一种具有温度补偿功能的接触力传感器，具备适应多种介质微操控的应用能力

《Sensors and Actuators A: Physical》：A temperature-compensated contact force sensor with adaptive capability for multi-medium micro manipulation

该研究提出了一种双光纤光栅（FBG）温度补偿接触力传感器，适用于多介质微操作环境。通过建立光机械耦合模型分析应变梯度分布，实现了传感器在液体等不同介质中的温度自适应补偿。实验验证了传感器在微装配和液体环境下的高精度力感知能力，有效解决了微尺度操作中温度敏感性问题。

　　在当前科技迅速发展的背景下，微尺度操作技术正逐渐成为多个领域中的关键技术之一。从微机器人到微零件装配，再到多芯片模块和细胞操作，对微尺度精确控制的需求不断上升。这些操作通常要求系统具备高精度的力感知能力，以便在复杂或动态的环境中实现稳定的交互。然而，微尺度力传感技术面临诸多挑战，特别是在环境变化和材料特性差异方面，如何实现力的精确测量并进行有效的温度补偿成为研究的热点。

微尺度力传感器的核心在于其对接触力的感知能力。传统的力传感器，如压阻式、电容式、压电式和光学式传感器，虽然在宏观尺度上表现出良好的性能，但在微尺度应用中却存在明显的局限性。其中，光学式传感器因其高分辨率、非侵入性和可集成性而备受关注。尤其是基于光纤光栅（FBG）的力传感器，因其结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，在微尺度操作中展现出巨大的潜力。

然而，光学式传感器的一个显著缺点是其对温度变化的敏感性。在微尺度操作中，尤其是涉及液体环境的操作时，温度波动可能对传感器的输出产生显著影响，从而降低其测量精度。因此，如何设计一种能够在不同介质中工作的、具备温度补偿能力的微尺度力传感器，成为当前研究的重点。本文提出了一种基于双FBG的温度补偿接触力传感器，旨在实现多介质微操作中的自适应力感知功能。

该传感器的设计考虑了微操作系统对力感知的需求，特别是对接触力的精确测量。传统的力传感器通常安装在机械臂的关节处，而本文提出的传感器则能够直接集成在微夹爪的末端，从而实现对微小物体的接触力感知。这种设计不仅提高了传感器的集成度，还增强了其在复杂操作环境中的适应性。通过分析接触效应和光学-机械耦合机制，研究人员建立了一个新型的光机电耦合传感模型，该模型能够解析单个FBG中的应变梯度，并用于识别传感器的力不敏感区域，从而实现有效的温度补偿。

在理论建模方面，本文通过分析光纤光栅的结构特性，结合轴向微分方法，研究了接触力对传感器输出的影响。通过建立一个考虑光纤应力分布非均匀性的力传感器模型，研究人员能够更准确地预测传感器在不同介质中的行为。这一模型的建立为后续的实验验证和实际应用奠定了基础。此外，本文还提出了一种双FBG补偿方案，其中，机械解耦的参考光栅为主力感应光栅提供内在的温度补偿功能，从而有效减少了温度变化对测量结果的影响。

在实验验证方面，本文首先使用商用力传感器对所设计的接触力传感器进行了校准，评估了其灵敏度、非线性、迟滞、重复性和温度补偿性能。随后，研究人员在多种环境中开展了一系列实时力感知实验，包括微零件的拾取与放置、微装配实验以及在液体环境中的微操作实验。实验结果表明，所设计的传感器能够在不同介质中保持良好的测量性能，并且其温度补偿机制能够有效消除环境温度变化带来的信号漂移。特别是在液体环境中的实验，验证了该传感器在多介质微操作中的适应性和可靠性。

在微零件的拾取与放置实验中，研究人员展示了传感器在实际操作中的应用潜力。通过将传感器集成到微夹爪中，系统能够实时感知夹爪与微零件之间的接触力，从而实现精确的拾取和放置操作。在微装配实验中，传感器的高精度力感知能力被用于监测微零件之间的相互作用力，确保装配过程的稳定性和可控性。而在液体环境中的实验则进一步验证了传感器的环境适应性，表明其能够在水、油等不同介质中保持良好的性能，为未来的微尺度操作提供了重要的技术支持。

本文的研究成果对于推动微尺度操作技术的发展具有重要意义。首先，它提供了一种新型的温度补偿接触力传感器，能够在不同介质中实现高精度的力测量。其次，该传感器的设计考虑了微操作系统的实际需求，具有良好的集成性和适应性，能够与微夹爪等设备相结合，实现高效的微操作。最后，实验结果表明，该传感器不仅能够准确测量接触力，还能够有效消除温度变化带来的干扰，为未来的微操作应用提供了可靠的技术保障。

在微尺度操作中，温度变化是一个不可忽视的因素。由于微操作通常涉及精密的机械结构和复杂的环境条件，温度波动可能导致传感器输出的不稳定，影响操作的准确性。因此，温度补偿技术在微尺度力传感系统中显得尤为重要。本文提出的双FBG温度补偿方案，通过引入机械解耦的参考光栅，实现了对主力感应光栅的温度补偿。这一方法不仅提高了传感器的测量精度，还增强了其在不同环境下的适应性。

此外，本文的研究还为微尺度力传感技术的进一步发展提供了新的思路。传统的力传感器通常需要外部补偿机制，而本文提出的传感器则通过内部结构设计实现了自补偿功能。这种自补偿机制不仅简化了系统设计，还提高了系统的稳定性和可靠性。同时，该传感器的高灵敏度和良好的重复性使其能够在微操作中提供精确的力反馈，为微机器人、微装配系统和生物细胞操作等应用提供了重要的技术支持。

总的来说，本文的研究成果为微尺度力传感技术的发展提供了重要的理论依据和实验验证。通过建立一种新型的温度补偿接触力传感器，研究人员成功解决了微操作系统中力感知精度受温度影响的问题，提高了传感器在多介质环境中的适用性。未来，随着微尺度操作技术的不断进步，这种传感器有望在更多领域得到应用，为实现更加精确和稳定的微操作提供有力的支持。