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专利名称：一种空间位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械工程和光学测量领域，具体涉及一种基于柔顺机构和光纤光栅传
感技术的空间位移传感器。
背景技术：
现有的光纤光栅传感器，可以实现轴向和径向应变的感应，虽然精度达到波长量 级(nm)，但其只能够实现"一维"的监测，还远远无法实现对复杂机械系统的精确测量。
由于具有很强的抗干扰能力和很高的检测精度，光纤光栅检测技术目前已较为成 熟的应用在民用和军用的大尺度或运动相对简单的领域，如发达国家几乎所有桥梁的安 全监测都采用光纤光栅传感技术，德国西门子等公司已用于大型电机和高压电传输电缆， 航天飞机X-33上温度、应变监测，美国宇航研究院光纤光栅自适应机翼。以上所运用的方 式都是将光纤光栅简单的附着在被测对象表面，进行简单的轴向应变测量，这种"一维"的 检测对复杂机械结构或系统"高维"变形测量的意义不大。 目前各单位在测量"高维"变形中，所使用的多为六维力传感器等测量工具，而且 均为电测传感器，存在精度不足、易受电磁干扰的缺陷。

发明内容
本发明的目的在于提供一种空间位移传感器，该传感器具有多维度的检测能力， 并具有较高精度，且不受电磁干扰。 本发明提供的一种空间位移传感器，其特征在于该空间位移传感器包括柔顺机 构和单模光纤光栅，柔顺机构由n个刚性杆件和n-l个短臂柔铰交错串联构成，单模光纤光 栅由n-l个光栅段通过单模光纤交错串联构成，各光栅段的中心波长不同，n为大于等于4 的正整数；使用时，将单模光纤光栅连接到光纤光栅解调仪上，各光栅段分别粘贴在柔顺机 构的各短臂柔铰位置，并将柔顺机构的两端分别固定在被测对象的待测位置。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点 (1)本发明是基于柔顺机构和光纤光栅传感技术实现的。由于利用柔顺机构将光 纤光栅原有的"一维"检测能力扩展为多维度的检测能力，所以在一定程度上增加了光纤光 栅传感技术在复杂机械系统中的应用。 (2)由于光纤光栅传感器所输出的检测信息是测量到的波长的变化量，所以位移 传感器具有自参照性；由于其以光信号作为传播介质，所以测量的抗干扰能力强；整个位 移传感器由于采用柔顺机构作为所要待测变形量的"收集器"，所以结构简单、操作和测量 方便；对于不同的待测对象可以设计不同的柔顺机构用以粘贴光纤光栅，所以该空间位移 传感器的适用性强。
(3)柔顺机构的材料属于弹簧钢材料，而且结构的机械加工性能好，便于生产。


图1为本发明空间位移传感器的测量装置原理图。 图2为本发明中二维空间位移传感器的一种结构的测量原理图。 图3为本发明中二维空间位移传感器的一种结构的测量原理图。 图4. 1为本发明用于测量三维空间位移的柔顺机构的主视图，图4. 2为图4. 1的
右视图，图4. 3为图4. 1的俯视图，图4. 4为立体图， 图5为本发明以二维空间位移传感器为例的测量原理图。
具体实施例方式
其中的柔顺机构由多个刚性杆件和短臂柔铰结构组合而成。这里涉及到的短臂柔 铰是连接两段刚体杆件的一段具有较高柔性的圆弧形薄壁结构，圆弧的两端分别与两刚体 杆件相连，三者材料相同。当其中一个杆件固定而另一杆件受力时，连接两段杆件的圆弧形 薄壁发生弯曲，并且在薄壁的内外两个表面产生拉伸或挤压应变。这一应变即可通过粘贴 到该位置的光纤光栅传感器进行检测。依据短臂柔铰的相关理论，可将它的弯曲等效视作 普通铰链的转动，并且在利用该传感器测量二维空间位移时，结构中圆弧的轴线要与所要 测量的二维空间相垂直。短臂柔铰的数量需要依据被测量的变形特点确定，所以若在本柔 顺机构中只采用一个短臂柔铰，则可以活动的刚性杆件只能做圆弧运动，不符合实际测量； 若采用两个短臂柔铰串联的结构，则柔顺机构无法描述平面内的直线相对运动；当柔顺机 构采用三个短臂柔铰串联的结构且三根轴线不在同一平面内时，即可以完全描述平面内的 各种运动；若采用多于三个短臂柔铰串联的结构，则柔顺机构的测量性能与三个短臂柔铰 串联相同，而且需要更多的光纤光栅，增加了装置的使用成本，所以本柔顺机构采用三个短 臂柔铰串联的结构，这样既可以描述转动又可以描述直线运动。 当需要对三维空间内的相对位移量进行测量时，可以根据实际情况改变短臂柔铰 的数量及方向，原理与测量二维空间位移量相同，所以用于测量三维空间内的相对位移量 的柔顺机构除需要保留二维空间位移测量的结构中的三个短臂柔铰结构以外，还需要再加 入三个串联的短臂柔铰结构，并且圆弧的轴线与之前的圆弧轴线相垂直，两个方向的六个 短臂柔铰结构交替串联。另外，短臂柔铰所设计的结构要方便光纤光栅传感器的粘贴。如 柔顺机构5由七个刚性杆件和六个薄壁圆弧的轴线不在同一平面内的短臂柔铰交错串联 构成，并分别将三个用于测量一个平面的短臂柔铰以三角形的方式布局，将另三个用于测 量另一个平面的短臂柔铰同样以三角形的方式布局，六个短臂柔铰的排列次序依照测量所 需进行布局。 短臂柔铰的布局要以满足待测的相对运动为主，同时考虑方便机械加工。以用于 测量二维空间内相对位移的柔顺机构为例，说明本空间位移传感器的构成，如图1所示，空 间位移传感器由柔顺机构5和单模光纤光栅3组成。柔顺机构5由四个刚性杆件和三个短 臂柔铰交错串联构成，将三个短臂柔铰以等腰直角三角形的布局方式分别分布在一个直角 顶角和两个45度锐角的位置。单模光纤光栅3由三个光栅段2通过单模光纤交错串联构 成。这种结构是以方便机械加工为优先条件。光栅段2为单模光纤光栅3上经过加工处理 后具有应变敏感特性的一段区域，根据不同的使用要求，可以在同一根单模光纤光栅3上 制作多段光栅段2，各光栅段2的中心波长不同。
