CN119756646A - 一种量程自调节的光纤触觉感知结构及制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤压力传感器技术领域，尤其涉及一种量程自调节的光纤触觉感知结构及制作工艺。其结构包括量程不同的光纤第一压力感知部和光纤第二压力感知部，光纤第一压力感知部包括接触部，接触部的下侧设有弹性缓冲部，弹性缓冲部的下侧设有光纤柔性传感部，弹性缓冲部和光纤柔性传感部设置在顶部开口的容腔中，容腔的上侧设有限位台，弹性缓冲部收缩时，接触部的底部与限位台刚性接触设置，容腔与光纤第二压力感知部的测量端连接。将两种不同量程的光纤第一压力感知部和光纤第二压力感知部通过弹性缓冲部进行组合，在保持柔性的同时具备更广泛的力测量范围。

Description

一种量程自调节的光纤触觉感知结构及制作工艺

技术领域

本发明涉及光纤压力传感器技术领域，尤其涉及一种量程自调节的光纤触觉感知结构及制作工艺。

背景技术

工业4.0的出现为工厂引入了新的概念，需要对传统流程进行进一步的优化和改进。使工业机器人能够更快、更精确地执行任务。采用触觉传感器提高机器人的本体感知能力和触觉灵敏度是一种实现这些目标的有效方法。对于精细的操作任务和提取软夹具中的关键物理特征，触觉感知至关重要。传统的触觉传感器都是基于机械或电学原理的设备。其主要原理是将应变计布置在金属弹性元件上，当相互作用力施加到金属弹性元件时，应变计随之变化。但是，电子应变计存在灵敏度低、易漂移、易被电磁干扰等缺点。

公开号为CN206514980U的一种双光纤光栅土压力传感器，具体包括了传感器壳体、平行四边形感应计、感应光纤光栅、温度补偿光纤光栅以及必要的组件和外接部分等，其通过两根光纤光栅张拉在平行四边形感应计两个对角线上，通过双光纤光栅，一根为感应光纤光栅，另一根为温度补偿光纤光栅，可补偿由于温度造成的误差。虽然光纤光栅的采用使其具有一定的抗干扰能力，一定程度上可提高测量的精确度。但其测量范围有限，难以适应大范围测量时的精度要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供了一种量程自调节的光纤触觉感知结构，采用两种不同量程的光纤第一压力感知部和光纤第二压力感知部通过弹性缓冲部进行组合，在保持柔性的同时具备更广泛的力测量范围，解决了现有结构测量范围有限，难以适应大范围测量时的精度要求问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种量程自调节的光纤触觉感知结构，包括量程不同的光纤第一压力感知部和光纤第二压力感知部，光纤第一压力感知部包括接触部，接触部的下侧设有弹性缓冲部，弹性缓冲部的下侧设有光纤柔性传感部，弹性缓冲部和光纤柔性传感部设置在顶部开口的容腔中，容腔的上侧设有限位台，弹性缓冲部收缩时，接触部的底部与限位台刚性接触设置，容腔与光纤第二压力感知部的测量端连接。

进一步优化本技术方案，光纤第二压力感知部为多边形围成的框架结构，框架结构内部牵拉有相互交叉的第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅和第二光纤光栅与光纤调制器通信连接。

进一步优化本技术方案，框架结构为四根刚性梁首尾相接的四边形结构，四边形结构的底梁固定设置，四边形结构中与底梁相对的上部设有顶梁，第一光纤光栅和第二光纤光栅交叉的连接在顶梁和底梁的两端，顶梁构成光纤第二压力感知部的测量端。

进一步优化本技术方案，框架结构为八边形结构，八边形结构的底边固定设置，八边形结构的顶部设有顶边梁，顶边梁与底边相对设置，第一光纤光栅连接在顶边梁与底边之间，第二光纤光栅连接在八边形结构相对的两侧边之间，第二光纤光栅与第一光纤光栅交叉垂直设置。

进一步优化本技术方案，光纤柔性传感部为光纤法布里-珀罗传感器，光纤柔性传感部的外部设有柔性硅胶层，柔性硅胶层内径向穿设有传感光纤。

进一步优化本技术方案，光纤柔性传感部为光纤马赫-曾德传感器，光纤柔性传感部的外侧设有硅胶层，硅胶层内设有光纤传感器，光纤传感器为单模光纤，单模光纤中设有光栅部和七芯光纤部，七芯光纤部的两端分别设有无芯光纤，七芯光纤部通过两端设置的无芯光纤与单模光纤连接，七芯光纤部的长度为20mm，无芯光纤的长度为1mm。

