CN110186609B - 维间解耦二维无线无源传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种维间解耦二维无线无源传感器，其包括上部承力接头、上部万向节刚性结构体、第一支撑套筒、第二支撑套筒、弯曲分力支撑圆板、下部万向节刚性结构体、扭矩结构支撑环、扭矩承力体、第二凸块、扭矩形变片、轴向弯矩形变体、下部承力接头和刚性拉力传递体；本发明的维间解耦二维无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的弯曲力分量和扭转力分量，即对耦合力进行结构解耦；而且不需要连入供电线路或通过有线接口采集数据；可应用在医学领域，人体植入型传感器方向，大大减少传感器植入人体后需在人体中埋线或二次手术的环节。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种维间解耦二维无线无源传感器。
背景技术
传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和弹性元件组成。多维力传感器是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩信息的测力传感器,广泛应用于机器人、生物工程、工业制造、医疗卫生等领域。
现有技术中的二维乃至多维力传感器主要分为电阻应变式、压电式、电容式力传感器，其结构简单、灵敏且精度较高。传感器的构造是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其他方法安装应变敏感元件。当力学量作用在弹性元件上时,弹性元件产生变形,应变敏感元件的阻值随之发生变化,接着由变换电路将阻值变化变成电压变化输出,根据电压变化量即可得知力的大小。
但是当传感器在承受扭转应力和弯曲应力的结合时，现有技术中传感器往往通过将应变片组成桥路进行补偿和解耦，在机械结构上并不具备实现扭转应力和弯曲应力的解耦能力。
而且，现有的现有二维/多维传感器，由于必须使用导线连接应变片，即使采用无线电进行信息传递，但电池所含电量有限，故难以实现长期动态监测。
发明内容
本发明目的是提供一种维间解耦二维无线无源传感器，其实现了机械解耦，并能够对垂直于轴向的弯曲力与扭转力所形成的耦合力进行测量，分别求解出偶合力中垂直于轴向的弯曲分力和偶合力中的扭转分力的问题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种维间解耦二维无线无源传感器，其包括上部承力接头、上部万向节刚性结构体、第一支撑套筒、第二支撑套筒、弯曲分力支撑圆板、下部万向节刚性结构体、扭矩结构支撑环、扭矩承力体、第二凸块、扭矩形变片、轴向弯矩形变体、下部承力接头和刚性拉力传递体；
所述上部承力接头固定于所述上部万向节刚性结构体，所述第一支撑套筒和第二支撑套筒被固定于所述上部承力接头和上部万向节刚性结构体之间；所述弯曲分力支撑圆板被固定于所述第一支撑套筒和第二支撑套筒之间；
所述上部万向节刚性结构体包括上固定板以及从所述上固定板上沿所述上固定板的轴线方向延伸形成的两个上凸耳，两个上凸耳在以所述上固定板轴线为中心线的同一圆柱面上，并且两个上凸耳的连线通过所述上固定板的轴线；所述上固定板固定于所述上部承力接头；
所述下部万向节刚性结构体包括下固定板以及从所述下固定板上沿所述下固定板的轴线方向延伸形成的两个下凸耳，两个下凸耳在以所述下固定板轴线为中心线的同一圆柱面上，并且两个下凸耳的连线通过所述下固定板的轴线，所述下固定板固定于所述下部承力接头；
所述扭矩承力体呈圆筒状，在所述扭矩承力体的外壁面上向外突出形成有两个第一凸块，两个所述第一凸块的连线通过所述扭矩承力体的中心，并且两个所述第一凸块分别被固定于所述上部万向节刚性结构体的上凸耳上；
