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CN111157155B - 三维固体力传感器用基体和传感器及其标定方法 - Google Patents

三维固体力传感器用基体和传感器及其标定方法 Download PDF

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CN111157155B CN202010057955.6A CN202010057955A CN111157155B CN 111157155 B CN111157155 B CN 111157155B CN 202010057955 A CN202010057955 A CN 202010057955A CN 111157155 B CN111157155 B CN 111157155B
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Abstract

本发明公开了一种三维固体力传感器用基体和传感器及其标定方法，属于传感器领域。该三维固体力传感器用基体为一体式、且呈“回形针”型，基体包括位于顶部的第一传导块和位于底部的第二传导块，第一传导块和第二传导块之间具有间隙，第一传导块和第二传导块之间通过依次连接的X向的感应梁、Y向的感应梁和Z向的感应梁连接，感应梁上各开设有第一通孔，第一通孔的轴向分别垂直于相应X向、Y向和Z向。基于光纤传感器的三维固体力传感器包括上述三维固体力传感器用基体，感应梁上安装有光纤传感器，三个光纤传感器分别平行于相应X向、Y向和Z向，光纤传感器与处理单元连接，处理单元用于根据光纤传感器的输出值计算三维力。

Description

三维固体力传感器用基体和传感器及其标定方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种三维固体力传感器用基体和传感器及其标定方法。
背景技术
目前，固体力传感器多采用传统的电学传感器，导致固体力传感器的抗电磁干扰能力较差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供一种三维固体力传感器用基体和传感器及其标定方法，该基于光纤传感器的三维固体力传感器的抗干扰能力优于传统采用电学传感器的固体力传感器的抗干扰能力。
为了达到上述发明创造的目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于光纤传感器的三维固体力传感器用基体，基体为一体式、且呈“回形针”型，基体包括位于顶部的第一传导块和位于底部的第二传导块，第一传导块和第二传导块之间具有间隙，第一传导块和第二传导块之间通过依次连接的X向的感应梁、Y向的感应梁和Z向的感应梁连接，感应梁上各开设有第一通孔，第一通孔的轴向分别垂直于相应X向、Y向和Z向。
进一步地，第一通孔的截面呈“8”字型。
进一步地，第一传导块和第二传导块尺寸相同。
进一步地，第一传导块和第二传导块呈立方体或长方体型。
进一步地，第二传导块开设有螺纹孔。
进一步地，三个感应梁的任一外表面位于一长方体或立方体的一外表面。
第二方面，提供一种基于光纤传感器的三维固体力传感器，其包括本方案提供的三维固体力传感器用基体，感应梁上安装有光纤传感器，三个光纤传感器的方向分别平行于相应X向、Y向和Z向，光纤传感器与处理单元连接，处理单元用于根据光纤传感器的输出值计算三维力。
进一步地，计算三维力的计算公式为：
其中，FX、FY和FZ分别表示X方向的力、Y方向的力和Z方向的力，ΔλX、ΔλY和ΔλZ分别表示平行于X向、Y向和Z向的光纤传感器的输出值；Kij表示i向力与平行于j向的光纤传感器输出波长之间的关系系数，i取X、Y或Z，j取X、Y或Z。
进一步地，光纤传感器粘接在感应梁上。
第三方面，提供一种本方案提供的基于光纤传感器的三维固体力传感器的标定方法，其包括：
分别单独向不同光纤传感器加载设定次数、且设定大小的相应X向、Y向或Z向力，并记录每次加载结束后所有光纤传感器的输出值；
根据相应X向、Y向或Z向力的大小和光纤传感器的输出值确定单次相应加载力与波长的关系系数：
其中，i取X、Y或Z，j取X、Y或Z，Fi表示加载的i向力的大小，Δλij表示加载相应i向力时平行于j向的光纤传感器的输出值，Kij表示i向力与平行于j向的光纤传感器输出波长之间的关系系数；
根据相应Kij计算相应Kij的平均值。
本发明的有益效果为：
应用时，利用第二传导块将基体固定在待采集位置处，其中，第一传导块远离第二传导块的一面为待采集力的受力面。第一传导块将接收到的力传递到各个感应梁上，致使感应梁发生形变，感应梁上的光纤传感器受到相应应变导致波长发生漂移，进而反映在光纤传感器的输出值上，处理单元基于该输出值解调得到受力面受到的三维力。本发明不仅实现了三维固体力的采集，还有效提高了该基于光纤传感器的三维固体力传感器的精度。结合感应梁上第一通孔的设置，增大了感应梁的单位形变量，从而大大提高了光纤传感器的精度。
本发明基于光纤传感器采集三维固体力，利用光纤传感器抗电磁干扰能力强的特点增强了该基于光纤传感器的三维固体力传感器抗电磁干扰的能力。
附图说明
图1为具体实施例中三维固体力传感器用基体的俯视图；
图2为图1第一视角的结构示意图；
图3为图2显示隐藏线下的结构示意图；
图4为图1第二视角的结构示意图；
图5为图4显示隐藏线下的结构示意图；
图6为图1的右视图；
图7为图1的左视图；
图8为图1的仰视图；
图9为图1的俯视图；
图10为图1安装光纤传感器后的正视图；
图11为图10的左视图；
图12为图10的仰视图。
