CN210464756U - 一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤光栅传感技术领域，具体公开了一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，包括传感层，传感层内设有第一级联光栅串和第二级联光栅串，传感层外设有温度补偿光栅；第一级联光栅串包括N个位于同一直线且依次串联的第一光纤光栅传感元，第二级联光栅串包括N个平行设置且依次串联的第二光纤光栅传感元，各第一光纤光栅传感元所在的第一平面与各第二光纤光栅传感元所在的第二平面相平行；温度补偿光栅与第一级联光栅串相连。本实用新型表贴或埋置于机械手指内部，可以检测出正向压力、剪切力、滑动等触滑觉信息，并可补偿环境温度对测量信息带来的干扰。

Description

一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器。

背景技术

传统的触滑觉传感器按原理主要可分为压阻式、压电式、电容式、光学式等等。但柔性不足的问题一直制约着触滑觉传感器的发展，大多数的传感器由于自身尺寸过大，或者抗电磁干扰能力弱等问题，无法满足机械手工作实时高精度的触滑觉信息监测要求。

光纤光栅传感器是一种波长调制型传感器，接收外界物理量后对波长信息进行调制来获取传感信息。近年来，光纤光栅传感器凭借其体积微小，灵敏度高，抗电磁干扰能力强等诸多优点，已被应用于机器人触滑觉传感方面。但现有的光纤光栅触滑觉传感器大多是针对触觉或者滑觉信息的单一测量，鲜有对机械手触滑觉信息的复合传感研究，而且对环境温度带来的传感误差考虑较少，因此无法实现对机械手触滑觉信息的全面感知，导致无法实现对机械手工作情况的全面掌控。

因此，为解决上述问题，就需要一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，实现对机械手触滑觉信息的实时全面感知，并可以消除由于环境温度变化带来的温度误差影响，提高传感器的测量精度。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，实现对机械手触滑觉信息的实时全面感知，并可以消除由于环境温度变化带来的温度误差影响，提高传感器的测量精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，包括传感层，所述传感层内设有第一级联光栅串和第二级联光栅串，所述传感层外设有温度补偿光栅；

所述第一级联光栅串包括N个位于同一直线且依次串联的第一光纤光栅传感元，所述第二级联光栅串包括N个平行设置且依次串联的第二光纤光栅传感元，各所述第一光纤光栅传感元所在的第一平面与各所述第二光纤光栅传感元所在的第二平面相平行，各所述第二光纤光栅传感元与第一光纤光栅传感元一一对应且非平行设置并位于对应第一光纤光栅传感元的正下方；

所述温度补偿光栅与第一级联光栅串相连。

作为一种优选的技术方案，各所述第二光纤光栅传感元垂直于对应的第一光纤光栅传感元，形成双层正十字型1×N式光纤光栅传感阵列。

作为一种优选的技术方案，所述N≥2。

作为一种优选的技术方案，第一光纤及第二光纤穿过传感层；各所述第一光纤光栅传感元级联在第一光纤中，各所述第二光纤光栅传感元级联在第二光纤中。

作为一种优选的技术方案，所述温度补偿光栅级联在第一光纤中。

作为一种优选的技术方案，所述第一光纤光栅传感元、第二光纤光栅传感元和温度补偿光栅均为光纤布拉格光栅。

作为一种优选的技术方案，所述第一光纤光栅传感元与第二光纤光栅传感元具有相同的结构；所述N个第一光纤光栅传感元和所述N个第二光纤光栅传感元中的相邻传感元之间的距离小于光纤光栅传感元的长度的三倍且大于或等于光纤光栅传感元的长度的一半。

作为一种优选的技术方案，所述第一光纤光栅传感元与第二光纤光栅传感元的外表面均匀均涂覆有粘胶剂层，所述粘胶剂层的涂覆厚度小于光纤光栅传感元的直径的三倍且大于或等于光纤光栅传感元的直径。

作为一种优选的技术方案，所述传感层为聚合物封装材料层，所述第一级联光栅串和第二级联光栅串埋置于传感层内部。

作为一种优选的技术方案，所述传感层的上表面及下表面均为平面结构；所述第一平面与传感层上表面平行且二者之间的距离大于传感层厚度的五分之一；所述第二平面与传感层下表面平行且二者之间的距离大于传感层厚度的五分之一；所述第一平面与所述第二平面之间的距离不小于光纤光栅传感元的直径。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益技术效果：

第一，本实用新型提供的提供的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，柔性较好，灵敏度高，抗干扰能力强，可以直接表贴于机械手指或者埋置于机械手指结构内部，对机械手正常工作影响较小，能实现对机械手触滑觉信息的准确测量。

