[发明专利]一种空间位移传感器

说明书

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-1个短臂柔铰交错串联构成，单模光纤光栅由n-1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。

附图说明

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。