其中，1、第一传导块；2、X向的感应梁；3、Y向的感应梁；4、第一通孔；5、Z向的感应梁；6、第二传导块；7、螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1至图5所示，该基于光纤传感器的三维固体力传感器用基体包括呈“回形针”型的一体式基体，基体包括位于顶部的第一传导块1和位于底部的第二传导块6，第一传导块1和第二传导块6之间具有间隙，第一传导块1和第二传导块6之间通过依次连接的X向的感应梁2、Y向的感应梁3和Z向的感应梁5连接，感应梁上各开设有第一通孔4，第一通孔4的轴向分别垂直于相应X向、Y向和Z向。其中，坐标系的方向如图2所示。
“回形针”型的一体式基体使得该结构能通过一个中心块带动三个方向的感应梁，通过回型结构实现了三个方向的力的测试。
实施时，本方案优选基体材质为应变特性较好的镍钴合金、哈式合金或不锈钢以及铝合金。其中，第一通孔4的截面呈“8”字型，以增加感应梁的刚度，在感应梁最薄的地方粘贴光纤传感器可以增大结构应变，使光纤传感器发生更大的应变。
如图2和图4所示，第一传导块1和第二传导块6尺寸相同，第一传导块1和第二传导块6呈立方体或长方体型，以方便三维固体力传感器用基体与测量位置的固定以及方便力作用在三维固体力传感器用基体上并有效带动各个感应梁其中，第一传导块1的顶面与三个感应梁的顶面平行。
如图4所示，第二传导块6上开设有螺纹孔7，螺纹孔7的数量为4个，4个螺纹孔7呈矩形分布，以便于利用该螺纹孔7将该基体安装在待采集位置处。其中，待采集位置位于的待采集物体上开设有第二通孔，利用螺栓或螺钉贯穿该第二通孔后与螺纹孔7配合实现基体的安装。
如图6至图9所示，三个感应梁的任一外表面位于一长方体或立方体的一外表面，以方便光纤传感器的位置确定和粘贴固化以及损坏和更换。
第二方面，提供一种基于光纤传感器的三维固体力传感器，其包括本方案提供的三维固体力传感器用基体，感应梁上安装有光纤传感器，三个光纤传感器的方向分别平行于相应X向、Y向和Z向。其中，坐标系的方向如图2所示。
如图10所示，平行于X向的光纤传感器，安装在X向的感应梁2顶面、且靠近对应通孔；如图11和图12所示，平行于Y向和Z向的光纤传感器分别安装在Y向的感应梁3和Z向的感应梁5靠近第一传导块一面的另一面，且靠近对应通孔。光纤传感器与处理单元连接(光纤传感器一般通过光纤与处理单元通信)，处理单元用于根据光纤传感器的输出值计算三维力，其中，计算三维力的计算公式为：
其中，FX、FY和FZ分别表示X方向的力、Y方向的力和Z方向的力，ΔλX、ΔλY和ΔλZ分别表示平行于X向、Y向和Z向的光纤传感器的输出值；Kij表示i向力与平行于j向的光纤传感器输出波长之间的关系系数，i取X、Y或Z，j取X、Y或Z。
实施时，本方案优选光纤传感器粘接在感应梁上，具体地，通过应变胶粘接。光纤传感器的类型包括光纤珐珀传感器、光纤光栅传感器和带有增敏应变片的光纤传感器。
第三方面，本方案还提供上述基于光纤传感器的三维固体力传感器的标定方法，其包括：
分别单独向不同光纤传感器加载设定次数、且设定大小的相应X向、Y向或Z向力，并记录每次加载结束后所有光纤传感器的输出值。
根据相应X向、Y向或Z向力的大小和光纤传感器的输出值确定单次相应加载力与波长的关系系数：
其中，i取X、Y或Z，j取X、Y或Z，Fi表示加载的i向力的大小，Δλij表示加载相应i向力时平行于j向的光纤传感器的输出值，Kij表示i向力与平行于j向的光纤传感器输出波长之间的关系系数；
根据相应Kij计算相应Kij的平均值。
实施时，同一方向加载的不同时刻的力的大小一般不同，并且一般取等差数列。
在另一实施例中，同一方向加载的不同时刻的力的大小为回复性数据，从而提高标定准确性，下面以一实例进行说明。
表1：加载X向力下的数据
表2：加载Y向力下的数据
加载力/N X向光纤传感器 Y向光纤传感器 Z向光纤传感器
0 1545.412 1545.408 1545.539
20 1545.412 1545.39 1545.537
40 1545.413 1545.373 1545.535
60 1545.414 1545.355 1545.533
80 1545.414 1545.334 1545.531
100 1545.416 1545.316 1545.529
80 1545.414 1545.334 1545.531
60 1545.414 1545.354 1545.533
40 1545.413 1545.372 1545.535
20 1545.412 1545.39 1545.536
0 1545.412 1545.408 1545.538
表3：加载Z向力下的数据
加载力/N X向光纤传感器 Y向光纤传感器 Z向光纤传感器
0 1545.421 1545.361 1545.428
20 1545.424 1545.363 1545.371
40 1545.426 1545.364 1545.312
60 1545.429 1545.365 1545.253
80 1545.432 1545.366 1545.195
100 1545.436 1545.368 1545.132
80 1545.433 1545.367 1545.195
60 1545.429 1545.366 1545.253
40 1545.426 1545.366 1545.312
20 1545.424 1545.364 1545.371
0 1545.422 1545.362 1545.429
表1至表3中光纤传感器输出值的单位为nm。基于表1至表3按本发明提供的标定方法计算得到的i向力与平行于j向的光纤传感器输出波长之间的关系系数如下表4。
表4
X向 Y向 Z向
X向光纤传感器 -0.00058 -2.1E-08 -7.9E-08
Y向光纤传感器 1.88E-07 -0.00092 -5.5E-08
Z向光纤传感器 8.98E-07 2.75E-07 -0.00295

