CN112082687B - 维间解耦三维无线无源传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种维间解耦三维无线无源传感器，其包括轴向力应变连接环板、耦合力传递轴、扭矩传递环、扭矩应变片、耦合力承接圆筒、弯矩转换轴、十字滑块和弯矩应变连接环板。本发明能够同时检测出耦合力中的轴向力分量，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。

Description

维间解耦三维无线无源传感器

技术领域

本发明涉及一种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。

现有多维乃至六维力传感器，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三维无线无源传感器，其至少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：一种维间解耦三维无线无源传感器，其包括轴向力应变连接环板、耦合力传递轴、扭矩传递环、扭矩应变片、耦合力承接圆筒、弯矩转换轴、十字滑块和弯矩应变连接环板；

所述轴向力应变连接环板的下表面形成有圆柱部；所述圆柱部与所述轴向力应变连接环板的轴线重合；所述圆柱部上沿其轴心方向开设有横截面为六边形的盲孔；所述盲孔内设置有方轴，所述方轴的上端固定于所述轴向力应变连接环板的下表面上，所述方轴的轴线与所述轴向力应变连接环板的轴线重合；

所述轴向力应变连接环板通过连接板连接于下部圆环，所述连接板的数量为四个，并且四个连接板沿所述轴向力应变连接环板的周向均匀分布；所述四个连接板位于所述圆柱部的外侧；在所述连接板上粘贴磁致伸缩材料；

所述耦合力传递轴固定于所述下部圆环；

所述耦合力传递轴的上端为棱柱；所述棱柱的横截面与所述盲孔的横截面相同，所述棱柱可滑动地插入至所述盲孔内；所述棱柱的中心开设有插入孔，所述插入孔的横截面与所述方轴的横截面相同，所述方轴可滑动地插入至所述插入孔内；

所述耦合力传递轴的下端套设并固定有扭矩传递环，所述扭矩传递环的内孔的横截面为六边形，所述扭矩传递环所固定位置处的耦合力传递轴的横截面与所述扭矩传递环的内孔的横截面相同；

所述耦合力承接圆筒的下端设置有耦合力承接圆板，所述耦合力传递轴的下端穿过耦合力承接圆板，并且从所述耦合力承接圆板的下端伸出；

所述耦合力传递轴伸出耦合力承接圆板的部分上设置有卡簧，所述卡簧贴近所述耦合力承接圆板的下表面，通过卡簧固定耦合力承接圆板和扭矩传递环的轴向位置；

所述扭矩传递环包括上板、下板和连接上板和下板的连接部，所述上板和下板上均开设有销孔，所述上板和下板上所开设的销孔的数量均为三个，并且三个销孔沿所述扭矩传递环的周向均匀分布；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环；所述扭矩应变片的另一端固定于所述耦合力承接圆筒；两个扭矩应变片之间的角度为120°；在所述扭矩应变片的中部的外表面粘贴磁致伸缩材料；

所述弯矩转换轴固定于所述耦合力承接圆板上；所述弯矩转换轴上端轴向位置开有沉孔，所述耦合力承接圆板的下方凸轴和耦合力传递轴的下端伸出于耦合力承接圆板的部分设置于所述弯矩转换轴的沉孔内；

所述耦合力承接圆板的下端开设有一个环形凹槽，所述弯矩应变连接环板包括上部环板、连接部和下部环板；所述上部环板上形成有环形凸起，所述环形凸起位于所述环形凹槽内；所述连接部连接上部环板和下部环板；所述弯矩转换轴和下部环板之间通过万向节连接；在所述连接部上设置有磁致伸缩材料。

可选的，在所述下部圆环和耦合力传递轴上开孔，并通过螺钉将所述耦合力传递轴和下部圆环固定在一起。

可选的，所述连接板的厚度为0.1-2mm。

可选的，所述第一销轴穿过下板的销孔、扭矩应变片的通孔和上板的销孔，并且所述第一销轴的上端和下端分别固定在所述上板的销孔和下板的销孔内。

可选的，所述扭矩应变片的中间厚度小于两端的厚度。

可选的，所述弯矩转换轴固定于所述耦合力承接圆板的下表面上。

可选的，所述下部环板的上表面上设置有两个下凸耳，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滑块上，并使得十字滑块可以相对于下凸耳转动；