图1-3中，三个短臂柔铰的圆弧轴线均垂直于测量平面，且不在一个平面内。由被 测对象4所引起的柔顺机构5的平面内的所有变形集中反应到三个短臂柔铰结构中。
测量前，将单模光纤光栅3连接到光纤光栅解调仪1上，三个光栅段2分别粘贴在 柔顺机构的三个短臂柔铰位置(A、 B、 C)，之后将柔顺机构5的两端分别固定在被测对象4 的待测位置。 测量时，光纤光栅解调仪1可发出激光，激光沿单模光纤光栅3传输。当激光到达 位于各短臂柔铰位置的光栅段2时，根据公式AB = 2 n A ，将不同波长的光反射回光纤光 栅解调仪l，光纤光栅解调仪1接收到反射光后进行解调，并以数字形式输出波长值。当被 测对象4发生的变形使两待测位置发生相对运动8时，柔顺机构5发生变形，并将变形集中 体现在短臂柔铰的圆弧形薄壁位置，由于短臂柔铰的弯曲在圆弧形薄壁表面所产生的拉伸 或挤压应变，带动粘贴于表面上的光纤光栅传感器发生轴向应变，使光栅段2中光栅的反 射光波长发生变化，变化的波长经光纤光栅解调仪解调1后输出波长变化的数字信息。
测量后，通过光纤光栅解调仪1输出的数字信息计算光栅段2中光栅的反射光波 长变化量，推算出光栅段2发生的应变，再根据应变公式计算出圆弧形薄壁的表面应变量， 根据短臂柔铰的几何参数和材料力学公式计算出短臂柔铰的转角，最后综合多个短臂柔铰 的转动信息和刚性杆件的几何参数得出柔顺机构5两端的相对运动结果，即为被测对象4 上两待测位置的相对运动9。 图4中，图中短臂柔铰结构中A、B、C的圆弧轴线相互平行，呈三角形分布；D、E、F 的圆弧轴线相互平行，呈三角形分布；且A、B、C的圆弧轴线与D、E、F的圆弧轴线相互垂直。 该种机构的柔顺机构即可实现光纤光栅传感器的测量特性从一维测量到三维空间的扩展。
图5中，6表示柔顺机构与被测对象的固结位置(如，螺钉紧固)，7表示被测对象 未变形状态(初始态)，8表示被测对象变形后的状态，9表示变形前后柔顺机构末端的空间 位置变化(待测位置的相对运动)。空间位移传感器两侧通过螺钉6与被测对象4的待测 位置相连接。当被测对象4受到一个力而使一端相对于另一端发生一个相对的空间位移， 即为变形后的状态8相对于未变形状态7的空间位置变化9。本发明空间位移传感器即可 获得空间位置变化9的相关信息，以便于后续处理， 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所 公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保 护的范围。
权利要求
一种空间位移传感器，其特征在于该空间位移传感器包括柔顺机构(5)和单模光纤光栅(3)，柔顺机构(5)由n个刚性杆件和n-1个短臂柔铰交错串联构成，单模光纤光栅(3)由n-1个光栅段(2)通过单模光纤交错串联构成，各光栅段(2)的中心波长不同，n为大于等于4的正整数。使用时，将单模光纤光栅(3)连接到光纤光栅解调仪(1)上，各光栅段(2)分别粘贴在柔顺机构的各短臂柔铰位置，并将柔顺机构(5)的两端分别固定在被测对象(4)的待测位置。
2. 根据权利要求1所述的空间位移传感器，其特征在于用于测量二维空间位移的柔 顺机构(5)由四个刚性杆件和三个薄壁圆弧的轴线不在同一平面内的短臂柔铰交错串联 构成，并将三个短臂柔铰以等腰直角三角形的布局方式分别分布在一个直角顶角和两个45 度锐角的位置。
3. 根据权利要求1所述的空间位移传感器，其特征在于用于测量三维空间位移的柔 顺机构(5)由七个刚性杆件和六个薄壁圆弧的轴线不在同一平面内的短臂柔铰交错串联 构成，并分别将三个用于测量一个平面的短臂柔铰以三角形的方式布局，将另三个用于测 量另一个平面的短臂柔铰同样以三角形的方式布局。
全文摘要
本发明公开了一种空间位移传感器，它包括柔顺机构和单模光纤光栅，柔顺机构由多个刚性杆件和多个短臂柔铰交错串联构成，单模光纤光栅由多个光栅段通过单模光纤交错串联构成，各光栅段的中心波长不同，使用时，将单模光纤光栅连接到光纤光栅解调仪上，各光栅段分别粘贴在柔顺机构的各短臂柔铰位置，并将柔顺机构的两端分别固定在被测对象的待测位置。本发明是基于柔顺机构和光纤光栅传感技术实现的，该传感器具有多维度的检测能力，具有好的自参照性，且具有较高精度，不受电磁干扰。
文档编号G01B11/16GK101769720SQ20101010459
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者徐科明, 杨文玉, 马双 申请人:华中科技大学