所述第二凸块的内壁面为与所述扭矩承力体的外壁面配合的弧面，两个所述第二凸块可滑动地设置于所述扭矩承力体的外壁面上，两个所述第二凸块分别被固定于所述下部万向节刚性结构体的下凸耳上，并使得第一凸块和第二凸块在所述扭矩承力体的周面交替设置，两个第一凸块的连线垂直于两个第二凸块的连线；
在所述扭矩承力体的下端固定有环形封盖，所述环形封盖的直径大于所述扭矩承力体的直径；所述扭矩结构支撑环固定于所述第二凸块上，并且在所述扭矩结构支撑环上相对于第一凸块和第二凸块的位置形成有通孔，螺杆穿过所述通孔拧入第一凸块和第二凸块，所述扭矩结构支撑环上的通孔直径大于所述螺杆的螺纹部的外径；
所述扭矩形变片的两端开设有两个通孔，拧入所述第一凸块的一个螺钉和拧入所述第二凸块的一个螺钉分别穿过所述扭矩形变片的两个通孔；所述扭矩形变片上贴有磁致伸缩材料；
所述下部万向节刚性结构体通过弯曲分力传递杆连接于锥形拉力刚性体，所述弯曲分力支撑圆板的中心开设有中心孔，所述刚性拉力传递体的下端穿过所述弯曲分力支撑圆板，固定于所述锥形拉力刚性体的上端；
所述刚性拉力传递体的上端形成有法兰，在所述法兰上形成有开口向下的环形槽，在所述弯曲分力支撑圆板上开设有开口向上的环形槽，所述轴向弯矩形变体的一端插入于所述刚性拉力传递体的环形槽，另一端插入于所述弯曲分力支撑圆板的环形槽内，所述轴向弯矩形变体采用磁致伸缩材料制造。
可选的，所述第一支撑套筒和第二支撑套筒上沿平行于所述第一支撑套筒和第二支撑套筒的轴线方向开设有通孔，所述弯曲分力支撑圆板上也沿其轴线方向开设有通孔，双头螺栓依次穿过上部承力接头、第一支撑套筒、弯曲分力支撑圆板、第二支撑套筒和上部万向节刚性结构体，通过螺母将上部承力接头、第一支撑套筒、弯曲分力支撑圆板、第二支撑套筒和上部万向节刚性结构体固定在一起。
可选的，在所述弯曲分力传递杆的两端均开设有内螺纹，所述下部万向节刚性结构体和锥形拉力刚性体上均开设有沉孔，在所述沉孔内设置有带孔铜珠，螺钉穿过所述带孔铜珠拧入所述弯曲分力传递杆。
可选的，在所述弯曲分力传递杆穿过上部万向节刚性结构体的位置处，所述上部万向节刚性结构体上开设有大于所述弯曲分力传递杆的直径的通孔。
可选的，所述弯曲分力传递杆的数量为4个，并且四个弯曲分力传递杆沿所述下部万向节刚性结构体的轴心线均匀分布。
本发明具有如下有益效果：本发明的维间解耦二维无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的弯曲力分量和扭转力分量，即对耦合力进行结构解耦；而且不需要连入供电线路或通过有线接口采集数据；可应用在医学领域，人体植入型传感器方向，大大减少传感器植入人体后需在人体中埋线或二次手术的环节。
附图说明
图1是本发明的维间解耦二维无线无源传感器的立体结构示意图；
图2是本发明的维间解耦二维无线无源传感器的爆炸结构示意图；
图3是本发明的维间解耦二维无线无源传感器的立体结构剖视图；
图4是本发明的扭转力受力敏感区立体结构图；
图5是本发明的扭转力受力敏感区零件拆解图；
图6是本发明的弯曲力受力敏感区立体结构图；
图7是本发明的弯曲力受力敏感区剖视图；
图中标记示意为：1-上部承力接头；2-第一支撑套筒；3-弯曲分力支撑圆板；4-第二支撑套筒；5-上部万向节刚性结构体；6-扭矩结构支撑环；7-扭矩承力体；8-环形封盖；9-弯曲分力传递杆；10-下部万向节刚性结构体；11-刚性拉力传递体；12-轴向弯矩形变体；13-带孔铜珠；14-锥形拉力刚性体；15-第二凸块；16-扭矩形变片；17-下部承力接头。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本实施例提供了一种维间解耦二维无线无源传感器，其包括上部承力接头1、上部万向节刚性结构体5、第一支撑套筒2、第二支撑套筒4、弯曲分力支撑圆板3、下部万向节刚性结构体10、扭矩结构支撑环6、扭矩承力体7、第二凸块15、扭矩形变片16、轴向弯矩形变体12、下部承力接头17和刚性拉力传递体11；
