3)位于第一轴向和第三轴向所在平面内，第二光纤光栅(FBG2)和第四光纤光栅(FBG4)位于第二轴向和第三轴向所在平面内；在沿第一轴向的两个外矩形梁靠近传力块的上表面处布置有沿上弹性盘的径向设置的第五光纤光栅(FBG5)和第七光纤光栅(FBG7)；在沿第二轴向的两个外矩形梁靠近传力块的上表面处布置有沿上弹性盘的径向设置的第六光纤光栅(FBG6)和第八光纤光栅(FBG8)；在任意一个内矩形梁靠近传力块的两侧面上对称布置有第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)；
若在沿第一轴向的内矩形梁上布置第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)，则第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)为平行于第一轴向布置；
若在沿第二轴向的内矩形梁上布置第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)，则第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)为平行于第二轴向布置；
在腔体内布置有第十一光纤光栅(FBG11)；在中心通孔和中心孔之间的内圆孔内沿第三轴向布置有第十二光纤光栅(FBG12)。
作为所述光纤光栅六维力传感器的进一步改进，第一光纤光栅(FBG1)、第二光纤光栅(FBG2)、第三光纤光栅(FBG3)和第四光纤光栅(FBG4)处于预拉伸绷紧状态时，其两端的光纤固定粘贴于支撑台的外表面；第五光纤光栅(FBG5)、第六光纤光栅(FBG6)、第七光纤光栅(FBG7)、第八光纤光栅(FBG8)、第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)上刻有光栅处全部粘贴；第十一光纤光栅(FBG11)处于自由状态；第十二光纤光栅(FBG12)为预拉伸绷紧状态时，其两端的光纤分别固定粘贴于中心通孔和中心孔内；所述第五光纤光栅(FBG5)、第六光纤光栅(FBG6)、第七光纤光栅(FBG7)、第八光纤光栅(FBG8)距离第三轴向轴线的距离相等；所述第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)距离第三轴向轴线的距离相等。
本申请的有益效果是：
本申请所提供的光纤光栅六维力传感器的主体结构，与现有的通过零部件的复杂装配实现无维间耦合的六维力传感器相比，本发明的主体结构对称性好，易于加工制造。
本申请所提供的光纤光栅六维力传感器，其光纤光栅元件的数量仅为12个，与电阻应变计组桥测量原理的传感器一般需要24个应变片相比，敏感元件的数量减少了一倍。同时，光波长信息作为传感器的输出信号，具备了抗电磁干扰、无零漂等优势。
附图说明
图1为本发明的传感器整体结构示意图；
图2为本发明的传感器底视整体组成示意图；
图3为本发明的传感器装配后的示意图；
图4为本发明的传感器俯视图；
图5为本发明的传感器正视图；
图6为本发明的传感器正视剖视图；
图7为传感器的下弹性筒布置的光纤光栅正视示意图；
图8为传感器的下弹性筒布置的光纤光栅后视示意图；
图9为传感器的上弹性盘布置的光纤光栅俯视示意图；
图10为传感器光纤光栅布置的正视剖视示意图
在图中有：上弹性盘1、下弹性筒2、底座3、封堵盖4、外圆环体11、外矩形梁12、传力块13、内矩形梁14、内圆环筒15、腔体16、中心通孔17、切孔21、支撑台22、中间薄壁23、内圆孔24、小轴心孔31、大轴心孔32、中心孔41、偏心孔42、上圆台43、下圆台44。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