本发明还提供了一种量程自调节的光纤触觉感知结构制作工艺，包括光纤第一压力感知部的制作和光纤第二压力感知部的制作；

第一压力感知部的制作时，首先制作圆柱形模具，模具内部直径为50mm，厚5mm，在模具的径向两侧各有直径为0.5mm的凹槽，用于放置光纤传感器；

柔性传感器封装时，首先将制备好的光纤传感器穿过模具两侧的凹槽，调整好光纤传感器的位置，使得其置于模具的中部，使用光纤夹具对光纤传感器两端施加一定的预紧力，令光纤传感器持拉伸状态；然后灌入硅胶，将Ecoflex以A：B＝1:1的比例倒入模具内，在60℃温度下，持续30分钟，将硅胶固化，固化完成后，取下模具，即可得到硅胶封装的柔性传感器，柔性传感器的测量灵敏度5nm/N；

光纤第二压力感知部的制作时，需先在框架结构中设置固定孔，用于固定第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅和第二光纤光栅安装时，需保证第一光纤光栅和第二光纤光栅在框架结构中具有一定的预紧力，接着使用环氧树脂胶将光纤的两端分别与框架结构完成固定；

接触部采用覆聚乳酸材料，外面涂层使用橡胶材料，用于增加接触面的摩擦系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、提出了一种新颖的量程自调节的光纤触觉感知结构，将两种不同量程的光纤第一压力感知部和光纤第二压力感知部通过弹性缓冲部进行组合，在保持柔性的同时具备更广泛的力测量范围；2、框架结构的光纤第二压力感知部通过相互交叉的第一光纤光栅和第二光纤光栅的配合，在测量接触作用力的同时，还可以实现对温度的补偿；3、本发明的结构小巧灵活，适合在强电磁场干扰和潮湿等恶劣环境下应用；4、相比电学原理的触觉感知技术，光学触觉尤其是基于光纤的触觉感知技术，具有抗电磁干扰、灵敏度高、易于复用、体积小、重量轻、耐高温、耐腐蚀等优势，适用于强电磁干扰、易燃易爆和潮湿等恶劣环境。

附图说明

图1为一种量程自调节的光纤触觉感知结构实施例一的原理示意图；

图2为实施例一中的结构受力后的变化情况；

图3为实施例一中光纤法布里-珀罗传感器结构的结构示意图；

图4为实施例一传感光纤中感知节点处的结构示意图；

图5为实施例一传感光纤中感知节点处的工作原理图；

图6为一种量程自调节的光纤触觉感知结构实施例二的结构示意图；

图7为实施例二中光纤马赫-曾德传感器中光纤传感器部分的结构示意图。

图中：1、接触部；2、弹性缓冲部；3、光纤柔性传感部；30、柔性硅胶层；31、传感光纤；311、单模光纤；32、光栅部；33、七芯光纤部；34、无芯光纤；4、容腔；41、限位台；5、顶梁；51、第一光纤光栅；52、第二光纤光栅；6、顶边梁；60、底边。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式的参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例一

结合图1至3所示，一种量程自调节的光纤触觉感知结构，包括量程不同的光纤第一压力感知部和光纤第二压力感知部。

其中，光纤第一压力感知部包括接触部1，接触部1的下侧设有弹性缓冲部2，本实施例的弹性缓冲部2为柱状弹簧，弹性缓冲部2的下侧设有光纤柔性传感部3，本实施例中光纤柔性传感部3为光纤法布里-珀罗传感器，光纤柔性传感部3的外部设有柔性硅胶层30，柔性硅胶层30内径向穿设有传感光纤31。结合图4至图5所示，传感光纤31中的感知节点处设有第一反射面M₁和第二反射面M₂，第一反射面M₁为单模光纤与空心光纤的熔接面，第二反射面M₂是空心光纤与右侧单模光纤的熔接面。

