CN112729654B - 四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其包括：传感器承力接头、弯扭传递轴、关节球轴承内环、关节球轴承外环、上弯扭拨杆、下弯扭拨杆、弯矩支撑板、第一弯矩传递杆、第二弯矩传递杆、第三弯矩传递杆、弯矩传递支撑杆、弯矩中心支撑螺纹杆、弯矩承力体、弯矩形变体、弯扭固定螺纹杆、扭矩传递轴、第一拉压传递圆板、支撑圆筒、第二拉压传递圆板、弯扭固定螺纹杆、拉压形变体、第一支撑圆板、下部支撑圆筒、第二支撑圆板、扭矩传递板、支撑球头螺纹杆和扭矩形变体。本发明能够同时检测出耦合力中的弯曲力分量和拉压力分量；可大大减少输出数据时需要繁多的有线传输的问题，也大大促进了信息传递的简易性。

Description

四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器

技术领域

本发明涉及一种四爪万向节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

传感器是一种能感受规定的被测量并且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可以同时检测两个方向及以上力和力矩信息的测力传感器，广泛应用于智能机器、工业制造、医疗卫生以及生物工程等领域。

现阶段的三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。当力作用在传感器上时，传感器内的弹性元件发生变形，同时安装在其上面的应变敏感元件也发生变形，应变敏感元件的阻值随之变化，接着由变换电路将阻值变化变换成电压变化输出，由此可以根据电压变化量来确定力的大小。

但是就现有的技术而言，对于当传感器同时承受弯曲应力、扭转力和拉压应力的情况时，现在的解决方法往往是通过将应变片组成桥路进行补偿以及解耦，在机械结构上并不具备实现弯曲应力和拉压应力的解耦能力。

现有三维传感器，由于其本身的结构特性，要求必须使用导线实时监测电压变化，即使使用无线电进行信息传递，但是其电池所含容量有限，故无法实现无限无源的长期动态监测信号变化。

发明内容

本发明目的是提供一种四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其实现了机械解耦，并能够对扭转力、垂直于轴向的弯曲力和拉压应力所形成的耦合力进行测量，并分别求解出。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其包括：传感器承力接头、弯扭传递轴、关节球轴承内环、关节球轴承外环、上弯扭拨杆、下弯扭拨杆、弯矩支撑板、第一弯矩传递杆、第二弯矩传递杆、第三弯矩传递杆、弯矩传递支撑杆、弯矩中心支撑螺纹杆、弯矩承力体、弯矩形变体、弯扭固定螺纹杆、扭矩传递轴、第一拉压传递圆板、支撑圆筒、第二拉压传递圆板、弯扭固定螺纹杆、拉压形变体、第一支撑圆板、下部支撑圆筒、第二支撑圆板、扭矩传递板、支撑球头螺纹杆和扭矩形变体；

所述传感器承力接头固定于所述弯扭传递轴的顶部；所述弯扭传递轴的中部套设有所述关节球轴承内环；

所述上弯扭拨杆的上端固定于所述弯扭传递轴的下端，所述关节球轴承外环的内表面和所述关节球轴承内环的外表面接触配合；所述关节球轴承外环设置于所述第一拉压传递圆板的中心沉孔的端面上，并且通过设置于所述第一拉压传递圆板的中心沉孔内的挡圈限制所述关节球轴承外环的轴向位置；

所述上弯扭拨杆的下端与所述第一弯矩传递杆的上端铰接；所述第一弯矩传递杆的下端与所述第二弯矩传递杆的一端铰接，所述第二弯矩传递杆的中部与所述弯矩传递支撑杆铰接；所述第二弯矩传递杆的另一端与所述第三弯矩传递杆的上端铰接；所述第三弯矩传递杆的下端沿竖直方向形成有滑槽，第五销穿过所述第三弯矩传递杆的滑槽，将所述第三弯矩传递杆铰接于所述弯矩承力体的侧部；

所述弯矩中心支撑螺纹杆的下端固定于所述弯矩承力体，所述弯矩中心支撑螺纹杆的上端固定有弯矩支撑板，

所述弯矩承力体固定于所述弯矩形变体的上端，所述弯矩形变体的下端固定于所述扭矩传递轴，所述弯矩形变体侧壁上贴有磁致伸缩材料；

所述下弯扭拨杆的下端固定于所述弯矩支撑板，沿传感器承力接头的周向，所述上弯扭拨杆和下弯扭拨杆交替设置，并相互接触；

所述弯矩传递支撑杆的上端固定于所述弯矩支撑板；所述弯扭固定螺纹杆穿过所述弯矩支撑板的外部分支上的通孔，将所述弯矩支撑板固定于所述扭矩传递轴；

所述扭矩传递轴上套设有所述第二拉压传递圆板和所述第一支撑圆板；

所述第一拉压传递圆板固定于所述支撑圆筒的上端，所述支撑圆筒的下端固定于所述第二拉压传递圆板；

所述第二拉压传递圆板和所述第一支撑圆板上均开设有通孔，所述弯扭固定螺纹杆的一端穿过所述第二拉压传递圆板和所述第一支撑圆板的通孔，位于所述第一支撑圆板的外部，并且位于所述第一支撑圆板外部的所述弯扭固定螺纹杆上设置有螺母，所述螺母不与所述第一支撑圆板的下表面接触；

