CN101458187A - 可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器，它主要由上固定件、实心重锤、倾角传感器、注油容腔、保护罩、弹性薄壁和下固定件组成，在弹性薄壁沿X轴方向上的两侧的正中、弹性薄壁沿Y轴方向上的两侧的正中、弹性薄壁内壁一条直径方向上的弹性体薄壁两侧正中和倾角传感器主干的弹性柱状体正中分别贴一组全桥应变片。多维传感器顶部通过法兰与外部机构连接，底部通过螺钉与待测多自由度运动机构连接，当外部机构施加外部力时，多自由度运动机构随之变形，多维传感器可检测两维弯矩、一个扭矩、一个倾角等多维复合变量。

Description

可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器

技术领域

本发明属于力学检测和传感器检测技术领域，尤其涉及一种可实现弯矩、扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器。

背景技术

近年来，生物医学工程学的发展非常迅速，而作为主要分支领域的生物材料、生物力学研究，随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，已成为各国科学家竞相研究和开发的热点。生物材料是用来对于生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料，而满足在人体复杂运动载荷下的力学特性，是生物材料最主要的性能指标。

鉴于人体运动的复杂性，特别是脊椎、腰椎、膝关节、肘关节等部位运动时，涉及多维变量的扭弯复合力加载，如何准确、高精度地同步检测复合力加载条件下的生物材料特性，成为当前科学研究与产业发展的瓶颈，主要是缺乏可同步检测多维变量的传感器。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器，它主要由上固定件、实心重锤、倾角传感器、注油容腔、保护罩、弹性薄壁和下固定件组成。所述上固定件和下固定件通过圆筒形的保护罩和弹性薄壁相连，弹性薄壁在保护罩内侧。弹性薄壁内壁中空，与上固定件和下固定件一起组成注油容腔。倾角传感器固定在下固定件上，由头部的实心重锤和主干的弹性柱状体组成。在所述弹性薄壁沿X轴方向上的两侧的正中，沿Z轴平行方向与垂直方向贴有4个全桥应变片R1、R2、R3、R4。其中，R1、R3与Z轴平行，R2、R4与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器左右方向受到的弯矩。在所述弹性薄壁沿Y轴方向上的两侧的正中，沿Z轴平行方向与垂直方向贴有4个全桥应变片R5、R6、R7、R8。其中，R5、R7与Z轴平行，R6、R8与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器前后方向受到的弯矩。在所述弹性薄壁内壁一条直径方向上的弹性体薄壁两侧正中，贴有4个全桥应变片R9、R10、R11、R12。这条直径在水平面上的投影与X轴、Y轴分别有45°的夹角，即在X轴与Y轴形成的角平分线上.其中，R9、R11与Z轴成45°夹角，R10、R12与Z轴成-45°夹角，组成的全桥电路检测传感器沿Z轴方向受到的扭力值。在所述倾角传感器主干的弹性柱状体正中，沿Z轴平行方向与垂直方向贴4个全桥应变片R13、R14、R15、R16。其中，R13、R15与Z轴平行，R14、R16与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器倾斜角度。

本发明的有益效果是：本发明实现了两维的弯矩、一维的扭矩以及一个中心倾角的检测，基本满足了脊椎、关节在简单运动状态下，多维复合力检测的需求。本发明具有多维复合变量检测的实时性、同步性好，以及检测精度高等特点。

附图说明

图1是本发明多维传感器的三维结构图；

图2是本发明多维传感器的剖视图；

图3是X轴正向力矩与电压输出关系图；

图4是X轴负向力矩与电压输出关系图；

图5是Y轴正向力矩与电压输出关系图；

图6是X轴负向力矩与电压输出关系图；

图7是Z轴方向扭矩与电压输出关系图；

图8是Z轴方向扭矩与电压输出关系图；

图中，1、上固定件，2、实心重锤，3、倾角传感器，4、注油容腔，5、保护罩，6、弹性薄壁，7、下固定件。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本发明采用多层圆筒式设计，顶部通过法兰与外部连接，底部通过螺钉可以固定任意形状的待测多自由度机构，中心检测部分采用内壁与外部两部分组成，外壁是起支撑作用的保护罩，内壁是弹性体薄壁，贴有应变片，传感器受力后弹性体薄壁变形引起应变片变形，通过全桥电路检测应变片上电信号的变化，分析计算待测机构传递的力学信息。利用应变片变形检测待测机构的力学信息，可以检测X、Y水平相互垂直两个方向的弯矩、Z轴中心轴方向的一个扭矩和Z轴中心轴与重力方向的偏转角度；所有复合变量检测是同步进行的。

如图1所示，本发明可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器主要由上固定件1、实心重锤2、倾角传感器3、注油容腔4、保护罩5、弹性薄壁6和下固定件7组成。上固定件1和下固定件7通过圆筒形的保护罩5和弹性薄壁6相连，弹性薄壁6在保护罩5内侧，弹性薄壁6内壁中空，弹性薄壁6与上固定件1和下固定件7组成注油容腔4。倾角传感器3底部通过螺钉固定在下固定件7上，倾角传感器3由头部的实心重锤2和主干的弹性柱状体组成。