使用中传感光纤31与解调器相连接，解调器内部具有宽带光源(C+L波段)和光电探测器。光纤柔性传感部3使用时，当解调器内部宽带光入射到单模光纤(SMF)后，光束先到达第一反射面M₁，在第一反射面M₁处形成了反射光，反射光强度是I₁。部分光透过第一反射面M₁，继续传播到第二反射面M₂，部分光束被反射回到第一反射面M₁，形成了强度为I₂的反射光。由于两种光的光程差不同，导致反射光I₁和I₂之间发生了干涉现象。

干涉光的强度如公式一：

公式一：

其中φ₀是I₁和I₂的初始相位差，φ是相对相位差，相对相位差公式如下：

公式二：

其中，δ是光程差，δ＝2(nL)，n是空气折射率，L是两个反射面之间的长度。λ是FP腔内传输光的波长。

弹性缓冲部2和光纤柔性传感部3设置在顶部开口的容腔4中，容腔4为刚性的筒状，容腔4的上侧设有限位台41，弹性缓冲部2收缩时，接触部1的底部与限位台41刚性接触设置，容腔4与光纤第二压力感知部的测量端连接。

光纤第二压力感知部为多边形围成的框架结构，框架结构内部牵拉有相互交叉的第一光纤光栅51和第二光纤光栅52，第一光纤光栅51和第二光纤光栅52与光纤调制器通信连接。

本实施例中，框架结构为四根刚性梁首尾相接的四边形结构，四边形结构的底梁50固定设置，四边形结构中与底梁50相对的上部设有顶梁5，第一光纤光栅51和第二光纤光栅52交叉的连接在顶梁5和底梁50的两端，顶梁5构成光纤第二压力感知部的测量端。

使用时，需要测量的外力首先施加在接触部1的上部，弹性缓冲部2同时被压缩，并将接触部1的作用力传递给光纤柔性传感部3，也即本实施例中的光纤法布里-珀罗传感器被触发，光纤法布里-珀罗传感器与解调器相连接，此时纤法布里-珀罗传感器配合解调器，将输出的光信号变化转化为电信号的变化。当外部压力作用到柔性硅胶层30时，柔性硅胶层发生变形，导致其内部嵌入的传感光纤31发生形变。引起光纤法布里-珀罗传感器的两个反射面间的距离L发生变化，两个反射光之间的光程差发生变化，进而引起干涉条纹的变化。并利用相关算法和计算方法计算出外界压力的具体值，随着外界压力的增加接触部1的底部直接与限位台41刚性接触，最终接触部1通过限位台41和容腔4与顶梁5刚性接触，接触部1直接将收到的作用力传递给光纤第二压力感知部的顶梁5，此时四边形结构发生弹性变形，较长的第一光纤光栅51受到拉应变作用，较短的第二光纤光栅52受到压应变的作用，根据第一光纤光栅51和第二光纤光栅52传递光信号的波长变化，即可计算得到作用力的大小。该结构还可以消除温度波动的影响。本实施例中采用的法布里-珀罗传感器能实现单端测量，即输入信号和输出信号通过一根光纤实现，法布里-珀罗传感器长度较短，从几十到几百微米；法布里-珀罗传感器制作时需要精确切割设备。

实施例二

结合图4至5所示，一种量程自调节的光纤触觉感知结构，包括量程不同的光纤第一压力感知部和光纤第二压力感知部。与实施例一不同的是光纤第二压力感知部中的框架结构为八边形框架结构，八边形结构的底边60固定设置，八边形结构的顶部设有顶边梁6，顶边梁6与底边60相对且相互平行设置，第二光纤光栅52连接在顶边梁6与底边60之间，第一光纤光栅51连接在八边形结构相对的两侧边之间，第二光纤光栅52与第一光纤光栅51交叉垂直设置。

本实施例中光纤柔性传感部3为光纤马赫-曾德传感器，光纤柔性传感部3的外侧设有硅胶层，硅胶层内设有光纤传感器，光纤传感器内设有单模光纤311，单模光纤311中设有光栅部32和七芯光纤部33，七芯光纤部33的两端分别各设有一端无芯光纤34，七芯光纤部33通过两端设置的无芯光纤34与单模光纤311连接，七芯光纤部33的长度为20mm，无芯光纤34的长度为1mm。光纤马赫-曾德传感器的一侧设有光源，另一侧设有光探测器。