所述弯矩转换轴的下表面上设置有两个上凸耳，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滑块上，并使得十字滑块可以相对于上凸耳转动；

所述两个下凸耳的通孔的轴线在同一直线上；所述两个上凸耳的通孔的轴线在同一直线上，并且与两个下凸耳的通孔的轴线垂直相交。

本发明具有如下有益效果：本发明的一种维间解耦三维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，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，通过本维间解耦三维无线无源传感器反馈加工信息，改善加工工艺提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的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是本发明的轴向力受力敏感区结构整体示意图。

图5是本发明的轴向力受力敏感区立体结构爆炸剖视图。

图6是本发明的扭转力受力敏感应变区结构整体示意图。

图7是本发明的扭转力受力敏感区立体结构整体示意图。

图8是本发明的扭转力受力敏感区结构整体爆炸图

图9是本发明的弯曲力受力敏感区结构整体示意图。

图10是本发明的弯曲力受力敏感区结构整体爆炸图。

图中标记示意为：1-轴向力应变连接环板；2-耦合力传递轴；3-扭矩传递环；4-扭矩应变片；5-耦合力承接圆筒；6-弯矩转换轴；7-十字滑块；8-弯矩应变连接环板。

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三维无线无源传感器，即一种空竹型维间解耦三维无线无源传感器，其包括轴向力应变连接环板1、耦合力传递轴2、扭矩传递环3、扭矩应变片4、耦合力承接圆筒5、弯矩转换轴6、十字滑块7和弯矩应变连接环板8。

所述轴向力应变连接环板1，其上端开有4个螺纹连接孔，用以连接外界待检测部位。

所述轴向力应变连接环板1的下表面向下延伸，形成有圆柱部；优选地，所述圆柱部与所述轴向力应变连接环板的轴线重合；所述圆柱部上沿其轴心方向开设有横截面为六边形的盲孔；优选地，所述六边形为正六边形；所述方轴的上端固定于所述轴向力应变连接环板的下表面上，并且位于所述盲孔内；本实施例中，所述方轴的轴线也与所述轴向力应变连接环板的轴线重合。

所述轴向力应变连接环板1还通过连接板连接于下部圆环，本实施例中，所述连接板的数量为四个，并且四个连接板沿所述轴向力应变连接环板1的周向均匀分布；优选地，所述四个连接板位于所述圆柱部的外侧。

所述耦合力传递轴2固定于所述下部圆环，例如，可以在所述下部圆环和耦合力传递轴上开孔，并通过螺钉将所述耦合力传递轴2和下部圆环固定在一起。

本实施例中，所述连接板的厚度较薄，例如为0.1-2mm，以使得所述连接板在轴向力的作用下可以发生应变，并通过在所述连接板上粘贴磁致伸缩材料，实现轴向力的检测。

所述耦合力传递轴2的上端为横截面为六边形的棱柱；即，所述棱柱的横截面与所述盲孔的横截面相同，以使得所述棱柱能够被可滑动地插入至所述盲孔内；更优选地，所述棱柱的中心开设有横截面为方形的插入孔，即所述插入孔的横截面与所述方轴的横截面相同，在所述棱柱被可滑动地插入至所述盲孔内时，所述方轴被可滑动地插入至所述插入孔内，从而使得耦合力传递轴2和轴向力应变连接环板1之间可以发生轴向位移并且不发生相对转动，保证耦合力当中的弯扭力矩成分顺利向下传递。

所述耦合力传递轴2的下端套设并固定有扭矩传递环3，本实施例中，所述扭矩传递环3的内孔的横截面为六边形，此时，所述扭矩传递环3所固定位置处的耦合力传递轴2的横截面与所述扭矩传递环3的内孔的横截面相同。

