CN112033595A - 中心轴式维间解耦三维无线无源传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其包括中心轴上段、弯矩上封环、弯矩应变环、弯矩顶杆、弯矩外支撑环、弯矩内支撑环、中心轴中段、扭矩外支撑壳、扭矩传递件、扭矩应变片、轴向力应变片、轴向力传递件、中心轴下段和轴向力外支撑壳。本发明的一种中心轴式维间解耦三维力/力矩无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的各个分力的大小和方向，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

中心轴式维间解耦三维无线无源传感器

技术领域

本发明涉及一种中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

现阶段的多维乃至六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。然而这种类型的传感器均采用算法解耦，在耦合力的分离率以及响应精度上依然存在结构性的问题。

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。

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，弯曲应力以及轴向力的解耦能力。

现有多维/六维传感器，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中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其解决了上述技术问题中的一个。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其包括中心轴上段、弯矩上封环、弯矩应变环、弯矩顶杆、弯矩外支撑环、弯矩内支撑环、中心轴中段、扭矩外支撑壳、扭矩传递件、扭矩应变片、轴向力应变片、轴向力传递件、中心轴下段和轴向力外支撑壳；

所述中心轴上段的下方通过万向节连接于中心轴中段的上端；所述中心轴下段的上端固定于所述中心轴中段的下端；

所述轴向力外支撑壳上固定有扭矩外支撑壳，所述扭矩外支撑壳上固定有弯矩外支撑环，所述弯矩外支撑环内设置有弯矩内支撑环，所述弯矩内支撑环设置于所述扭矩外支撑壳上；

在弯矩外支撑环上形成有环形凸起，所述弯矩外支撑环上固定有弯矩上封环，在所述弯矩外支撑环外套设有弯矩应变环；所述弯矩应变环设置于所述环形凸起和弯矩上封环之间；

所述弯矩上封环的下表面上形成有环状凸棱，所述环状凸棱位于所述弯矩外支撑环和弯矩内支撑环之间；

所述弯矩外支撑环相对于弯矩应变环的位置沿其径向开设有多个通孔，所述多个通孔沿所述弯矩外支撑环的周向均匀分布；

所述弯矩内支撑环相对于弯矩外支撑环的通孔的位置处开设有通孔，所述弯矩顶杆可滑动地设置于弯矩外支撑环的通孔以及弯矩内支撑环的通孔内，所述弯矩顶杆的一端与所述中心轴上段接触，所述弯矩顶杆的另一端与所述弯矩应变环接触；在所述弯矩应变环上粘贴磁致伸缩材料；

所述中心轴中段上套设有扭矩传递件，所述扭矩传递件中心位置有一个方形通孔，所述中心轴中段套设有扭矩传递件的部分的截面与所述扭矩传递件的方形通孔的截面相同；所述中心轴中段可滑动地设置于所述扭矩传递件的方形通孔内；

所述扭矩传递件长度方向的两端设置在扭矩外支撑壳和轴向力外支撑壳之间，所述扭矩应变片的一端通过第一销轴铰接于所述扭矩传递件，所述扭矩应变片的数量为2个，并且2个扭矩应变片分别铰接于所述扭矩传递件的宽度方向的两端，且2个扭矩应变片之间的夹角为180°；

所述扭矩应变片的另一端开设有铰接孔，所述铰接孔内可转动地设置有第二销轴，所述第二销轴的上端固定于扭矩支撑外壳，所述第二销轴的下端固定于轴向力外支撑壳；所述第一销轴和第二销轴均与所述中心轴中段的轴心平行；在所述扭矩应变片上粘贴有磁致伸缩材料；

所述轴向力传递件固定于所述中心轴中段上；所述轴向力应变片的一端通过第一铰接轴铰接于所述轴向力传递件，所述轴向力应变片的另一端通过第二铰接轴铰接于所述轴向力外支撑壳，并且，所述第一铰接轴和第二铰接轴平行设置，均垂直于所述中心轴中段的轴线；