使用时，需要测量的外力首先施加在接触部1的上部，弹性缓冲部2同时被压缩，并将接触部1的作用力传递给光纤柔性传感部3，也即本实施例中的光纤马赫-曾德传感器被触发，此时配合光源和光探测器，光探测器探测光波传递时干涉条纹的变化信息后，将其转换为电信号，并输入到适当的数据处理系统中，数据处理系统用来计算干涉波长的漂移量，进而活动压力信息。

通过解调和分析这些电信号，可以推知外界被测参数的变化情况，从而得到测量结果。随着外界压力的增加接触部1的底部直接与限位台41刚性接触，接触部1直接将收到的作用力传递给光纤第二压力感知部的顶边梁6，此时八边形结构发生弹性变形，第一光纤光栅51受到拉应变作用，第二光纤光栅52受到压应变的作用，根据第一光纤光栅51和第二光纤光栅52传递光信号的波长变化，即可计算得到作用力的大小。

该结构还可以消除温度波动的影响。当顶边梁6发生形变时，第一光纤光栅51受到拉应变作用，第二光纤光栅52受到压应变的作用。第一光纤光栅51和第二光纤光栅52测得的波长改变量分别为Δλ₅₁和Δλ₅₂。波长变化量还受到温度和应变的影响，如下：

公式三：Δλ₅₁＝ΔT₅₁+Δε₅₁

公式四：Δλ₅₂＝ΔT52+Δε₅₂

由于温度变化量ΔT₅₁和ΔT₅₂是相等的，公式三减去公式四可得公式五：

公式五：Δλ₅₁-Δλ₅₂＝Δε₅₁-Δε₅₂

通过公式五可知，波长变化量仅受应变改变量影响，消除了温度T的影响。

本实施例中采用的马赫-曾德传感器的两端都需要有单模光纤，即一侧光纤用于输入信号，另一侧光纤用于采集信号。马赫-曾德传感器的长度通常10到20mm，因此马赫-曾德传感器相比法布里-珀罗传感器制作起来容易一些，不需要精确切割，易于制备。

实施例三

一种量程自调节的光纤触觉感知结构制作工艺，包括实施例二中光纤第一压力感知部的制作和光纤第二压力感知部的制作；

第一压力感知部制作时，首先制作光纤马赫-曾德传感器内的光纤传感器，使用光纤熔接机将一段长度为20mm的七芯光纤部33，两端分别与无芯光纤34熔接。使用光纤切割刀将熔接后的无芯光纤34分别切割至1mm；随后，将两侧带有1mm无芯光纤34的七芯光纤部33分别与单模光纤311熔接，其中一段单模光纤311上刻有光栅部32用于温度补偿。即可得到光纤马赫-曾德传感器。

接着制作圆柱形模具，可采用3D打印技术制作，模具内部直径为50mm，厚5mm，在模具的径向两侧各有直径为0.5mm的凹槽，用于放置光纤传感器。

柔性传感器封装时，首先将制备好的光纤传感器穿过模具两侧的凹槽，调整好光纤传感器的位置，使得其置于模具的中部，使用光纤夹具对光纤传感器两端施加一定的预紧力，令光纤传感器持拉伸状态；然后灌入硅胶，将Ecoflex 0050以A：B＝1:1的比例倒入模具内，在60℃温度下，持续30分钟，将硅胶固化，固化完成后，取下模具，即可得到硅胶封装的柔性传感器3，柔性传感器3的测量灵敏度5nm/N。

其中，接触部1采用覆聚乳酸材料，外面涂层使用橡胶材料，用于增加接触面的摩擦系数。

组装时将光纤马赫-曾德传感器置于限位机构底部，然后再上面安装弹性缓冲部2，弹性缓冲部2的上面安装接触部1。

光纤第二压力感知部的制作时，八边形结构的弹性梁采用3D打印技术制备。根据需要可设计不同的尺寸。同时，需先在框架结构中设置固定孔，用于固定第一光纤光栅51和第二光纤光栅52，第一光纤光栅51和第二光纤光栅52安装时，需保证第一光纤光栅51和第二光纤光栅52在框架结构中具有一定的预紧力，接着使用环氧树脂胶将光纤的两端分别与框架结构完成固定，80℃固化半个小时即完成环氧树脂胶固化。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种量程自调节的光纤触觉感知结构，其特征在于：包括量程不同的光纤第一压力感知部和光纤第二压力感知部，所述光纤第一压力感知部包括接触部(1)，所述接触部(1)的下侧设有弹性缓冲部(2)，所述弹性缓冲部(2)的下侧设有光纤柔性传感部(3)，所述弹性缓冲部(2)和所述光纤柔性传感部(3)设置在顶部开口的容腔(4)中，所述容腔(4)的上侧设有限位台(41)，所述弹性缓冲部(2)收缩时，所述接触部(1)的底部与所述限位台(41)刚性接触设置，所述容腔(4)与所述光纤第二压力感知部的测量端连接。