然而，本领域的技术人员可能会意识到其中的一个或多个的具体细节描述可以被省略，或者还可以采用其他的方法、组件或材料。在一些例子中，一些实施方式并没有描述或没有详细的描述。
此外，本文中记载的技术特征、技术方案还可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。
实施例：
如图1所示，传感器包括主体结构和敏感检测元件。
该主体结构包括上弹性盘1、下弹性筒2、底座3和封堵盖4。
其中上弹性盘1、下弹性筒2和底座3为一体式加工而成整体型弹性结构，封堵盖4为独立零件，与底座3下方的孔配合后采用激光点焊固定，封堵盖4只起到固定光纤和引出尾纤的作用，而无弹性变形功能。图3是装配、固定完毕后的传感器示意图。
如图1中的标示，主体结构具有相互垂直的第一轴向、第二轴向和第三轴向形成三维坐标系(即以底座3的底面的圆心为原点0定义一个XYZ三维坐标系，X轴为第一轴，Y轴为第二轴，Z轴为第三轴)，外圆环体11和内圆环筒15的对称中心线方向为第三轴。
图4为传感器俯视图，详细的展示了上弹性盘1的结构和位置关系，上弹性盘1包括有外圆环体11、外矩形梁12、传力块13、内矩形梁14、内圆环筒15、腔体16以及中心通孔17。
其中，外矩形梁12、内矩形梁14和传力块13组成梁组件，本实施例共有四个梁组件，四个梁组件连接于外圆环体11的内壁与内圆环筒15的外壁之间，且四个梁组件之间分别间隔90°。
外圆环体11上设有与外矩形梁12对应的螺纹孔作为加载环，外圆环体11、外矩形梁12、传力块13、内矩形梁14、内圆环筒15依次连接。四个完全一致的外矩形梁12分别沿X轴或Y轴设置，四个完全一致内矩形梁14分别沿X轴或Y轴设置。上弹性盘1关于XOZ平面以及YOZ平面对称。
外矩形梁12、内矩形梁14均为薄壁结构，沿X轴方向设置的外矩形梁12中，其沿X轴方向的长度大于沿Y方向的长度。沿Y轴方向设置的外矩形梁12中，其沿Y轴方向的长度大于沿X方向的长度。沿X轴方向设置的外矩形梁12中，其沿Y轴方向的长度为沿Z轴方向长度的3倍以上。沿Y轴方向设置的外矩形梁12中，其沿X轴方向的长度为其沿Z轴方向厚度的3倍以上。
沿X轴方向设置的内矩形梁14中，其沿X轴方向的长度大于沿Z方向的长度。沿Y轴方向设置的内矩形梁14中，其沿Y轴方向的长度大于沿Z方向的长度。沿X轴方向设置的内矩形梁14中，其沿Z轴方向的长度为沿Y轴方向长度的3倍以上。沿Y轴方向设置的内矩形梁14中，其沿Z轴方向的长度为沿X轴方向厚度的3倍以上。
外矩形梁12沿Z轴方向的长度与沿X轴方向布置的内矩形梁14沿Y轴方向的长度或者沿Y轴方向布置的内矩形梁14沿X轴方向的长度相同。
内矩形梁14沿Z轴方向的长度与沿X轴方向布置的外矩形梁12沿Y轴方向的长度或者沿Y轴方向布置的外矩形梁12沿X轴方向的长度相同。
沿X轴方向设置的传力块13沿X轴的长度与沿Y轴方向设置的传力块13沿Y轴的长度一致，且为外矩形梁12沿Z轴方向的长度的2倍以上。传力块13的两个侧面与外矩形梁12的两个侧面平齐，且外矩形梁12位于传力块13沿Z轴方向高度的中央；传力块13的上下表面与内矩形梁14的上下两个表面平齐，且沿X轴方向布置的内矩形梁14位于传力块13沿Y轴方向长度的中央，沿Y轴方向布置的内矩形梁14位于传力块13沿X轴方向长度的中央。
内圆环筒15的壁厚为外矩形梁12沿Z轴方向的长度的3倍以上；内圆环筒15的上表面与内矩形梁14的上表面平齐；外环圆壁11、传力块13、内矩形梁14、内圆环筒15的底面平齐。