所述拉压形变体的上端固定于所述第二拉压传递圆板，所述拉压形变体的下端固定于所述第一支撑圆板，所述拉压形变体侧壁上贴有磁致伸缩材料；

所述第一支撑圆板固定于所述下部支撑圆筒的上端，所述下部支撑圆筒的下端固定于所述第二支撑圆板；

所述第二支撑圆板的中心开设有沉孔，所述支撑球头螺纹杆的一端形成有球头，所述支撑球头螺纹杆的另一端形成为螺纹段，所述支撑球头螺纹杆的球头设置于所述第二支撑圆板的沉孔内；

所述扭矩传递轴的下端穿过所述拉压形变体，所述扭矩传递板可滑动地设置于所述扭矩传递轴的下端，并由所述扭矩传递轴带动所述扭矩传递板转动；

所述扭矩传递板上开设有螺纹孔，所述支撑球头螺纹杆的螺纹端固定于所述扭矩传递板的螺纹孔内，并使得所述支撑球头螺纹杆与扭矩传递轴的轴线之间形成夹角；

所述扭矩形变体的一端通过扭矩形变片限位销固定于所述第二支撑圆板，所述扭矩形变体的另一端可转动地设置于所述支撑球头螺纹杆，所述扭矩形变体侧壁上贴有磁致伸缩材料。

可选的，所述传感器承力接头的中部形成有沉孔，所述弯扭传递轴的顶部插入于所述传感器承力接头的沉孔内。

可选的，所述弯扭传递轴上形成有轴肩，所述关节球轴承内环设置于所述弯扭传递轴的轴肩上，并且通过安装在所述弯扭传递轴上的轴用挡圈以及弯扭传递轴的轴肩限制关节球轴承内环的轴向位置。

可选的，所述上弯扭拨杆的数量为四个，并且沿所述弯扭传递轴的周向均匀分布。

可选的，所述第一弯矩传递杆、所述第二弯矩传递杆和所述第三弯矩传递杆的数量均为4个，所述第一弯矩传递杆、所述第二弯矩传递杆和所述第三弯矩传递杆以所述传感器承力接头的轴心线为中心，间隔90°设置。

可选的，所述弯矩承力体形成有四个侧部，并且四个侧部与四个第三弯矩传递杆对应设置。

本发明具有如下有益效果：本发明的四爪万向节式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扭转力分量、弯曲力分量和拉压力分量，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；应用在智能机器、生物以及医学领域，可大大减少传感器输出数据时需要繁多的有线传输的问题，也大大促进了信息传递的简易性。

附图说明

图1是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器立体结构示意图。

图2是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器立体结构剖视图。

图3是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的立体结构零件拆解图。

图4是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的立体结构零件拆解剖视图。

图5是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的弯曲力受力敏感区的立体结构剖视图。

图6是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的弯曲力受力敏感区的立体结构零件拆解图。

图7是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的拉压力受力敏感区的立体结构剖视图。

图8是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的拉压力受力敏感区的立体结构零件拆解图。

图9是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的扭转力受力敏感区的立体结构剖视图。

图10是本发明的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的扭转力受力敏感区的立体结构零件拆解图。

图中标记示意为：1-传感器承力接头；2-弯扭传递轴；3-关节球轴承内环；4-关节球轴承外环；5-上弯扭拨杆；6-下弯扭拨杆；7-弯矩支撑板；8-第一弯矩传递杆；9-第二弯矩传递杆；10-第三弯矩传递杆；11-弯矩传递支撑杆；12-弯矩中心支撑螺纹杆；13-弯矩承力体；14-弯矩形变体；15-弯扭固定螺纹杆；16-扭矩传递轴；17-第一拉压传递圆板；18-支撑圆筒；19-第二拉压传递圆板；20-弯扭固定螺纹杆；21-拉压形变体；22-第一支撑圆板。23-下部支撑圆筒；24-第二支撑圆板；25-扭矩传递轴承；26-扭矩传递板；27-扭矩支撑球头螺纹杆；28-扭矩形变体；29-扭矩形变片限位销。

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四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，包括：传感器承力接头1、弯扭传递轴2、关节球轴承内环3、关节球轴承外环4、上弯扭拨杆5、下弯扭拨杆6、弯矩支撑板7、第一弯矩传递杆8、第二弯矩传递杆9、第三弯矩传递杆10、弯矩传递支撑杆11、弯矩中心支撑螺纹杆12、弯矩承力体13、弯矩形变体14、弯扭固定螺纹杆15、扭矩传递轴16、第一拉压传递圆板17、支撑圆筒18、第二拉压传递圆板19、弯扭固定螺纹杆20、拉压形变体21、第一支撑圆板22、下部支撑圆筒23、第二支撑圆板24、扭矩传递板26、支撑球头螺纹杆27和扭矩形变体28；