2.根据权利要求1所述的一种量程自调节的光纤触觉感知结构，其特征在于：所述光纤第二压力感知部为多边形围成的框架结构，所述框架结构内部牵拉有相互交叉的第一光纤光栅(51)和第二光纤光栅(52)，所述第一光纤光栅(51)和所述第二光纤光栅(52)与光纤调制器通信连接。

3.根据权利要求2所述的一种量程自调节的光纤触觉感知结构，其特征在于：所述框架结构为四根刚性梁首尾相接的四边形结构，所述四边形结构的底梁(50)固定设置，所述四边形结构中与所述底梁(50)相对的上部设有顶梁(5)，所述第一光纤光栅(51)和所述第二光纤光栅(52)交叉的连接在所述顶梁(5)和所述底梁(50)的两端，所述顶梁(5)构成所述光纤第二压力感知部的测量端。

4.根据权利要求2所述的一种量程自调节的光纤触觉感知结构，其特征在于：所述框架结构为八边形结构，所述八边形结构的底边(60)固定设置，所述八边形结构的顶部设有顶边梁(6)，所述顶边梁(6)与所述底边(60)相对设置，所述第一光纤光栅(51)连接在所述顶边梁(6)与所述底边(60)之间，所述第二光纤光栅(52)连接在所述八边形结构相对的两侧边之间，所述第二光纤光栅(52)与所述第一光纤光栅(51)交叉垂直设置。

5.根据权利要求1所述的一种量程自调节的光纤触觉感知结构，其特征在于：所述光纤柔性传感部(3)为光纤法布里-珀罗传感器，所述光纤柔性传感部(3)的外部设有柔性硅胶层(30)，所述柔性硅胶层(30)内径向穿设有传感光纤(31)。

6.根据权利要求1所述的一种量程自调节的光纤触觉感知结构，其特征在于：所述光纤柔性传感部(3)为光纤马赫-曾德传感器，所述光纤柔性传感部(3)的外侧设有硅胶层，所述硅胶层内设有光纤传感器，所述光纤传感器为单模光纤(311)，所述单模光纤(311)中设有光栅部(32)和七芯光纤部(33)，所述七芯光纤部(33)的两端分别设有无芯光纤(34)，所述七芯光纤部(33)通过两端设置的所述无芯光纤(34)与所述单模光纤(311)连接，所述七芯光纤部(33)的长度为20mm，所述无芯光纤(34)的长度为1mm。

7.一种量程自调节的光纤触觉感知结构制作工艺，其特征在于：上述权利要求5中光纤第一压力感知部的制作和光纤第二压力感知部的制作；

第一压力感知部的制作时，首先制作圆柱形模具，模具内部直径为50mm，厚5mm，在模具的径向两侧各有直径为0.5mm的凹槽，用于放置光纤传感器(31)；

柔性传感器封装时，首先将制备好的光纤传感器(31)穿过模具两侧的凹槽，调整好光纤传感器(31)的位置，使得其置于模具的中部，使用光纤夹具对光纤传感器(31)两端施加一定的预紧力，令光纤传感器(31)持拉伸状态；然后灌入硅胶，将Ecoflex 0050以A：B＝1:1的比例倒入模具内，在60℃温度下，持续30分钟，将硅胶固化，固化完成后，取下模具，即可得到硅胶封装的柔性传感器(3)，所述柔性传感器(3)的测量灵敏度5nm/N；

光纤第二压力感知部的制作时，需先在框架结构中设置固定孔，用于固定第一光纤光栅(51)和第二光纤光栅(52)，第一光纤光栅(51)和第二光纤光栅(52)安装时，需保证第一光纤光栅(51)和第二光纤光栅(52)在框架结构中具有一定的预紧力，接着使用环氧树脂胶将光纤的两端分别与框架结构完成固定；

接触部(1)采用覆聚乳酸材料，外面涂层使用橡胶材料，用于增加接触面的摩擦系数。