基于FBG陣列的滑動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王景芝

(吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息技術(shù)學(xué)院,吉林 132013)

1 引 言

在工業(yè)應(yīng)用中常常會(huì)出現(xiàn)需要通過機(jī)械手、機(jī)械臂對(duì)物體進(jìn)行夾持的狀態(tài),在物體上的施力大小需要進(jìn)行合理控制,過大容易對(duì)物體造成損傷,過小會(huì)導(dǎo)致物體滑動(dòng),除此之外,有些應(yīng)用還需要對(duì)物體滑動(dòng)程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-2]。故研究對(duì)滑動(dòng)狀態(tài)具有監(jiān)測(cè)能力的傳感系統(tǒng)具有重要意義。

可實(shí)現(xiàn)此類控制的傳感器大致分為:壓電型、電容傳感型和光波導(dǎo)型[3-5]。Kosaka等[6]人采用壓電傳感器陣列實(shí)現(xiàn)了約4 cm×4 cm×3 mm區(qū)域的滑動(dòng)傳感,但其內(nèi)部電路排布復(fù)雜、成本高,且容易損壞,限制了其廣泛應(yīng)用。Xu等人[7]利用電容傳感器實(shí)現(xiàn)了滑動(dòng)檢測(cè)的方位識(shí)別,雖然該系統(tǒng)靈敏度及空間分辨率較高,但易受干擾穩(wěn)定性差。Yuan等[8]人曾提出采用光纖滑動(dòng)傳感的方式完成對(duì)二維旋轉(zhuǎn)平面鏡的控制,但受當(dāng)時(shí)的工藝能力限制,很難標(biāo)準(zhǔn)化。由此可見,光纖傳感技術(shù)在柔性探測(cè)、密集排布以及抗干擾性等方面的優(yōu)勢(shì)令其在滑動(dòng)狀態(tài)探測(cè)領(lǐng)域具有特殊優(yōu)勢(shì)。

光纖傳感器本身具有體積小、柔性好、抗干擾性好、無源等[9-11]特點(diǎn),在實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)傳感方面具有一定優(yōu)勢(shì),這也與目前滑動(dòng)傳感系統(tǒng)向小型化、集成化的發(fā)展方向不謀而合。其中,光纖布拉格光柵(FBG,fiber Bragg grating)[12-16]由于其在光纖上刻?hào)攀够夭ㄐ盘?hào)強(qiáng)度大幅提升,更加適用于微弱信號(hào)的探測(cè)與識(shí)別,故基于FBG陣列的區(qū)域傳感單元應(yīng)運(yùn)而生,本文就是基于FBG陣列實(shí)現(xiàn)物體滑動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),利用滑動(dòng)導(dǎo)致物體內(nèi)部剪切力改變從而分析其狀態(tài)的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

當(dāng)溫度恒定時(shí),FBG加工完成后其折射率、光柵周期均為常數(shù),則其回波的中心波長(zhǎng)僅受應(yīng)變的影響,當(dāng)FBG僅受軸向應(yīng)變?chǔ)舲時(shí),其波長(zhǎng)偏移量有

ΔλB=(1-Pe)εzλB

(1)

其中,λB是FBG回波的中心波長(zhǎng);ΔλB是波長(zhǎng)偏移量;Pe是應(yīng)變與光的有效相應(yīng)系數(shù);εz是z軸向微應(yīng)變量。

為了描述當(dāng)物體在表面被滑動(dòng)時(shí)的剪切力分布,給出了承載面及FBG的受力示意圖,如圖1所示。

圖1 傳感模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sensor module

設(shè)x軸方向剪切力為Fx,傳感單元有效長(zhǎng)度為l,寬度d和高度h。FBG與被測(cè)物體之前不發(fā)生打滑現(xiàn)象,則剪切應(yīng)變量以施力和變形方式的表達(dá)有:

(2)

其中,Δl表示在x軸方向的延長(zhǎng)率,剪切模量G可以表示為:

(3)

其中,Em為材料楊氏模量;vm為其泊松比。設(shè)x軸方向Fx與Δl的比例系數(shù)為km(km=Fx/Δl),則將式(3)代入式(2)化簡(jiǎn)后,有:

(4)

因?yàn)楫?dāng)剪切力存在時(shí),Δθ的改變量是很小的,所以可以做θ≈φ的近似,則:

Δld=Δlcosθ

(5)

最終,FBG上的應(yīng)變值可以表示為:

(6)