如图2所示，在弹性薄壁6沿X轴方向(即左右方向)上的两侧的正中，沿Z轴(即竖直方向)平行方向与垂直方向贴有4个全桥应变片R1、R2、R3、R4，用以检测X轴方向的弯矩；其中，R1、R3与Z轴平行，R2、R4与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器左右方向受到的弯矩。

在弹性薄壁6沿Y轴方向(即前后方向)上的两侧的正中，沿Z轴平行方向与垂直方向贴有4个全桥应变片R5、R6、R7、R8，用以检测Y轴方向的弯矩；其中，R5、R7与Z轴平行，R6、R8与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器前后方向受到的弯矩。

在弹性薄壁6内壁一条直径方向上的弹性体薄壁两侧正中，贴有4个全桥应变片R9、R10、R11、R12，检测Z轴方向的扭矩。这条直径在水平面上的投影与X轴、Y轴分别有45°的夹角，即在X轴与Y轴形成的角平分线上；其中，R9、R11与Z轴成45°夹角，而R10、R12与Z轴成-45°夹角，组成的全桥电路检测传感器沿Z轴方向受到的扭力值。

倾角传感器3主干的弹性柱状体上沿Z轴平行方向与垂直方向贴4个全桥应变片R13、R14、R15、R16；其中，R13、R15与Z轴平行，R14与R16与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器倾斜角度。当传感器倾斜一定角度后，实心重锤2受重力，重力方向与传感器中心轴有一个夹角，弹性柱状体受弯矩变形，应变片桥路电流产生变化，根据电流值分析计算倾斜角度。

对复合变量多维传感器进行标定检测，所得到的结果如下所示：

1.检测X轴正向方向力矩与检测电压输出关系如图3所示。

2.检测X轴负向方向力矩与检测电压输出关系如图4所示。

3.检测Y轴正向方向力矩与检测电压输出关系如图5所示。

4.检测Y轴负向方向力矩与检测电压输出关系如图6所示。

5.检测Z轴方向扭矩与检测电压输出关系如图7所示。

6.检测Z轴倾角与检测电压输出关系如图8所示。

本发明可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器加载于待测样品与检测机构之间，通过上固定件1与可多维复杂运动的检测机构连接，通过下固定件7与待测样品连接。当检测机构进行多自由度复杂旋转、弯曲、倾斜动作时，相应的样品受到弯矩、扭矩作用。多维传感器利用全桥应变片R1、R2、R3、R4，检测X轴方向的弯矩，利用全桥应变片R5、R6、R7、R8，用以检测Y轴方向的弯矩，利用全桥应变片R9、R10、R11、R12，检测Z轴方向的扭矩，利用全桥应变片R13、R14、R15、R16，检测多维传感器倾斜的角度。

Claims (6)

1、一种可实现弯矩扭矩和倾角多元复合变量检测的多维传感器，其特征在于，它主要由上固定件、实心重锤、倾角传感器、注油容腔、保护罩、弹性薄壁和下固定件组成。所述上固定件和下固定件通过圆筒形的保护罩和弹性薄壁相连，弹性薄壁在保护罩内侧。弹性薄壁内壁中空，与上固定件和下固定件一起组成注油容腔。倾角传感器固定在下固定件上，由头部的实心重锤和主干的弹性柱状体组成。

2、根据权利要求1所述多维传感器，其特征在于，在所述弹性薄壁沿X轴方向上的两侧的正中，沿Z轴平行方向与垂直方向贴有4个全桥应变片R1、R2、R3、R4。其中，R1、R3与Z轴平行，R2、R4与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器左右方向受到的弯矩。

3、根据权利要求1所述多维传感器，其特征在于，在所述弹性薄壁沿Y轴方向上的两侧的正中，沿Z轴平行方向与垂直方向贴有4个全桥应变片R5、R6、R7、R8。其中，R5、R7与Z轴平行，R6、R8与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器前后方向受到的弯矩。

4、根据权利要求1所述多维传感器，其特征在于，在所述弹性薄壁内壁一条直径方向上的弹性体薄壁两侧正中，贴有4个全桥应变片R9、R10、R11、R12。这条直径在水平面上的投影与X轴、Y轴分别有45°的夹角，即在X轴与Y轴形成的角平分线上.其中，R9、R11与Z轴成45°夹角，R10、R12与Z轴成-45°夹角，组成的全桥电路检测传感器沿Z轴方向受到的扭力值。

5、根据权利要求1所述多维传感器，其特征在于，在所述倾角传感器主干的弹性柱状体正中，沿Z轴平行方向与垂直方向贴4个全桥应变片R13、R14、R15、R16。其中，R13、R15与Z轴平行，R14、R16与Z轴垂直，组成的全桥电路检测传感器倾斜角度。

6、根据权利要求1所述多维传感器，其特征在于，所述倾角传感器底部通过螺钉固定在下固定件上。

Images