所述轴向力应变片的数量为两个，并且两个轴向力应变片之间呈180°，在所述轴向力应变片上粘贴磁致伸缩材料。

可选的，所述中心轴上段的下端设置有两个上凸耳，所述上凸耳上开设有通孔，螺钉穿过上凸耳的通孔固定于十字连接滑块上，并使得十字连接滑块可以相对于上凸耳转动；所述两个上凸耳的通孔的轴线在同一直线上；所述中心轴中段的上端设置有两个下凸耳，并且在所述下凸耳上开设有通孔，螺钉穿过下凸耳的通孔固定于十字连接滑块上，并使得十字连接滑块可以相对于下凸耳转动；所述两个下凸耳的通孔的轴线在同一直线上，并且与两个上凸耳的通孔的轴线垂直相交。

可选的，所述十字连接滑块呈长方体形，该长方体形长宽相等，高小于长宽；所述十字连接滑块的前后左右四个表面的中心位置均开设有螺纹孔，且四个螺纹孔的轴心在同一平面上。

可选的，所述中心轴中段的下端开设有螺纹孔，所述中心轴下段的上端为螺纹轴，并且所述中心轴下段的上端通过螺纹轴和螺纹孔的配合，固定于所述中心轴中段的下端。

可选的，在所述弯矩内支撑环的下端形成有外法兰，所述外法兰被夹持在扭矩外支撑壳和弯矩外支撑环之间。

可选的，所述弯矩外支撑环上所开设的通孔的数量为6个，并且6个通孔在同一水平面上。

可选的，所述弯矩顶杆在与中心轴上段的接触端形成有内凹型弧形端面，所述内凹型弧形端面与所述中心轴上段的外壁面相配合。

可选的，所述扭矩应变片的中部厚度小于所述扭矩应变片两端的厚度。

可选的，所述中心轴中段的下端形成有台阶，所述轴向力传递件设置于台阶上，并且通过中心轴下段实现轴向力传递件的固定。

可选的，所述轴向力应变片的分布方向和扭矩应变片的分布方向空间垂直。

本发明具有如下有益效果：本发明的一种中心轴式维间解耦三维力/力矩无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的各个分力的大小和方向，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。也可以在机械加工领域，安装在数控机床的刀头位置，实时监测刀具在加工中的受力情况，通过本传感反馈的加工信息，改善加工工艺提高生产效益。

附图说明

图1是本发明的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器结构整体示意图。

图2是本发明的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器整体结构剖视图。

图3是本发明的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器立体结构爆炸图。

图4是本发明的中心轴体整体结构示意图。

图5是本发明的中心轴体分力结构示意图。

图6是本发明的弯矩应变区整体结构示意图。

图7是本发明的弯矩应变区整体结构爆炸图。

图8是本发明的扭矩应变区整体结构示意图。

图9是本发明的扭矩应变区整体结构爆炸图。

图10是本发明的轴向力应变区整体结构示意图。

图11是本发明的轴向力应变区整体结构爆炸图。

图中标记示意为：1-中心轴上段；2-弯矩上封环；3-弯矩应变环；4-弯矩顶杆；5-弯矩外支撑环；6-弯矩内支撑环；7-十字连接滑块；8-中心轴中段；9-扭矩外支撑壳；10-扭矩传递件；11-扭矩应变片；12-轴向力应变片；13-轴向力传递件；14-中心轴下段；15-轴向力外支撑壳。

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中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，即一种中心轴式维间解耦三维力/力矩无线无源传感器；其包括中心轴上段1、弯矩上封环2、弯矩应变环3、弯矩顶杆4、弯矩外支撑环5、弯矩内支撑环6、十字连接滑块7、中心轴中段8、扭矩外支撑壳9、扭矩传递件10、扭矩应变片11、轴向力应变片12、轴向力传递件13、中心轴下段14和轴向力外支撑壳15。

所述中心轴上段1上端设置有圆板，优选地，所述圆板与中心轴式维间解耦三维无线无源传感器的主直径相同，所述圆板的开设有多个通孔，用于将中心轴式维间解耦三维无线无源传感器连接于待测结构。所述中心轴上段1的下方通过万向节连接于中心轴中段8的上端。

作为一种实现形式，所述中心轴上段1的下端设置有两个上凸耳，所述上凸耳上开设有通孔，螺钉穿过上凸耳的通孔固定于十字连接滑块7上，并使得十字连接滑块7可以相对于上凸耳转动。即所述两个上凸耳的通孔的轴线在同一直线上。

