[发明专利]光纤传感器

说明书

技术领域

本发明涉及用于利用光纤来检测应力的光纤传感器，该光纤中结 合有用于反射具有特定波长的光束的多个光栅。

背景技术

在某些操纵器应用中，操纵器抓取物体并且对物体执行某种类型 的工作。此时，如果操纵器向物体施加过度的抓取力，则物体往往 遭到破坏。相反地，如果操纵器没有向物体施加足够的抓取力，则 物体可能从操纵器跌落。

为了阻止对物体的破坏或稳定地拿住物体，现有技术中已经尝试 将操纵器与传感器进行组合，以检测正在由操纵器抓取的物体的被 抓取状态。一种此类的传感器包括触觉传感器，其用于将来自物体 的垂直应力检测为操纵器的抓取力，并且将来自物体的剪切应力检 测为操纵器的滑动(参见，例如，日本公开专利申请NO. 2006-010407)。

上述类型的一种触觉传感器是称为“FBG(光纤布拉格光栅)传 感器”的光纤传感器，其具有布置在光纤纤芯中的多个光栅(衍射 光栅)，该光纤嵌入在片体(sheet body)中，如日本公开专利申请 NO.2002-131023和日本公开专利申请NO.2002-071323所公开。当 响应于从物体向光栅施加的应力，在光栅中显现出应变时，造成由 光栅反射的光束的波长改变。基于改变的波长，光纤传感器检测到 在光栅中显现的应变，并且还检测出从物体施加的应力。

然而，在日本公开专利申请NO.2002-131023以及在日本公开专 利申请NO.2002-071323中公开的光纤传感器的问题在于，如果由操 纵器抓取的物体具有不同的形状或在不同的位置处与光纤接触，则 将在光栅上产生不同的应力分布，使得光纤传感器难以准确地检测 施加的应力。

图29是示意性示图，其示出在以垂直于光纤2延伸方向的方向 上对光栅1施加应力之前以及之后，布置在光纤2中的光栅1。当应 力F基本上均匀地施加到光栅1时，光栅1的光栅空间(grating space) 基本上均匀地扩张。此时，仅造成由光栅1反射的光束的波长改变， 如图30中所示。

然而，如果操纵器抓取具有不同形状的物体或在不同的角度抓取 物体，则应力往往非均匀地施加到光栅1。此时，如图31中所示， 光栅1的光栅空间非均匀地扩张，即，光栅空间在不同的位置处变 化。作为结果，如图32中所示，光栅1根据其不同的扩张光栅空间 来反射不同波长的光束。

根据日本公开专利申请NO.2005-134199中所建议的解决方案， 光纤被插入到固定层中，该固定层被弹性片夹在中间，制成FBG传 感器部件。FBG传感器部件具有末端表面和反向末端表面，其中末 端表面通过粘合层与待测物体保持紧密接触，而在反向末端表面上 布置有压板，缓冲层置于它们之间。

然而，即使利用日本公开专利申请NO.2005-134199所公开的结 构，如果由操纵器所抓取的物体具有不同的形状或在不同的位置接 触光纤，则在压板并因此在光栅上产生不同的应力分布。因此，不 太容易确定所施加应力的精确大小，或换句话说，难以获得足够高 级别的测量精度。

发明内容

本发明的总体目的是提供一种高度耐用和可靠的光纤传感器。

本发明的主要目的是提供一种光纤传感器，其用作用于同时检测 从物体施加的垂直应力和剪切应力的触觉传感器。

本发明的另一个目的是提供一种光纤传感器，其具有用于测量应 力的提升级别的测量精度。

根据本发明的一个方面，一种光纤传感器，包括：多个剪切应力 传感器部件，该剪切应力传感器部件包括各自的光纤和用于反射具 有预定波长的光束的多个光栅，光栅布置在光纤中并且沿平行于剪 切应力从物体施加到剪切应力传感器部件的方向的平面排列；以及 垂直应力传感器部件，其包括光纤和用于反射具有预定波长的光束 的多个光栅，光栅布置在光纤中并且沿平行于垂直应力从物体施加 到垂直应力传感器部件的方向的平面排列。

由此构建的光纤传感器用作触觉传感器，并能够基于来自光纤的 光信号独立地并且同时地检测来自物体的剪切应力和垂直应力。由 于使用来自光纤的光信号，所以光纤传感器不受电磁噪声的影响。 由于光纤传感器不太可能漏电，所以光纤传感器是高度耐用且可靠 的，并且可以高度准确地检测剪切应力和垂直应力。

剪切应力传感器部件和垂直应力传感器部件的每个应该优选地 包括柔性片体。