如图5所示，下弹性筒2包括有切孔21、支撑台22、中间薄壁23、内圆孔24。切孔21沿轴向自上而下等间隔共有三层，且每一层的切孔21有四个，且沿周向均有分布；第一层切孔21与第三层切孔21上下对应，第二层切孔21与第一层切孔21周向错开45°。支撑台22为每层的四个切孔21之间的部分，且切孔21的周向长度为支撑台22周向长度的2倍以上；第一层支撑台22和与其对应的第三层支撑台22分别沿X轴和Y轴设置。第一层切孔21与第三层切孔21之间的部分的外壁径向凹陷，使其外径要小些，形成薄壁结构。内圆孔24贯穿整个下弹性筒2，内圆孔24最上端与第一层切孔21平齐。
如图6所示，底座3的中心设置有小轴心孔31、大轴心孔32，小轴心孔31与内圆孔24同轴且直径相同，即为同一个圆孔。
如图6所示，封堵盖4上留有中心孔41、偏心孔42、上圆台43、下圆台44，上圆台43的外径与底座3的小轴心孔31的内径相同以实现机械配合；下圆台44的外径与大轴心孔32的内径相同以实现机械配合，并且下圆台44的厚度小于大轴心孔32的深度；封堵盖4与底座3配合后，下圆台44的上表面与大轴心孔32的上表面平齐，且上圆台43的上表面低于第三层切孔21的下表面。
本发明传感器的敏感检测元件为光纤光栅，在传感器弹性结构的特定位置上布置光纤光栅后，利用光纤光栅的波长输出来测量三维力和三维力矩。
如图7、8所示，在第一层支撑台22和与其上下对应的第三层支撑台22之间平行于Z轴方向分别布置有光纤光栅第一光纤光栅(FBG1)、第二光纤光栅(FBG2)、第三光纤光栅(FBG3)和第四光纤光栅(FBG4)，第一光纤光栅(FBG1)和第三光纤光栅(FBG3)位于XOZ平面内，第二光纤光栅(FBG2)和第四光纤光栅(FBG4)位于YOZ平面内，第一光纤光栅(FBG1)、第二光纤光栅(FBG2)、第三光纤光栅(FBG3)和第四光纤光栅(FBG4)均是在处于预拉伸绷紧状态时，光纤光栅两端的光纤通过玻璃焊料或者胶黏剂固定在支撑台22的外表面。
在沿X轴方向的两个外矩形梁12靠近传力块13的上表面处沿上弹性盘1径向布置第五光纤光栅(FBG5)和第七光纤光栅(FBG7)，采用的是光栅处全部粘贴；同样地，在沿Y轴方向的两个外矩形梁12靠近传力块13的上表面处沿上弹性盘1径向布置有光纤光栅第六光纤光栅(FBG6)和第八光纤光栅(FBG8)；
在任意一个内矩形梁14靠近传力块13的两侧面上对称布置光纤光栅第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)，并且第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)沿上弹性盘1的径向布置；
FBG11处于自由状态布置在空腔16内，在中心通孔17和中心孔41之间的内圆孔24内沿Z轴轴线布置有第十二光纤光栅(FBG12)，第十二光纤光栅(FBG12)是在处于预拉伸绷紧状态时，光纤光栅两端的光纤通过玻璃焊料或者胶黏剂固定在中心通孔17和中心孔41内。
第五光纤光栅(FBG5)、第六光纤光栅(FBG6)、第七光纤光栅(FBG7)、第八光纤光栅(FBG8)距离Z轴轴线的距离相等，第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)距离Z轴轴线的距离相等。
如图7、8、9、10所示，第一光纤光栅(FBG1)的尾端光纤，上端尾纤穿过第一层的某一切孔21后进入内圆孔24，再穿过封堵盖4上的偏心孔42后引出，作为传感器的一个引出光纤信号端头；第一光纤光栅(FBG1)的下端尾纤与第二光纤光栅(FBG2)的下端尾纤连接，第二光纤光栅(FBG2)的上端尾纤与第三光纤光栅(FBG3)的上端尾纤连接，第三光纤光栅(FBG3)的下端尾纤与第四光纤光栅(FBG4)的下端尾纤连接，第四光纤光栅(FBG4)的上端尾纤穿过上弹性盘1后与第五光纤光栅(FBG5)的左端尾纤连接，第五光纤光栅