所述中心轴中段8的上端设置有两个下凸耳，并且在所述下凸耳上开设有通孔，螺钉穿过下凸耳的通孔固定于十字连接滑块7上，并使得十字连接滑块7可以相对于下凸耳转动。即所述两个下凸耳的通孔的轴线在同一直线上，并且与两个上凸耳的通孔的轴线垂直相交。

也就是说，从结构上看，所述十字连接滑块7呈长方体形，该长方体形长宽相等，高略小于长宽。其前后左右四个表面的中心位置均有螺纹孔，且四个螺纹孔的轴心在同一平面上。

所述中心轴中段8的下端开设有螺纹孔，所述中心轴下段14的上端为螺纹轴，并且所述中心轴下段14的上端通过螺纹轴和螺纹孔的配合，固定于所述中心轴中段8的下端。

所述轴向力外支撑壳15的下端形成有挡板，所述挡板的中心开设有通孔，所述中心轴下段14的下端位于所述通孔内，并且可以在所述通孔内滑动。

并且，所述轴向力外支撑壳15上开设有通孔，以将所述轴向力外支撑壳15连接于外部待测量结构。

所述轴向力外支撑壳15上固定有扭矩外支撑壳9，例如可以通过两个内六角螺栓将轴向力外支撑壳15和扭矩外支撑壳9固定在一起。

所述扭矩外支撑壳9上固定有弯矩外支撑环5，所述弯矩外支撑环5内设置有弯矩内支撑环6，所述弯矩内支撑环6设置于所述扭矩外支撑壳9上，当然所述弯矩内支撑环6也可以固定于所述扭矩外支撑壳9上；例如，在所述弯矩内支撑环6的下端形成有外法兰，所述外法兰被夹持在扭矩外支撑壳9和弯矩外支撑环5之间。

在弯矩外支撑环5上形成有环形凸起，所述弯矩外支撑环5上固定有弯矩上封环2，在所述弯矩外支撑环5外套设有弯矩应变环3；优选地，所述弯矩应变环设置于所述环形凸起和弯矩上封环2之间。

所述弯矩上封环2的下表面上形成有环状凸棱，所述环状凸棱位于所述弯矩外支撑环5和弯矩内支撑环6之间。

所述弯矩外支撑环5相对于弯矩应变环的位置沿其径向开设有多个通孔，优选地，所述通孔的数量为6个，并且6个通孔在同一水平面上，并且沿所述弯矩外支撑环5的周向均匀分布。

同时，所述弯矩内支撑环6相对于弯矩外支撑环5的通孔的位置处开设有通孔，所述弯矩顶杆4可滑动地设置于弯矩外支撑环5的通孔以及弯矩内支撑环6的通孔内，所述弯矩顶杆4的一端与所述中心轴上段1接触，所述弯矩顶杆4的另一端与所述弯矩应变环3接触；在所述弯矩应变环3上粘贴磁致伸缩材料，以当中心轴式维间解耦三维无线无源传感器承受弯矩时，所述中心轴上段1会偏离所述中心轴中段8的轴线，并通过对应方向的弯矩顶杆4挤压弯矩应变环3，通过粘贴在弯矩应变环3上的磁致伸缩材料实现弯矩的测量。

也就是说，所述弯矩顶杆4、弯矩外支撑环5和弯矩内支撑环6共同形成一种推杆结构，无论弯矩的方向如何变化，都能转换成统一的弯矩应变环扩张力。优选地，所述弯矩顶杆4在与中心轴上段1的接触端形成有内凹型弧形端面，所述内凹型弧形端面与所述中心轴上段1的外壁面相配合。

所述中心轴上段1通过所述中心轴十字连接滑块7将耦合力中剩余成分传递到中心轴中段8。

所述中心轴中段8上套设有扭矩传递件10，所述扭矩传递件10中心位置有一个方形通孔，所述中心轴中段8套设有扭矩传递件10的部分的截面与所述扭矩传递件10的方形通孔的截面相同，由此，通过中心轴中段8能够带动扭矩传递件10转动，并且所述中心轴中段8能够在所述扭矩传递件10内滑动。

所述扭矩传递件10长度方向的两端设置在扭矩外支撑壳9和轴向力外支撑壳15之间，所述扭矩应变片11的一端通过第一销轴铰接于所述扭矩传递件10，优选地，所述扭矩应变片11的数量为2个，并且2个扭矩应变片11分别铰接于所述扭矩传递件10的宽度方向的两端，且2个扭矩应变片11之间的夹角为180°。