所述上部承力接头1通过双头螺栓和螺母固定于所述上部万向节刚性结构体5，并使得所述第一支撑套筒2和第二支撑套筒4被固定于所述上部承力接头1和上部万向节刚性结构体5之间；而且，所述弯曲分力支撑圆板3被固定于所述第一支撑套筒2和第二支撑套筒4之间。
本实施例中，所述第一支撑套筒2和第二支撑套筒4上沿平行于所述第一支撑套筒2和第二支撑套筒4的轴线方向开设有通孔，所述弯曲分力支撑圆板3上也沿其轴线方向开设有通孔，此时，所述双头螺栓依次穿过上部承力接头1、第一支撑套筒2、弯曲分力支撑圆板3、第二支撑套筒4和上部万向节刚性结构体5，通过螺母将它们固定在一起。
所述上部万向节刚性结构体5包括上固定板以及从所述上固定板上沿所述上固定板的轴线方向延伸形成的两个上凸耳，两个上凸耳在以所述上固定板轴线为中心线的同一圆柱面上，并且两个上凸耳的连线通过所述上固定板的轴线；此时可以将所述上固定板固定于所述上部承力接头；本实施例中，与所述上部万向节刚性结构体5相似，所述下部万向节刚性结构体10包括下固定板以及从所述下固定板上沿所述下固定板的轴线方向延伸形成的两个下凸耳，两个下凸耳在以所述下固定板轴线为中心线的同一圆柱面上，并且两个下凸耳的连线通过所述下固定板的轴线，此时，所述下固定板固定于所述下部承力接头17，以通过所述上部承力接头1和下部承力接头17对所述维间解耦二维无线无源传感器施加扭转应力和弯曲应力。
所述扭矩承力体7呈圆筒状，在所述扭矩承力体7的外壁面上向外突出形成有两个第一凸块，两个所述第一凸块的连线通过所述扭矩承力体7的中心，并且两个所述第一凸块分别被固定于所述上部万向节刚性结构体5的上凸耳上。
所述第二凸块15的内壁面为与所述扭矩承力体7的外壁面配合的弧面，两个所述第二凸块15可滑动地设置于所述扭矩承力体7的外壁面上，两个所述第二凸块15分别被固定于所述下部万向节刚性结构体10的下凸耳上，并使得第一凸块和第二凸块15在所述扭矩承力体7的周面交替设置，两个第一凸块的连线垂直于两个第二凸块15的连线。
在所述扭矩承力体7的下端固定有环形封盖8，所述环形封盖8的直径大于所述扭矩承力体7的直径，以通过所述环形封盖8限定所述第二凸块15的轴向位置(沿所述扭矩承力体的轴向)。
所述扭矩结构支撑环6可转动地设置于所述扭矩承力体7内，并且固定于所述第二凸块15上，在所述扭矩结构支撑环6上相对于第一凸块和第二凸块15的位置形成有通孔，螺杆穿过所述通孔拧入第一凸块和第二凸块15，所述扭矩结构支撑环6上的通孔直径大于所述螺杆的螺纹部的外径；所述扭矩形变片16的两端开设有两个通孔，拧入所述第一凸块的一个螺钉和拧入所述第二凸块的一个螺钉分别穿过所述扭矩形变片16的两个通孔，使得第一凸块和第二凸块15在相对运动时，能够使得所述扭矩形变片16发生形变，以实现本实施例的维间解耦二维无线无源传感器的扭转应力的检测。
所述扭矩形变片16上贴有磁致伸缩材料，以使得所述维间解耦二维无线无源传感器的无线无源检测，解决了长期动态监测的问题。
所述下部万向节刚性结构体10通过四个弯曲分力传递杆9连接于锥形拉力刚性体14，所述锥形拉力刚性体14的上端固定有刚性拉力传递体11，此时，弯曲分力支撑圆板3的中心开设有中心孔，所述刚性拉力传递体11的下端穿过所述弯曲分力支撑圆板3，固定于所述锥形拉力刚性体14的上端。
所述刚性拉力传递体11的上端形成有法兰，在所述法兰上形成有开口向下的环形槽，在所述弯曲分力支撑圆板3上开设有开口向上的环形槽，所述轴向弯矩形变体12的一端插入于所述刚性拉力传递体11的环形槽，另一端插入于所述弯曲分力支撑圆板3的环形槽内，所述轴向弯矩形变体12整体采用磁致伸缩材料制造，解决了长期动态监测的问题。
更优选地，在所述弯曲分力传递杆9的两端均开设有内螺纹，所述下部万向节刚性结构体10和锥形拉力刚性体14上均开设有沉孔，在所述沉孔内设置有带孔铜珠13，螺钉穿过所述带孔铜珠13拧入所述弯曲分力传递杆9，以通过所述带孔铜珠13构成了一个简易的关节球轴承，从而在满足一定活动角度的前提下，实现弯曲分力传递杆9固定于下部万向节刚性结构体10和锥形拉力刚性体14；并且在所述弯曲分力传递杆9穿过上部万向节刚性结构体5的位置处，所述上部万向节刚性结构体5上开设有大于所述弯曲分力传递杆9的直径的通孔。
