[發明專利]一種空間位移傳感器

無效

• 申請號: 201010104597.6
• 申請日: 2010-01-29
• 公開（公告）號: CN101769720A
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發明（設計）人: 馬雙;楊文玉;徐科明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/16;G01D5/26
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明涉及機械工程和光學測量領域，具體涉及一種基于柔順機構和光纖光柵傳感技術的空間位移傳感器。

背景技術

現有的光纖光柵傳感器，可以實現軸向和徑向應變的感應，雖然精度達到波長量級(nm)，但其只能夠實現“一維”的監測，還遠遠無法實現對復雜機械系統的精確測量。

由于具有很強的抗干擾能力和很高的檢測精度，光纖光柵檢測技術目前已較為成熟的應用在民用和軍用的大尺度或運動相對簡單的領域，如：發達國家幾乎所有橋梁的安全監測都采用光纖光柵傳感技術，德國西門子等公司已用于大型電機和高壓電傳輸電纜，航天飛機X-33上溫度、應變監測，美國宇航研究院光纖光柵自適應機翼。以上所運用的方式都是將光纖光柵簡單的附著在被測對象表面，進行簡單的軸向應變測量，這種“一維”的檢測對復雜機械結構或系統“高維”變形測量的意義不大。

目前各單位在測量“高維”變形中，所使用的多為六維力傳感器等測量工具，而且均為電測傳感器，存在精度不足、易受電磁干擾的缺陷。

發明內容

本發明的目的在于提供一種空間位移傳感器，該傳感器具有多維度的檢測能力，并具有較高精度，且不受電磁干擾。

本發明提供的一種空間位移傳感器，其特征在于：該空間位移傳感器包括柔順機構和單模光纖光柵，柔順機構由n個剛性桿件和n-1個短臂柔鉸交錯串聯構成，單模光纖光柵由n-1個光柵段通過單模光纖交錯串聯構成，各光柵段的中心波長不同，n為大于等于4的正整數；使用時，將單模光纖光柵連接到光纖光柵解調儀上，各光柵段分別粘貼在柔順機構的各短臂柔鉸位置，并將柔順機構的兩端分別固定在被測對象的待測位置。

與現有技術相比，本發明具有以下技術特點：

(1)本發明是基于柔順機構和光纖光柵傳感技術實現的。由于利用柔順機構將光纖光柵原有的“一維”檢測能力擴展為多維度的檢測能力，所以在一定程度上增加了光纖光柵傳感技術在復雜機械系統中的應用。

(2)由于光纖光柵傳感器所輸出的檢測信息是測量到的波長的變化量，所以位移傳感器具有自參照性；由于其以光信號作為傳播介質，所以測量的抗干擾能力強；整個位移傳感器由于采用柔順機構作為所要待測變形量的“收集器”，所以結構簡單、操作和測量方便；對于不同的待測對象可以設計不同的柔順機構用以粘貼光纖光柵，所以該空間位移傳感器的適用性強。

(3)柔順機構的材料屬于彈簧鋼材料，而且結構的機械加工性能好，便于生產。

附圖說明

圖1為本發明空間位移傳感器的測量裝置原理圖。

圖2為本發明中二維空間位移傳感器的一種結構的測量原理圖。

圖3為本發明中二維空間位移傳感器的一種結構的測量原理圖。

圖4.1為本發明用于測量三維空間位移的柔順機構的主視圖，圖4.2為圖4.1的右視圖，圖4.3為圖4.1的俯視圖，圖4.4為立體圖，

圖5為本發明以二維空間位移傳感器為例的測量原理圖。

具體實施方式

其中的柔順機構由多個剛性桿件和短臂柔鉸結構組合而成。這里涉及到的短臂柔鉸是連接兩段剛體桿件的一段具有較高柔性的圓弧形薄壁結構，圓弧的兩端分別與兩剛體桿件相連，三者材料相同。當其中一個桿件固定而另一桿件受力時，連接兩段桿件的圓弧形薄壁發生彎曲，并且在薄壁的內外兩個表面產生拉伸或擠壓應變。這一應變即可通過粘貼到該位置的光纖光柵傳感器進行檢測。依據短臂柔鉸的相關理論，可將它的彎曲等效視作普通鉸鏈的轉動，并且在利用該傳感器測量二維空間位移時，結構中圓弧的軸線要與所要測量的二維空間相垂直。短臂柔鉸的數量需要依據被測量的變形特點確定，所以若在本柔順機構中只采用一個短臂柔鉸，則可以活動的剛性桿件只能做圓弧運動，不符合實際測量；若采用兩個短臂柔鉸串聯的結構，則柔順機構無法描述平面內的直線相對運動；當柔順機構采用三個短臂柔鉸串聯的結構且三根軸線不在同一平面內時，即可以完全描述平面內的各種運動；若采用多于三個短臂柔鉸串聯的結構，則柔順機構的測量性能與三個短臂柔鉸串聯相同，而且需要更多的光纖光柵，增加了裝置的使用成本，所以本柔順機構采用三個短臂柔鉸串聯的結構，這樣既可以描述轉動又可以描述直線運動。