Claims (5)

1. 基于光纤传感器的三维固体力传感器用基体，其特征在于，所述基体为一体式、且呈“回形针”型，所述基体包括位于顶部的第一传导块（1）和位于底部的第二传导块（6），所述第一传导块（1）和第二传导块（6）之间具有间隙，所述第一传导块（1）和第二传导块（6）之间通过依次连接的X向的感应梁（2）、Y向的感应梁（3）和Z向的感应梁（5）连接，所述感应梁上各开设有第一通孔（4），所述第一通孔（4）的轴向分别垂直于相应X向、Y向和Z向； 所述第一通孔（4）的截面呈“8”字型；所述第一传导块（1）和第二传导块（6）呈立方体或长方体型；三个所述感应梁的任一外表面位于一长方体或立方体的一外表面；所述第一传导块（1）和第二传导块（6）尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的三维固体力传感器用基体，其特征在于，所述第二传导块（6）开设有螺纹孔（7）。
3.基于光纤传感器的三维固体力传感器，其特征在于，包括权利要求1或2任一所述三维固体力传感器用基体，所述感应梁上安装有光纤传感器，三个所述光纤传感器的方向分别平行于相应X向、Y向和Z向，所述光纤传感器与处理单元连接，所述处理单元用于根据光纤传感器的输出值计算三维力；
计算三维力的计算公式为：
其中，F X、F Y和F Z分别表示X方向的力、Y方向的力和Z方向的力，、和分别表示平行于X向、Y向和Z向的光纤传感器的输出值；K ij表示i向力与平行于j向的光纤传感器输出波长之间的关系系数，i取X、Y或Z，j取X、Y或Z。
4.根据权利要求3所述的基于光纤传感器的三维固体力传感器，其特征在于，所述光纤传感器粘接在感应梁上。
5.一种权利要求3或4所述基于光纤传感器的三维固体力传感器的标定方法，其特征在于，包括：
分别单独向不同所述光纤传感器加载设定次数、且设定大小的相应X向、Y向或Z向力，并记录每次加载结束后所有光纤传感器的输出值；
根据相应X向、Y向或Z向力的大小和光纤传感器的输出值确定单次相应加载力与波长的关系系数：
其中，i取X、Y或Z，j取X、Y或Z，F i表示加载的i向力的大小，表示加载相应i向力时平行于j向的光纤传感器的输出值，K ij表示i向力与平行于j向的光纤传感器输出波长之间的关系系数；
根据相应K ij计算相应K ij的平均值。
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