由式(6)可以看出,函數(shù)前半部分與測(cè)試單元參數(shù)相關(guān),后半部分與施力大小及方向相關(guān)。當(dāng)θ為0°時(shí),x軸向的剪切力的測(cè)試效果最敏感；當(dāng)θ為90°時(shí),y軸向的剪切力的測(cè)試效果最敏感。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由PC、光源、解調(diào)儀、傳輸光纖及傳感單元組成。解調(diào)儀中集成掃頻激光光源,完成對(duì)所有FBG覆蓋波段的掃頻,解調(diào)儀光纖端口部分完成光信號(hào)的采集；滑動(dòng)傳感單元采用FBG陣列實(shí)現(xiàn),FBG有效長(zhǎng)度為10 mm,在x軸方向鋪設(shè)3個(gè)FBG,間距10 mm,在中心位置y軸方向鋪設(shè)2個(gè)FBG,間距20 mm,從而構(gòu)成相互正交的FBG陣列,5個(gè)FBG在厚度z軸方向距離為4 mm(h=4 mm)。

圖2 傳感系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure of the sensing system

3 參數(shù)優(yōu)化及仿真分析

為了使系統(tǒng)可以盡可能地檢測(cè)到最大剪切力,對(duì)不同參數(shù)條件下的應(yīng)變量進(jìn)行了仿真分析。采用的硅膠塊作為傳感材料,尺寸為60 mm×40 mm×10 mm,楊氏模量為3.76 GPa,泊松比為0.485。傳感單元選用硅膠是依據(jù)夾持工裝中該材料可以保護(hù)被夾持工件表面不受損傷,故將FBG陣列排布在硅膠塊夾層的方式實(shí)現(xiàn)夾持結(jié)構(gòu)的傳感特性。在該傳感區(qū)域中央放置待測(cè)物體(坐標(biāo)系原點(diǎn)取傳感單元中心位置),待測(cè)物為邊長(zhǎng)20 mm的鋼制正立方體,密度為7.85 g/cm3,經(jīng)計(jì)算可知,其在傳感區(qū)域的重力為0.628 N。針對(duì)FBG有效尺寸lFBG和FBG到傳感單元上表面的距離h進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。令lFBG=10 mm,h分別取2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,分析不同h時(shí)形變靈敏度的變化趨勢(shì),如圖3(a)所示。

圖3 不同參數(shù)條件下微位移量變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of micro-deformation under different parameters

在圖3(a)的仿真結(jié)果中可知,當(dāng)FBG有效長(zhǎng)度不變時(shí),其在傳感單元中的放置深度對(duì)形變靈敏度影響明顯不同,令h=4 mm,lFBG分別取4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm,分析了不同lFBG條件下形變靈敏度的變化趨勢(shì),如圖3(b)所示。仿真結(jié)果顯示,在相同的橫向剪切力作用下,當(dāng)FBG有效尺寸固定時(shí),埋入深度會(huì)影響形變靈敏度,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在已設(shè)計(jì)的幾種結(jié)構(gòu)中當(dāng)h=4 mm時(shí),響應(yīng)最敏感；與此同時(shí),當(dāng)埋入深度固定不變時(shí),隨著FBG有效長(zhǎng)度的增大,形變靈敏度會(huì)成正比例增大,但由于需要考慮測(cè)試區(qū)域的空間分辨率,最終選擇了lFBG=10 mm。

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)寬帶光源,一個(gè)FBG解調(diào)器(分辨率為1 pm)、計(jì)算機(jī)及滑傳感單元。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)隔離器、耦合器后進(jìn)入傳感單元,傳感單元采用60 mm×40 mm×10 mm的硅膠體構(gòu)成,并將FBG預(yù)埋在深度4 mm的位置上。當(dāng)待測(cè)物受到x方向施力時(shí),FBG的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移,從而判斷分析其是否產(chǎn)生滑動(dòng)或滑動(dòng)的位置。