(FBG5)的右端尾纤与第六光纤光栅(FBG6)的上端尾纤连接，第六光纤光栅(FBG6)的下端尾纤与第七光纤光栅(FBG7)的左端尾纤连接，第七光纤光栅(FBG7)的右端尾纤与第八光纤光栅(FBG8)的下端尾纤连接，第八光纤光栅(FBG8)的上端尾纤与第九光纤光栅(FBG9)的上端尾纤连接，第九光纤光栅(FBG9)的下端尾纤与第十光纤光栅(FBG10)的下端尾纤连接，第十光纤光栅(FBG10)的上端尾纤与第十一光纤光栅(FBG11)的上端尾纤连接，第十光纤光栅(FBG10)的下端尾纤与第十二光纤光栅(FBG12)的上端尾纤连接；第十二光纤光栅(FBG12)的下端尾纤穿过中心孔41后引出，作为传感器的另一个引出光纤信号端头。
第一光纤光栅(FBG1)和第三光纤光栅(FBG3)的波长漂移量的差值信号Δλ13＝Δλ1-Δλ3，用于测量Fx；
第二光纤光栅(FBG2)和第四光纤光栅(FBG4)的波长漂移量的差值信号Δλ24＝Δλ2-Δλ4，用于测量Fy；
第五光纤光栅(FBG5)和第七光纤光栅(FBG7)的波长漂移量的差值信号Δλ57＝Δλ5-Δλ7，用于测量My；
第六光纤光栅(FBG6)和第八光纤光栅(FBG8)的波长漂移量的差值信号Δλ68＝Δλ6-Δλ8，用于测量Mx；
第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)的波长漂移量的差值信号Δλ910＝Δλ9-Δλ10，用于测量Mz
通过温度测试得出预拉伸后两端固定粘贴的第十二光纤光栅(FBG12)与处于自由状态的第十一光纤光栅(FBG11)的温度灵敏度系数的比值k后，第十二光纤光栅(FBG12)的波长漂移量与k倍的第十一光纤光栅(FBG11)的波长漂移量的差值信号Δλ1112＝Δλ11-k*Δλ12，用于测量Fz。
本发明自解耦测量三维力和力矩信息的原理如下：
FBG1和FBG3组合为一对测量单元，FBG1、FBG3各自波长漂移量的差值输出用于测量x方向的力Fx。FBG1、FBG3波长漂移量的差值输出只对Fx敏感，这是由于：
1.当有x方向的力Fx作用于作为加载环的外环壁上时，FBG1与FBG3分别处于下弹性筒的变形两侧，FBG1与FBG3的波长漂移大小相等但方向相反。将波长漂移量的差值作为测量单元的输出信号，不但提高了测量灵敏度，而且，由环境温度变化带来的波长同向、等值漂移经差值后消除；
2.而当有y方向的力Fy作用时，FBG1、FBG3处于下弹性筒的中性层，波长无漂移，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；当有z方向的力Fz作用时，FBG1与FBG3波长漂移同向且等值，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；
3.当有绕X轴方向的力矩Mx作用时，变形主要集中在上弹性盘中沿Y轴布置的外矩形梁上，下弹性筒变形不明显，FBG1、FBG3的波长漂移对Mx不敏感，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；
4.当有绕Y轴方向的力矩My作用时，变形主要集中在上弹性盘中沿X轴布置的外矩形梁上，下弹性筒变形不明显，FBG1、FBG3的波长漂移对My不敏感，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；
5.当有绕Z轴方向的力矩Mz作用时，变形主要集中在上弹性盘中的内矩形梁上，下弹性筒变形不明显，FBG1、FBG3的波长漂移对Mz不敏感，而且即使下弹性筒变形有微扭转变形，FBG1与FBG3所处的变形状态也一致，波长漂移一致，FBG1与FBG3波长漂移量的差值无输出；