更优选地，所述弯曲分力传递杆9的数量为4，并且四个弯曲分力传递杆9沿所述下部万向节刚性结构体10的轴心线均匀分布。
本发明的维间解耦二维无线无源传感器在使用时，引起磁致伸缩材料产生应力，从而在激励线圈产生均匀的交变磁场中磁致伸缩材料在外应力作用下导致磁场变化，检测线圈检测磁场内的变化，继而转化为电学信号来表示所受弯扭应力的情况。
当维间解耦二维无线无源传感器受到扭转力时，耦合力通过上部万向节刚性结构体传递至下部万向节刚性结构体，并由第一凸块和第二凸块形成简易万向节，从而把偶合力中的扭转分力量化为扭矩形变片16所受拉力或压力的形变程度。其中扭矩承力体7的内表面光滑，扭矩结构支撑环6的外表面光滑，彼此之间间隙配合，在接触位置添加润滑油加以润滑，保证他们之间可以相互滑动。扭矩形变片16安装孔内壁倒圆角，并且两侧圆角相连接。保证垂直于扭矩形变片16表面磁致伸缩材料覆盖区的方向有一定的运动能力。防止扭转分力敏感区在偶合力作用下，在传感器轴向方向发生微小形变，影响到扭矩形变片16。在扭矩形变片16上覆盖磁致伸缩材料，偶合力中的扭转分力就会在磁致伸缩材料上产生应力应变。在施加的激励磁场的作用下产生磁致伸缩逆效应(维拉里效应)，通过检测线圈检测其磁场变化。本实施方案所述的受力敏感区域可结合图3图4，可见所受扭转力并未对弯曲力的力敏区域产生应力变化，即所述的轴向弯矩形变体12本身未产生形变。
当维间解耦二维无线无源传感器受到弯曲力时，通过弯曲分力传递杆9传递至轴向弯矩形变体12，所述弯曲分力传递杆9在与下部万向节刚性结构体10的连接处使用带孔铜珠13与螺栓固定。其中在带孔铜珠13与下部万向节刚性结构体10所对应的连接孔处，由于孔的一侧直径较小，故构成了一个简易的关节球轴承，由此在满足一定活动角度的前提下，实现弯曲分力传递杆9在与下部万向节刚性结构体10的紧固连接。而在弯曲分力传递杆9与锥形拉力刚性体14之间的连接处，依然使用由带孔铜珠构成的简易关节球轴承，来满足其所需要的一定活动角度，并紧固连接，从而减少扭转形变带来的影响，满足传递扭矩所需要的自由度。
所述锥形拉力刚性体与刚性拉力传递体之间用螺纹相连，把传感器所受弯曲力大小转化为轴向弯矩形变体12受压力的形变大小，保证了偶合力中的弯曲分力就会在磁致伸缩材料上产生应力应变。在施加的激励磁场的作用下产生磁致伸缩逆效应(维拉里效应)，通过检测线圈检测其磁场变化。本实施方案所述的受力敏感区域可结合图1，可见所受弯曲力并未对扭转力的力敏区域产生应力变化，即所述的扭矩形变片16上覆盖的磁致伸缩材未产生应力。
当耦合力包括弯曲力和扭转力时，耦合的弯曲力与扭转力使扭矩形变片16和轴向弯矩形变体12产生应力应变，使磁致伸缩材料覆盖区上的磁致伸缩材料和本身的磁致伸缩材料产生应力，在施加的激励磁场的作用下产生磁致伸缩逆效应，通过检测线圈检测其磁场变化。本实施方案所述的受力敏感区域可结合图4、图6。
本发明的维间解耦二维无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的弯曲力分量和扭转力分量，即对耦合力进行结构解耦；而且不需要连入供电线路或通过有线接口采集数据；可应用在医学领域，人体植入型传感器方向，大大减少传感器植入人体后需在人体中埋线或二次手术的环节。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，包括上部承力接头、上部万向节刚性结构体、第一支撑套筒、第二支撑套筒、弯曲分力支撑圆板、下部万向节刚性结构体、扭矩结构支撑环、扭矩承力体、第二凸块、扭矩形变片、轴向弯矩形变体、下部承力接头和刚性拉力传递体；