第二，本实用新型提供的提供的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，可针对不同机械手指的实际应用需求，对双层十字型光纤光栅传感阵列单元进行排列组合，甚至对聚合物封装材料尺寸大小进行合理设定，应用范围广泛。

第三，本实用新型提供的提供的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，设置有只对温度信息敏感的温度补偿光栅，可以消除由于环境温度变化，对触滑觉测量信息带来的温度误差影响，提高了传感器的测量精度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型双层正十字型1×3式光纤光栅传感阵列示意图；

图3为本实用新型光纤光栅传感元的横截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图3所示：本实施例提供了一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，包括传感层40，所述传感层40内设有第一级联光栅串和第二级联光栅串，所述传感层40外设有温度补偿光栅30。传感层40为聚合物封装材料层，此时所述第一级联光栅串和第二级联光栅串埋置于传感层40内部；聚合物可以选用硅橡胶或聚氨酯，与专用固化剂等质量比充分均匀混合后，灌装入专用模具中，封装包裹整个光纤光栅传感阵列，固化后即得本传感器，传感层40可呈长方体结构；使用时传感器表贴于机械手指或埋置于机械手指结构内部。

所述第一级联光栅串包括N个位于同一直线且依次串联的第一光纤光栅传感元11、12、13，所述第二级联光栅串包括N个平行设置且依次串联的第二光纤光栅传感元21、22、23，各所述第一光纤光栅传感元所在的第一平面与各所述第二光纤光栅传感元所在的第二平面相平行，各所述第二光纤光栅传感元与第一光纤光栅传感元一一对应且非平行设置并位于对应第一光纤光栅传感元的正下方(第一光纤光栅传感元11、12、13分别与第二光纤光栅传感元21、22、23对应，)；所述温度补偿光栅30则与第一级联光栅串相连。N的具体数值可根据需要而设置，优选地，所述N≥2，本实施例以N＝3作为示例说明。

第一光纤光栅传感元11、12、13与第二光纤光栅传感元21、22、23具有相同的结构，仅是排列方式上有所不同。为实现封装，所述第一光纤光栅传感元11、12、13与第二光纤光栅传感元21、22、23的外表面均匀均涂覆有粘胶剂层50，粘胶剂可以是环氧树脂AB胶或丙烯酸酯玻璃胶，所述粘胶剂层50的涂覆厚度小于光纤光栅传感元的直径的三倍且大于或等于光纤光栅传感元的直径；优选地，粘胶剂层50的涂覆厚度等于光纤光栅传感元的直径。

在空间投影的情况下，第一光纤光栅传感元11、12、13与位于正下方的第二光纤光栅传感元21、22、23具有夹角；优选地，各所述第二光纤光栅传感元垂直于对应的第一光纤光栅传感元，从而形成双层正十字型1×N式光纤光栅传感阵列，图2所示即为双层正十字型1×3式光纤光栅传感阵列。

同级光栅串通过光纤相连，或者可以直接刻在同一光纤上；本实施中，第一光纤10及第二光纤20穿过传感层40；各所述第一光纤光栅传感元级联在第一光纤10中，各所述第二光纤光栅传感元级联在第二光纤20中，所述温度补偿光栅30则级联在第一光纤10中；温度补偿光栅30位于传感层40之外，不受力的作用，只对温度信息敏感；第一光纤10、第二光纤20的尾端可与解调设备相连。所述第一光纤光栅传感元、第二光纤光栅传感元和温度补偿光栅30均为光纤布拉格光栅。

本实施例中，所述第一光纤光栅传感元与第二光纤光栅传感元具有相同的结构，每一第一光纤光栅传感元及每一第二光纤光栅传感元均二者可统称为光纤光栅传感元；所述N个第一光纤光栅传感元和所述N个第二光纤光栅传感元中的相邻传感元之间的距离小于光纤光栅传感元的长度的三倍且大于或等于光纤光栅传感元的长度的一半。

本实施例中，所述传感层40的上表面及下表面均为平面结构；所述第一平面与传感层40上表面平行且二者之间的距离大于传感层40厚度的五分之一；所述第二平面与传感层40下表面平行且二者之间的距离大于传感层40厚度的五分之一；所述第一平面与所述第二平面之间的距离不小于光纤光栅传感元的直径。