可见，FBG1和FBG3组成的测量单元的波长漂移量的差值输出实现了只对Fx敏感的自解耦测量。相同的分析方法，将传感器沿Z轴旋转90°，可知FBG2和FBG4组成的测量单元的波长漂移量的差值输出可实现只对Fy敏感的自解耦测量。
FBG5和FBG7组合为一对测量单元，FBG5、FBG7各自波长漂移量的差值输出用于测量绕Y轴方向的力矩My：
1.当有绕Y轴方向的力矩My作用于作为加载环的外环壁上时，沿X轴方向的两个外矩形梁变形明显，FBG5与FBG7布置处产生大小相同、符号相反的应变，FBG5与FBG7的波长漂移大小相等但方向相反，波长漂移量的差值作为测量单元的输出信号，不仅提高了测量灵敏度，而且由环境温度变化带来的波长同向、等值漂移经差值后消除；
2.而当有x或y方向的力Fx或Fy作用时，变形主要发生于下弹性筒，上弹性盘仅起到传递力的作用而无明显变形，FBG5、FBG7的波长漂移对Fx和Fy不敏感，FBG5与FBG7波长漂移量的差值无输出；
3.当有z方向的力Fz作用时，四个外矩形梁变形趋势一致，FBG5、FBG7布置处产生大小相同、符号相同的应变，FBG5与FBG7的波长漂移量经过差值处理后无输出；
4.当有绕X轴方向的力矩Mx作用时，FBG5和FBG7所在的沿X轴方向的两个外矩形梁所处的变形状态一致，FBG5、FBG7产生相同的波长漂移，FBG5与FBG7的波长漂移量经过差值处理后无输出；
5.当有绕Z轴方向的力矩Mz作用时，FBG5和FBG7所在的沿X轴方向的两个外矩形梁无明显变形，而且即使产生微弱变形，FBG5、FBG7布置处的变形状态也一致，FBG5、FBG7产生相同的波长漂移，FBG5与FBG7的波长漂移量经过差值处理后无输出；
可见，FBG5和FBG7组成的测量单元的波长漂移量的差值输出实现了只对My敏感的自解耦测量。相同的分析方法，将传感器沿Z轴旋转90°，可知FBG6和FBG8组成的测量单元的波长漂移量的差值输出可实现只对Mx敏感的自解耦测量。
FBG9和FBG10组合为一对测量单元，FBG9、FBG10各自波长漂移量的差值输出用于测量绕Z轴方向的力矩Mz：
1.当有绕Z轴方向的力矩Mz作用于作为加载环的外环壁时，布置有FBG9和FBG10的内矩形梁发生主要形变，FBG9与FBG10布置处产生大小相同、符号相反的应变，FBG9与FBG10的波长漂移大小相等但方向相反，波长漂移量的差值作为测量单元的输出信号，提高了测量灵敏度，由环境温度变化带来的波长同向、等值漂移经差值后也被消除；
2.而当有x或y或z方向的力Fx或Fy或Fz作用时，变形主要发生于下弹性筒，上弹性盘仅起到传递力的作用而无明显变形，FBG9、FBG10的波长漂移对Fx、Fy和Fz不敏感，FBG9与FBG10波长漂移量的差值无输出；
3.而当有绕X轴或Y轴方向的力矩Mx或My作用时，FBG9、FBG10布置处发生的变形状态一致，FBG9、FBG10产生相同的波长漂移，FBG5与FBG7的波长漂移量经过差值处理后无输出；
可见，FBG9和FBG10组成的测量单元的波长漂移量的差值输出实现了只对Mz敏感的自解耦测量。
FBG11和FBG12组合为一对测量单元，用于测量z方向的力Fz：
1.当有z方向的力Fz作用于作为加载环的外环壁时，下弹性筒沿Z轴方向变形，布置于下弹性筒轴向中心的FBG12产生波长漂移，处于自由状态的FBG11为FBG12提供温度补偿，通过温度测试得出处于预拉伸后两端固定粘贴的FBG12与处于自由状态的FBG11的温度灵敏度系数的比值k后，将FBG12的波长漂移量与k倍的FBG11的波长漂移量的差值做为测量单元的输出信号，测量Fz，差值输出信号消除了由环境温度变化带来的FBG12的波长漂移；
2.而当有沿x或y方向的力Fx或Fy，以及绕X轴或Y轴方向的力矩Mx或My作用时，FBG12处于下弹性筒的轴心，在中性层面上，不发生变形，FBG12波长无漂移；