4.2 靈敏度測(cè)試

根據(jù)傳感單元的設(shè)計(jì),5個(gè)FBG傳感器被嵌入到相應(yīng)的測(cè)試位置上,對(duì)于傳感單元而言,其具有對(duì)稱性,剪切沿正軸(x和y)施加力,形成在x和y方向上的力fx或fy。當(dāng)傳感單元上施加fx時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(a)所示,當(dāng)傳感單元上施加fy時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(b)所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)加載fx時(shí),FBG1、FBG2和FBG3產(chǎn)生波長(zhǎng)偏移響應(yīng),而FBG4、FBG5由于剪切力fx與其軸向垂直,故中心波長(zhǎng)基本保持不變；當(dāng)加載fy時(shí),FBG4、FBG5產(chǎn)生波長(zhǎng)偏移響應(yīng),而FBG1、FBG2和FBG3由于剪切力fx與其軸向垂直,故中心波長(zhǎng)基本保持不變。將施力量與波長(zhǎng)偏移量進(jìn)行擬合,并對(duì)比5個(gè)FBG測(cè)試結(jié)果后發(fā)現(xiàn),y1=y4=0.0051x-2.2×10-5,y2=0.0063x+1.6×10-5,y3=y5=0.0043x+1.6×10-5(斜率表示其靈敏度,單位nm/N)。由于FBG1與FBG3的位置間距與FBG4和FBG5的位置間距是一致的,所以在不同軸向上其受相同剪切力時(shí),具有相近的應(yīng)變-波長(zhǎng)偏移量響應(yīng)曲線。FBG1和FBG4屬于壓縮狀態(tài),FBG3和FBG5屬于拉伸狀態(tài),故其擬合曲線斜率略有不同。FBG2由于傳感位置更近,故其靈敏度在該組FBG中最高。綜上所述,從FBG的波長(zhǎng)偏移響應(yīng)編號(hào)及程度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物剪切力大小及方向的識(shí)別,同時(shí),其線性度可以反映該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

圖4 不同施力方向下各個(gè)FBG的波長(zhǎng)偏移量Fig.4 Wavelength shift of each FBG under fx and fy

4.3 滑動(dòng)測(cè)試

當(dāng)被測(cè)物在傳感單元上,通過不斷增加拖拽力使物體在傳感單元上產(chǎn)生位移,對(duì)物體不動(dòng)、產(chǎn)生位移,最終勻速滑動(dòng)出傳感單元的過程進(jìn)行分析,整個(gè)拖拽過程1.0 s內(nèi)完成,則FBG的波長(zhǎng)偏移量如圖5所示。

圖5 滑動(dòng)過程中波長(zhǎng)偏移量變化趨勢(shì)Fig.5 Trend of wavelength shift during sliding

當(dāng)被測(cè)物在傳感單元上未發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)r,雖存在沿x或y方向的剪切力,但FBG初始波長(zhǎng)不發(fā)生改變,即剪切力對(duì)FBG形成預(yù)應(yīng)力的作用效果,從而不產(chǎn)生Δλ。而當(dāng)物體產(chǎn)生滑動(dòng),則該力平衡狀態(tài)被打破,其橫向剪切力發(fā)生改變,從而對(duì)應(yīng)位置FBG中心波長(zhǎng)發(fā)生改變。最終,穩(wěn)定勻速滑動(dòng)時(shí),雖然存在與傳感單元的摩擦力,但由于與FBG張力平衡,故其偏移量幾乎為零,略有波動(dòng)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同的滑動(dòng)速度進(jìn)行了測(cè)試,采用1.0 s和2.0 s完成同一待測(cè)物的滑動(dòng)測(cè)試,結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同滑動(dòng)速度下的波長(zhǎng)偏移量變化Fig.6 Wavelength shift variation at different sliding speeds

由圖6(a)和(b)對(duì)比可知,當(dāng)拖動(dòng)傳感單元上物體的軌跡相同時(shí),其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)偏移量振幅相同,說明傳感單元中FBG檢測(cè)到的波長(zhǎng)偏移量?jī)H與橫向剪切力的大小與方向有關(guān),受運(yùn)動(dòng)速度影響很小,側(cè)面反映了系統(tǒng)具有較好的可重復(fù)性；同時(shí),雖然物理過程一致,但由于滑動(dòng)時(shí)間不同,FBG產(chǎn)生的波長(zhǎng)偏移量變化所占時(shí)長(zhǎng)具有明顯不同,2.0 s內(nèi)完成時(shí)波長(zhǎng)偏移量的波動(dòng)時(shí)間約0.65 s,比1.0 s內(nèi)完成時(shí)的約0.32 s要延長(zhǎng)約1倍?？梢?雖然響應(yīng)譜形未發(fā)生明顯變化,但通過解調(diào)波動(dòng)時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑動(dòng)速度的解算。

5 結(jié) 論

針對(duì)相移型光纖光柵傳感器回波光譜中相移幅度、位置的精確控制問題,提出了一種用對(duì)稱加載應(yīng)力的微應(yīng)變調(diào)制結(jié)構(gòu),通過梁彎曲實(shí)現(xiàn)對(duì)相移型光纖光柵局域相移進(jìn)行調(diào)諧,通過改變載荷的位移,可以很容易地配置相移幅度。該方法可穩(wěn)定控制正負(fù)相移,低成本、精度高。該方法適應(yīng)各種機(jī)械設(shè)計(jì),在動(dòng)態(tài)光學(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用前景可以作為可調(diào)諧光纖激光器,精細(xì)可調(diào)諧光學(xué)濾波器或位移/應(yīng)變傳感器。