所述耦合力承接圆筒5的下端设置有耦合力承接圆板，所述耦合力传递轴2的下端穿过耦合力承接圆板，并且从所述耦合力承接圆板的下端伸出。

所述耦合力传递轴2伸出耦合力承接圆板的部分上设置有卡簧，所述卡簧贴近所述耦合力承接圆板的下表面，以通过卡簧固定耦合力承接圆板和扭矩传递环的轴向位置，从而使得耦合力传递轴2和耦合力承接圆筒5之间能传递轴向分力和弯曲分力，但是不限制扭转分力。

所述扭矩传递环3包括上板、下板和连接上板和下板的连接部，所述上板和下板上均开设有销孔，所述上板和下板上所开设的销孔的数量均为三个，并且三个销孔沿所述扭矩传递环3的周向均匀分布；所述扭矩应变片4的一端通过第一销轴铰接于所述扭矩传递环3，即，所述第一销轴穿过下板的销孔、扭矩应变片4的通孔和上板的销孔，并且所述第一销轴的上端和下端分别固定在所述上板的销孔和下板的销孔内。

所述扭矩应变片的另一端通过第二销轴固定于所述耦合力承接圆筒5，由此，所述耦合力传递轴2、扭矩传递环3、扭矩应变片4和耦合力承接圆筒共同构成了扭转分力敏感区；优选地，所述第一销轴和第二销轴平行设置，均平行于所述耦合力传递轴2的轴线。

所述扭矩应变片4的中间厚度小于两端的厚度，并且两个扭矩应变片4之间的角度为120°，由此，3个扭矩应变片4与耦合力承接圆筒通过螺栓固定在3组同轴孔位中，并使得所述扭矩传递环3、扭矩应变片4和耦合力承接圆筒整体上形成一个类似风扇的结构。

当耦合力传递轴2将扭转分力传递到扭矩传递环3上后，扭矩传递环3再通过滑销和螺栓，将扭矩经过三个扭矩应变片4传递到耦合力承接圆筒的外壁，从而通过扭矩应变片能够将扭转分力转换成扭矩应变片4所受的拉力。再由于扭矩应变片4的中部强度较低受到拉力时有较大应变，在所述扭矩应变片4的中部的外表面粘贴磁致伸缩材料，用以实现动态检测。

所述耦合力承接圆板、弯矩转换轴6、十字滑块7和弯矩应变连接环板8共同组成了弯曲分力敏感区。

所述弯矩转换轴6固定于所述耦合力承接圆板上，例如所述弯矩转换轴6固定于所述耦合力承接圆板的下表面上。

所述弯矩转换轴6上端轴向位置开有沉孔，所述耦合力承接圆板的下方凸轴和耦合力传递轴2的下端伸出于耦合力承接圆板的部分设置于所述弯矩转换轴6的沉孔内。

所述耦合力承接圆板的下端开设有一个环形凹槽，所述弯矩应变连接环板8包括上部环板、连接部和下部环板；所述上部环板上形成有环形凸起，所述环形凸起位于所述环形凹槽内；所述连接部连接上部环板和下部环板；所述弯矩转换轴6和下部环板8之间通过万向节连接。

作为一个实现形式，所述下部环板的上表面上设置有两个下凸耳，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滑块7上，并使得十字滑块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。

此时，所述弯矩转换轴6的下表面上设置有两个上凸耳，相似地，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滑块7上，并使得十字滑块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，并且与两个下凸耳的通孔的轴线垂直相交。

所述弯矩应变连接环板8的连接部的厚度较薄，例如为0.1-2mm，以使得所述连接部易于发生形变。并通过在所述连接板上粘贴磁致伸缩材料，实现弯曲分力的检测。

本实施例中，所述轴向力应变连接环板1、耦合力传递轴2、耦合力承接圆板、弯矩转换轴6和弯矩应变连接环板8的中心轴体部分相互连接紧密配合。将耦合力中的无关分力沿中心轴线依次向下传递，构成了中心轴式的整体布局。

本发明的维间解耦三维无线无源传感器大体分为三个部分：轴向力受力敏感区；扭转力受力敏感区；弯曲力受力敏感区。三个区域依次排列，彼此配合，共同实现传感器的三维力/力矩矩响应，维间解耦功能和无线无源特性。