本传感器具有以下有益技术效果：

第一，本传感器柔性较好，灵敏度高，抗干扰能力强，可以直接表贴于机械手指或者埋置于机械手指结构内部，对机械手正常工作影响较小，能实现对机械手触滑觉信息的准确测量。

第二，本传感器可针对不同机械手指的实际应用需求，对双层十字型光纤光栅传感阵列单元进行排列组合，甚至对聚合物封装材料尺寸大小进行合理设定，应用范围广泛。

第三，本传感器设置有只对温度信息敏感的温度补偿光栅30，可以消除由于环境温度变化，对触滑觉测量信息带来的温度误差影响，提高了传感器的测量精度。

本传感器的工作原理为：

将本传感器表贴或埋置于机械手指内部，当机械手抓取物体时，机械手指受到三维力F的作用，该三维力可分解为正向压力P、水平剪切力fx和fy，导致传感层发生形变，该形变传递到各个光纤光栅传感元，使其产生相对应的位移量(收缩或拉伸)，从而产生可感知的应变ε，通过光纤光栅波长解调仪可以检测各个传感元的中心波长变化Δλ，从而解出每个应变ε的值，进而可以反推出正向压力P和水平剪切力fx和fy，然后通过解耦算法，将反推出的正向压力和水平剪切力之间的维间耦合进行解算，从而进一步修正正向压力和水平剪切力的值，最后可以重新合成该三维力。

当由于机械手夹持力不足导致抓取的物体与之产生相对移动时，同理，各个光纤光栅传感元的中心波长会发生规律性变化，此时可以得到各个传感元中心波长变化和时间之间的图形，通过比较各个图形上升沿时刻和峰值时刻的差值Δt，可以判断物体相对滑动的方向，再通过各个传感元之间的平面位置距离s，可以推算出物体滑动的速度v。实际上，可以对每个光纤光栅传感元设置阈值，当滑觉特征值大于阈值时，即认为滑动发生，进一步地，在感知到滑动将要发生时，反馈控制机械手加大夹持力，从而避免滑动的发生。

在整个过程中，温度补偿光栅中心波长只受温度变化ΔT的影响，用于补偿环境温度变化对测量信息带来的影响。

实际上，可以将本传感器的每个光纤光栅传感元中心波长变化进行标定，由标定数据拟合，并通过解耦算法得到中心波长变化和各个待测触滑觉信息的相关系数，应用时直接根据标定系数计算各个待测触滑觉信息。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，尤其是针对光纤光栅传感元阵列单元的排列组合，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，包括传感层，其特征在于：

所述传感层内设有第一级联光栅串和第二级联光栅串，所述传感层外设有温度补偿光栅；

所述第一级联光栅串包括N个位于同一直线且依次串联的第一光纤光栅传感元，所述第二级联光栅串包括N个平行设置且依次串联的第二光纤光栅传感元，各所述第一光纤光栅传感元所在的第一平面与各所述第二光纤光栅传感元所在的第二平面相平行，各所述第二光纤光栅传感元与第一光纤光栅传感元一一对应且非平行设置并位于对应第一光纤光栅传感元的正下方；

所述温度补偿光栅与第一级联光栅串相连。

2.根据权利要求1所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：各所述第二光纤光栅传感元垂直于对应的第一光纤光栅传感元，形成双层正十字型1×N式光纤光栅传感阵列。

3.根据权利要求1所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：所述N≥2。

4.根据权利要求1所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：第一光纤及第二光纤穿过传感层；各所述第一光纤光栅传感元级联在第一光纤中，各所述第二光纤光栅传感元级联在第二光纤中。

5.根据权利要求4所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：所述温度补偿光栅级联在第一光纤中。

6.根据权利要求1所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅传感元、第二光纤光栅传感元和温度补偿光栅均为光纤布拉格光栅。

7.根据权利要求2所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅传感元与第二光纤光栅传感元具有相同的结构；所述N个第一光纤光栅传感元和所述N个第二光纤光栅传感元中的相邻传感元之间的距离小于光纤光栅传感元的长度的三倍且大于或等于光纤光栅传感元的长度的一半。

8.根据权利要求2所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅传感元与第二光纤光栅传感元的外表面均匀均涂覆有粘胶剂层，所述粘胶剂层的涂覆厚度小于光纤光栅传感元的直径的三倍且大于或等于光纤光栅传感元的直径。

9.根据权利要求1所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：所述传感层为聚合物封装材料层，所述第一级联光栅串和第二级联光栅串埋置于传感层内部。

10.根据权利要求7所述的一种带有温度补偿的光纤光栅触滑觉传感器，其特征在于：所述传感层的上表面及下表面均为平面结构；所述第一平面与传感层上表面平行且二者之间的距离大于传感层厚度的五分之一；所述第二平面与传感层下表面平行且二者之间的距离大于传感层厚度的五分之一；所述第一平面与所述第二平面之间的距离不小于光纤光栅传感元的直径。

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