所述上部承力接头固定于所述上部万向节刚性结构体，所述第一支撑套筒和第二支撑套筒被固定于所述上部承力接头和上部万向节刚性结构体之间；所述弯曲分力支撑圆板被固定于所述第一支撑套筒和第二支撑套筒之间；
所述上部万向节刚性结构体包括上固定板以及从所述上固定板上沿所述上固定板的轴线方向延伸形成的两个上凸耳，两个上凸耳在以所述上固定板轴线为中心线的同一圆柱面上，并且两个上凸耳的连线通过所述上固定板的轴线；所述上固定板固定于所述上部承力接头；
所述下部万向节刚性结构体包括下固定板以及从所述下固定板上沿所述下固定板的轴线方向延伸形成的两个下凸耳，两个下凸耳在以所述下固定板轴线为中心线的同一圆柱面上，并且两个下凸耳的连线通过所述下固定板的轴线，所述下固定板固定于所述下部承力接头；
所述扭矩承力体呈圆筒状，在所述扭矩承力体的外壁面上向外突出形成有两个第一凸块，两个所述第一凸块的连线通过所述扭矩承力体的中心，并且两个所述第一凸块分别被固定于所述上部万向节刚性结构体的上凸耳上；
所述第二凸块的内壁面为与所述扭矩承力体的外壁面配合的弧面，两个所述第二凸块可滑动地设置于所述扭矩承力体的外壁面上，两个所述第二凸块分别被固定于所述下部万向节刚性结构体的下凸耳上，并使得第一凸块和第二凸块在所述扭矩承力体的周面交替设置，两个第一凸块的连线垂直于两个第二凸块的连线；
在所述扭矩承力体的下端固定有环形封盖，所述环形封盖的直径大于所述扭矩承力体的直径；所述扭矩结构支撑环固定于所述第二凸块上，并且在所述扭矩结构支撑环上相对于第一凸块和第二凸块的位置形成有通孔，螺杆穿过所述通孔拧入第一凸块和第二凸块，所述扭矩结构支撑环上的通孔直径大于所述螺杆的螺纹部的外径；
所述扭矩形变片的两端开设有两个通孔，拧入所述第一凸块的一个螺钉和拧入所述第二凸块的一个螺钉分别穿过所述扭矩形变片的两个通孔；所述扭矩形变片上贴有磁致伸缩材料；
所述下部万向节刚性结构体通过弯曲分力传递杆连接于锥形拉力刚性体，所述弯曲分力支撑圆板的中心开设有中心孔，所述刚性拉力传递体的下端穿过所述弯曲分力支撑圆板，固定于所述锥形拉力刚性体的上端；
所述刚性拉力传递体的上端形成有法兰，在所述法兰上形成有开口向下的环形槽，在所述弯曲分力支撑圆板上开设有开口向上的环形槽，所述轴向弯矩形变体的一端插入于所述刚性拉力传递体的环形槽，另一端插入于所述弯曲分力支撑圆板的环形槽内，所述轴向弯矩形变体采用磁致伸缩材料制造。
2.根据权利要求1所述的维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述第一支撑套筒和第二支撑套筒上沿平行于所述第一支撑套筒和第二支撑套筒的轴线方向开设有通孔，所述弯曲分力支撑圆板上也沿其轴线方向开设有通孔，双头螺栓依次穿过上部承力接头、第一支撑套筒、弯曲分力支撑圆板、第二支撑套筒和上部万向节刚性结构体，通过螺母将上部承力接头、第一支撑套筒、弯曲分力支撑圆板、第二支撑套筒和上部万向节刚性结构体固定在一起。
3.根据权利要求1所述的维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，在所述弯曲分力传递杆的两端均开设有内螺纹，所述下部万向节刚性结构体和锥形拉力刚性体上均开设有沉孔，在所述沉孔内设置有带孔铜珠，螺钉穿过所述带孔铜珠拧入所述弯曲分力传递杆。
4.根据权利要求3所述的维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，在所述弯曲分力传递杆穿过上部万向节刚性结构体的位置处，所述上部万向节刚性结构体上开设有大于所述弯曲分力传递杆的直径的通孔。
5.根据权利要求1所述的维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述弯曲分力传递杆的数量为4个，并且四个弯曲分力传递杆沿所述下部万向节刚性结构体的轴心线均匀分布。
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