所述扭矩应变片11的另一端开设有铰接孔，所述铰接孔内可转动地设置有第二销轴，所述第二销轴的上端固定于扭矩支撑外壳9，所述第二销轴的下端固定于轴向力外支撑壳15，以当所述扭矩传递件10在转动时，能够将扭矩转换为扭矩应变片11的拉应力，此时在所述扭矩应变片11上粘贴有磁致伸缩材料，即可以实现扭矩的检测。当然，所述第二销轴也可以使用固定扭矩支撑外壳9和轴向力外支撑壳15的螺钉实现。

所述第一销轴和第二销轴均与所述中心轴中段8的轴心平行。

优选地，所述扭矩应变片11的中部厚度小于所述扭矩应变片11两端的厚度，以使得所述扭矩应变片11的变形尽量都集中在所述扭矩应变片11的中部上。

所述轴向力传递件13固定于所述中心轴中段8上，例如所述中心轴中段8的下端形成有台阶，所述轴向力传递件13设置于台阶上，并且通过中心轴下段14实现轴向力传递件13的固定。

所述轴向力应变片12的一端通过第一铰接轴铰接于所述轴向力传递件13，所述轴向力应变片的另一端通过第二铰接轴铰接于所述轴向力外支撑壳15，并且，所述第一铰接轴和第二铰接轴平行设置，均垂直于所述中心轴中段8的轴线，以当所述中心轴中段8沿其轴向运动时，能够使得轴向力应变片12上产生拉伸或者压缩，以此，当在所述轴向力应变片12上粘贴磁致伸缩材料时，能够实现拉应力的检测。

优选地，所述轴向力应变片12的数量为两个，并且两个轴向力应变片12之间呈180°。更优选地，所述轴向力应变片12的分布方向和扭矩应变片11的分布方向空间垂直。

作为一种优选，所述轴向力应变片12的两端为圆柱部，中间为连接两个圆柱部的连接板，所述连接板的厚度方向与所述第一铰接轴和第二铰接轴平行，所述连接板的宽度方向竖直设置。

两个圆柱部中靠近中心轴中段8的圆柱部上形成有内凹的圆弧形凹槽，并且该圆柱部连接轴向力传递件13的两组连接耳，以实现轴向力应变片12与轴向力传递件13之间的连接。

作为一种实现形式，所述轴向力外支撑壳的侧壁上开设有方孔，所述轴向力应变片12的另一端穿入所述方孔内，第二铰接轴穿过所述方孔，其两端固定于方孔的两个侧壁上。

本发明的中心轴式维间解耦三维力/力矩无线无源传感器，其中心轴上段1、中心轴十字连接滑块7、中心轴中段8和中心轴下段14共同形成本发明的中心轴体结构，各个零件紧密连接用于传递耦合力。

所述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，即可以实现弯曲应力和扭转应力的联合检测。

本发明的一种中心轴式维间解耦三维力/力矩无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的各个分力的大小和方向，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。也可以在机械加工领域，安装在数控机床的刀头位置，实时监测刀具在加工中的受力情况，通过本传感反馈的加工信息，改善加工工艺提高生产效益。

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 (10)

1.一种中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，包括中心轴上段、弯矩上封环、弯矩应变环、弯矩顶杆、弯矩外支撑环、弯矩内支撑环、中心轴中段、扭矩外支撑壳、扭矩传递件、扭矩应变片、轴向力应变片、轴向力传递件、中心轴下段和轴向力外支撑壳；

所述中心轴上段的下方通过万向节连接于中心轴中段的上端；所述中心轴下段的上端固定于所述中心轴中段的下端；

所述轴向力外支撑壳上固定有扭矩外支撑壳，所述扭矩外支撑壳上固定有弯矩外支撑环，所述弯矩外支撑环内设置有弯矩内支撑环，所述弯矩内支撑环设置于所述扭矩外支撑壳上；

在弯矩外支撑环上形成有环形凸起，所述弯矩外支撑环上固定有弯矩上封环，在所述弯矩外支撑环外套设有弯矩应变环；所述弯矩应变环设置于所述环形凸起和弯矩上封环之间；

所述弯矩上封环的下表面上形成有环状凸棱，所述环状凸棱位于所述弯矩外支撑环和弯矩内支撑环之间；

所述弯矩外支撑环相对于弯矩应变环的位置沿其径向开设有多个通孔，所述多个通孔沿所述弯矩外支撑环的周向均匀分布；

所述弯矩内支撑环相对于弯矩外支撑环的通孔的位置处开设有通孔，所述弯矩顶杆可滑动地设置于弯矩外支撑环的通孔以及弯矩内支撑环的通孔内，所述弯矩顶杆的一端与所述中心轴上段接触，所述弯矩顶杆的另一端与所述弯矩应变环接触；在所述弯矩应变环上粘贴磁致伸缩材料；