由此，本发明的维间解耦三维无线无源传感器能够同时检测出耦合力中的轴向力，垂直于轴向的弯曲力以及平行于截面方向的扭转力的大小，实现了机械解耦，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。

本发明的维间解耦三维无线无源传感器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，通过本发明的维间解耦三维无线无源传感器反馈加工信息，改善加工工艺提高生产效率。

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 (6)

1.一种维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，包括轴向力应变连接环板、耦合力传递轴、扭矩传递环、扭矩应变片、耦合力承接圆筒、弯矩转换轴、十字滑块和弯矩应变连接环板；

所述轴向力应变连接环板的下表面形成有圆柱部；所述圆柱部与所述轴向力应变连接环板的轴线重合；所述圆柱部上沿其轴心方向开设有横截面为六边形的盲孔；所述盲孔内设置有方轴，所述方轴的上端固定于所述轴向力应变连接环板的下表面上，所述方轴的轴线与所述轴向力应变连接环板的轴线重合；

所述轴向力应变连接环板通过连接板连接于下部圆环，所述连接板的数量为四个，并且四个连接板沿所述轴向力应变连接环板的周向均匀分布；所述四个连接板位于所述圆柱部的外侧；在所述连接板上粘贴磁致伸缩材料；

所述耦合力传递轴固定于所述下部圆环；

所述耦合力传递轴的上端为棱柱；所述棱柱的横截面与所述盲孔的横截面相同，所述棱柱可滑动地插入至所述盲孔内；所述棱柱的中心开设有插入孔，所述插入孔的横截面与所述方轴的横截面相同，所述方轴可滑动地插入至所述插入孔内；

所述耦合力传递轴的下端套设并固定有扭矩传递环，所述扭矩传递环的内孔的横截面为六边形，所述扭矩传递环所固定位置处的耦合力传递轴的横截面与所述扭矩传递环的内孔的横截面相同；

所述耦合力承接圆筒的下端设置有耦合力承接圆板，所述耦合力传递轴的下端穿过耦合力承接圆板，并且从所述耦合力承接圆板的下端伸出；

所述耦合力传递轴伸出耦合力承接圆板的部分上设置有卡簧，所述卡簧贴近所述耦合力承接圆板的下表面，通过卡簧固定耦合力承接圆板和扭矩传递环的轴向位置；

所述扭矩传递环包括上板、下板和连接上板和下板的连接部，所述上板和下板上均开设有销孔，所述上板和下板上所开设的销孔的数量均为三个，并且三个销孔沿所述扭矩传递环的周向均匀分布；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环；所述扭矩应变片的另一端固定于所述耦合力承接圆筒；两个扭矩应变片之间的角度为120°；在所述扭矩应变片的中部的外表面粘贴磁致伸缩材料；

所述弯矩转换轴固定于所述耦合力承接圆板上；所述弯矩转换轴上端轴向位置开有沉孔，所述耦合力承接圆板的下方凸轴和耦合力传递轴的下端伸出于耦合力承接圆板的部分设置于所述弯矩转换轴的沉孔内；

所述耦合力承接圆板的下端开设有一个环形凹槽，所述弯矩应变连接环板包括上部环板、连接部和下部环板；所述上部环板上形成有环形凸起，所述环形凸起位于所述环形凹槽内；所述连接部连接上部环板和下部环板；所述弯矩转换轴和下部环板之间通过万向节连接；在所述连接部上设置有磁致伸缩材料。

2.根据权利要求1所述的维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，在所述下部圆环和耦合力传递轴上开孔，并通过螺钉将所述耦合力传递轴和下部圆环固定在一起。

3.根据权利要求1所述的维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述连接板的厚度为0.1-2mm。

4.根据权利要求1所述的维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述第一销轴穿过下板的销孔、扭矩应变片的通孔和上板的销孔，并且所述第一销轴的上端和下端分别固定在所述上板的销孔和下板的销孔内。

5.根据权利要求1所述的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间厚度小于两端的厚度。

6.根据权利要求1所述的维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述弯矩转换轴固定于所述耦合力承接圆板的下表面上。

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