3.当有绕Z方向的力矩Mz作用时，下弹性筒变形不明显，即使下弹性筒有微扭转变形，也没有对FBG12产生拉伸或者压缩作用，FBG12波长无漂移量；
可见，FBG11和FBG12组成的测量单元的输出实现了只对Fz敏感的自解耦测量。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
Claims (9)
1.一种光纤光栅六维力传感器的主体结构,其特征在于，包括：
上弹性盘，所述上弹性盘包括外圆环体、四个梁组件和与外圆环体同心的内圆环筒，所述主体结构具有相互垂直的第一轴向、第二轴向和第三轴向形成三维坐标系，所述外圆环体和内圆环筒的对称中心线方向为第三轴，所述四个梁组件连接于外圆环体的内壁与内圆环筒的外壁之间，且四个梁组件之间分别间隔90°，使其中两个梁组件沿第二轴方向设置，另两个梁组件沿第一轴向设置；所述梁组件包括连接于外圆环体的外矩形梁、连接于内圆环筒的内矩形梁和连接于两者之间的传力块；
下弹性筒，所述下弹性筒连接于内圆环筒的下方，所述内圆环筒具有腔体，所述下弹性筒具有内圆孔，所述腔体通过中心通孔与内圆孔连通；所述下弹性筒上开设有沿第三轴向排布的三层切孔组，每层切孔组包括四个径向贯通的切孔且均沿周向均匀分布，所述弹性筒的外壁中部径向凹陷形成中间薄壁，第一层切孔位于中间薄壁的上方，且所述内圆孔的最上端与第一层切孔的最上端平齐，所述第二层切孔位于中间薄壁之上，第三层切孔位于中间薄壁的下方，所述第一层切孔与第三层切孔位置一一对应，所述第二层切孔与第一层切孔沿周向错开45°；
底座，所述底座包括连接于下弹性筒的下方，且具有与内圆孔连通的小轴心孔和与小轴心孔同心的大轴心孔；
以及封堵盖，所述封堵盖包括与小轴心孔配合的上圆台和与大轴心孔配合的下圆台，所述上圆台和下圆台具有贯通的中心孔和偏心孔。
2.根据权利要求1所述的主体结构，其特征在于：沿第一轴向设置的外矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第二轴的长度；沿第二轴向设置的外矩形梁中，其沿第二轴向方向的长度大于其沿第一轴向的长度；沿第一轴向设置的外矩形梁中，其沿第二轴向的长度为其沿第三轴向长度的3倍以上；沿第二轴向设置的外矩形梁中，其沿第一轴向的长度为沿第三轴向长度的3倍以上；
沿第一轴向设置的内矩形梁中，其沿第一轴向的长度大于其沿第三轴向的长度；沿第二轴向设置的内矩形梁中，其沿第二轴向的长度大于其沿第三轴向的长度；沿第一轴向设置的内矩形梁中，其沿第三轴向的长度为其沿第二轴向长度的3倍以上；沿第二轴向设置的内矩形梁中，其沿第三轴向的长度为其沿第一轴向长度的3倍以上。
3.根据权利要求2所述的主体结构，其特征在于：所述外矩形梁沿第三轴向的长度,与沿第一轴向布置的内矩形梁中沿第二轴向的长度相同；或者所述外矩形梁沿第三轴向的长度，与沿第二轴向布置的内矩形梁中沿第一轴向的长度相同；
所述内矩形梁沿第三轴向的长度，与沿第一轴向布置的外矩形梁中沿第二轴向的长度相同，或者所述内矩形梁沿第三轴向的长度与沿第二轴向布置的外矩形梁中沿第一轴向的长度相同。
4.根据权利要求3所述的主体结构，其特征在于：所述传力块沿第一轴向设置时，其沿第一轴向的厚度为外矩形梁沿第三轴向长度的2倍以上；所述传力块的两个侧面与对应的外矩形梁的两个侧面平齐，且外矩形梁位于传力块沿第三轴向长度的中央；所述传力块的上下表面与内矩形梁的上下两个表面平齐，且沿第一轴向布置的内矩形梁位于对应传力块沿第二轴向长度的中央，沿第二轴向布置的内矩形梁位于对应传力块沿第一轴向长度的中央。