所述中心轴中段上套设有扭矩传递件，所述扭矩传递件中心位置有一个方形通孔，所述中心轴中段套设有扭矩传递件的部分的截面与所述扭矩传递件的方形通孔的截面相同；所述中心轴中段可滑动地设置于所述扭矩传递件的方形通孔内；

所述扭矩传递件长度方向的两端设置在扭矩外支撑壳和轴向力外支撑壳之间，所述扭矩应变片的一端通过第一销轴铰接于所述扭矩传递件，所述扭矩应变片的数量为2个，并且2个扭矩应变片分别铰接于所述扭矩传递件的宽度方向的两端，且2个扭矩应变片之间的夹角为180°；

所述扭矩应变片的另一端开设有铰接孔，所述铰接孔内可转动地设置有第二销轴，所述第二销轴的上端固定于扭矩支撑外壳，所述第二销轴的下端固定于轴向力外支撑壳；所述第一销轴和第二销轴均与所述中心轴中段的轴心平行；在所述扭矩应变片上粘贴有磁致伸缩材料；

所述轴向力传递件固定于所述中心轴中段上；所述轴向力应变片的一端通过第一铰接轴铰接于所述轴向力传递件，所述轴向力应变片的另一端通过第二铰接轴铰接于所述轴向力外支撑壳，并且，所述第一铰接轴和第二铰接轴平行设置，均垂直于所述中心轴中段的轴线；

所述轴向力应变片的数量为两个，并且两个轴向力应变片之间呈180°，在所述轴向力应变片上粘贴磁致伸缩材料。

2.根据权利要求1所述的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述中心轴上段的下端设置有两个上凸耳，所述上凸耳上开设有通孔，螺钉穿过上凸耳的通孔固定于十字连接滑块上，并使得十字连接滑块可以相对于上凸耳转动；所述两个上凸耳的通孔的轴线在同一直线上；所述中心轴中段的上端设置有两个下凸耳，并且在所述下凸耳上开设有通孔，螺钉穿过下凸耳的通孔固定于十字连接滑块上，并使得十字连接滑块可以相对于下凸耳转动；所述两个下凸耳的通孔的轴线在同一直线上，并且与两个上凸耳的通孔的轴线垂直相交。

3.根据权利要求2所述的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述十字连接滑块呈长方体形，该长方体形长宽相等，高小于长宽；所述十字连接滑块的前后左右四个表面的中心位置均开设有螺纹孔，且四个螺纹孔的轴心在同一平面上。

4.根据权利要求1所述的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述中心轴中段的下端开设有螺纹孔，所述中心轴下段的上端为螺纹轴，并且所述中心轴下段的上端通过螺纹轴和螺纹孔的配合，固定于所述中心轴中段的下端。

5.根据权利要求1所述的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，在所述弯矩内支撑环的下端形成有外法兰，所述外法兰被夹持在扭矩外支撑壳和弯矩外支撑环之间。

6.根据权利要求1所述的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述弯矩外支撑环上所开设的通孔的数量为6个，并且6个通孔在同一水平面上。

7.根据权利要求1所述的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述弯矩顶杆在与中心轴上段的接触端形成有内凹型弧形端面，所述内凹型弧形端面与所述中心轴上段的外壁面相配合。

8.根据权利要求1所述的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述扭矩应变片的中部厚度小于所述扭矩应变片两端的厚度。

9.根据权利要求1所述的中心轴式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述中心轴中段的下端形成有台阶，所述轴向力传递件设置于台阶上，并且通过中心轴下段实现轴向力传递件的固定。

10.根据权利要求1所述的中心轴式传感器，其特征在于，所述轴向力应变片的分布方向和扭矩应变片的分布方向空间垂直。

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