5.根据权利要求4所述的主体结构，其特征在于：同一层的两个切孔之间的部分为支撑台，所述支撑台为三层，第一层支撑台设置于第一层切孔之间，第二层支撑台设置于第二层切孔之间，第三层支撑台设置于第三层切孔之间，每个所述切孔的周向长度为对应支撑台周向长度的2倍以上，且第一层支撑台以及和其对应的第三层支撑台分别沿第一轴向和第二轴向设置。
6.根据权利要求5所述的主体结构，其特征在于：所述上弹性盘、下弹性筒和底座为弹性材料制成的一体式结构，所述的封堵盖与底座机械配合，并采用激光点焊固定。
7.根据权利要求6所述的主体结构，其特征在于：所述的封堵盖装入底座时，所述下圆台的上表面与大轴心孔的上表面平齐，所述上圆台的上表面低于第三层切孔。
8.一种光纤光栅六维力传感器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的主体结构和敏感检测元件，所述敏感检测元件为光纤光栅，在第一层支撑台和与其上下对应的第三层支撑台之间且平行于第三轴向的位置分别布置有第一光纤光栅(FBG1)、第二光纤光栅(FBG2)、第三光纤光栅(FBG3)和第四光纤光栅(FBG4)，且第一光纤光栅(FBG1)和第三光纤光栅(FBG3)位于第一轴向和第三轴向所在平面内，第二光纤光栅(FBG2)和第四光纤光栅(FBG4)位于第二轴向和第三轴向所在平面内；在沿第一轴向的两个外矩形梁靠近传力块的上表面处布置有沿上弹性盘的径向设置的第五光纤光栅(FBG5)和第七光纤光栅(FBG7)；在沿第二轴向的两个外矩形梁靠近传力块的上表面处布置有沿上弹性盘的径向设置的第六光纤光栅(FBG6)和第八光纤光栅(FBG8)；在任意一个内矩形梁靠近传力块的两侧面上对称布置有第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)；
若在沿第一轴向的内矩形梁上布置第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)，则第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)为平行于第一轴向布置；
若在沿第二轴向的内矩形梁上布置第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)，则第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)为平行于第二轴向布置；
在腔体内布置有第十一光纤光栅(FBG11)；在中心通孔和中心孔之间的内圆孔内沿第三轴向布置有第十二光纤光栅(FBG12)。
9.根据权利要求8所述的光纤光栅六维力传感器，其特征在于：第一光纤光栅(FBG1)、第二光纤光栅(FBG2)、第三光纤光栅(FBG3)和第四光纤光栅(FBG4)处于预拉伸绷紧状态，其两端的光纤固定粘贴于支撑台的外表面；第五光纤光栅(FBG5)、第六光纤光栅(FBG6)、第七光纤光栅(FBG7)、第八光纤光栅(FBG8)、第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)上刻有光栅处全部粘贴；第十一光纤光栅(FBG11)处于自由状态；第十二光纤光栅(FBG12)为预拉伸绷紧状态，其两端的光纤分别固定粘贴于中心通孔和中心孔内；所述第五光纤光栅(FBG5)、第六光纤光栅(FBG6)、第七光纤光栅(FBG7)、第八光纤光栅(FBG8)距离第三轴向轴线的距离相等；所述第九光纤光栅(FBG9)和第十光纤光栅(FBG10)距离第三轴向轴线的距离相等。
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2015
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