所述传感器承力接头1为四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的输入端，承受弯曲力、扭转力和拉压力；所述传感器承力接头1可与被测量端连接；并且固定于所述弯扭传递轴2的顶部，例如，所述传感器承力接头1的中部形成有沉孔，所述弯扭传递轴2的顶部插入于所述传感器承力接头1的沉孔内，以实现所述传感器承力接头1和弯扭传递轴2的连接。

尤其是，可以通过螺钉将所述传感器承力接头1和弯扭传递轴2相固定，例如，所述传感器承力接头1上开设有通孔，所述弯扭传递轴2上开设有螺纹孔，螺钉穿过所述传感器承力接头1的通孔，拧入所述弯扭传递轴2的螺纹孔内，以实现传感器承力接头1和弯扭传递轴2的固定。

所述弯扭传递轴2的中部套设有所述关节球轴承内环3，例如，所述弯扭传递轴2上形成有轴肩，所述关节球轴承内环3设置于所述弯扭传递轴2的轴肩上，并且通过安装在所述弯扭传递轴2上的轴用挡圈以及弯扭传递轴2的轴肩限制关节球轴承内环3的轴向位置。

所述弯扭传递轴2的下端固定有上弯扭拨杆5的上端，本实施例中，所述上弯扭拨杆5的数量为四个，并且沿所述弯扭传递轴2的周向均匀分布。优选地，所述弯扭传递轴2和上弯扭拨杆5通过螺钉连接。

所述关节球轴承外环4的内表面和所述关节球轴承内环3的外表面接触配合；所述关节球轴承外环4设置于所述第一拉压传递圆板17的中心沉孔的端面上，并且通过设置于所述第一拉压传递圆板17的中心沉孔内的挡圈限制所述关节球轴承外环4的轴向位置。

所述上弯扭拨杆5的下端通过第一销与所述第一弯矩传递杆8的上端铰接；所述第一弯矩传递杆8的下端通过第二销与所述第二弯矩传递杆9的一端铰接，所述第二弯矩传递杆9的中部通过第三销与所述弯矩传递支撑杆11铰接；所述第二弯矩传递杆9的另一端通过第四销与所述第三弯矩传递杆10的上端铰接；所述第三弯矩传递杆10的下端沿所述第三弯矩传递杆10的长度方向(竖直方向)形成有滑槽，第五销穿过所述第三弯矩传递杆10的滑槽，将所述第三弯矩传递杆10铰接于所述弯矩承力体13的侧部。

其中，所述第一销、第二销、第三销、第四销和第五销相互平行设置。

优选地，所述第一弯矩传递杆8、所述第二弯矩传递杆9和所述第三弯矩传递杆10的数量均为4个，以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔90°设置。

所述弯矩中心支撑螺纹杆12的下端连接于所述弯矩承力体13，例如，所述弯矩承力体13的中心位置形成沉孔，所述弯矩中心支撑螺纹杆12的下端插入于所述弯矩承力体13的沉孔内，用以抵消所述第三弯矩传递杆10拉动所述弯矩承力体13时产生的径向力，即所述弯矩承力体13在拉动时会发生倾斜，由此产生径向力，但所述弯矩形变体14只受轴向力，所以径向力需被抵消。

所述弯矩中心支撑螺纹杆12的上端固定有弯矩支撑板7，例如所述弯矩支撑板7的下表面的中心位置形成有螺纹孔，所述弯矩中心支撑螺纹杆12的上端形成为螺纹段，以通过将所述弯矩中心支撑螺纹杆12的螺纹段拧入螺纹孔的方式，将所述弯矩支撑板7固定于所述弯矩中心支撑螺纹杆12。

所述弯矩承力体13固定于所述弯矩形变体14的上端，所述弯矩形变体14的下端固定于所述扭矩传递轴16，所述弯矩形变体14侧壁上贴有磁致伸缩材料。

所述下弯扭拨杆6的下端固定于所述弯矩支撑板7，例如通过螺钉将下弯扭拨杆6和弯矩支撑板7相固定；所述上弯扭拨杆5将弯矩传递给所述第一弯矩传递杆8转为拉压应力；所述上弯扭拨杆5和所述下弯扭拨杆6皆为圆柱形且倾斜放置，由此，沿传感器承力接头1的周向，所述上弯扭拨杆5和下弯扭拨杆6交替设置，并相互接触，而且上弯扭拨杆5和下弯扭拨杆6接触时为点接触，不会干扰弯矩，由此将弯矩和扭矩解耦。

其中，所述弯矩传递支撑杆11的上端固定于所述弯矩支撑板7，例如所述弯矩支撑板7上形成有螺纹孔，所述弯矩传递支撑杆11的上端形成为螺纹部，以通过将所述弯矩传递支撑杆11的螺纹部拧入所述弯矩支撑板7的螺纹孔内的方式，实现弯矩传递支撑杆11和弯矩支撑板7的固定，由此使得所述弯矩传递支撑杆11能够为所述第二弯矩传递杆9的传递弯矩时的转动提供支点。

优选的，所述弯矩传递支撑杆11的数量为4，以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔90°设置。

优选地，所述弯矩支撑板7圆板部分上的通孔和外部分支上的通孔在同一半径上，数量均为4个，且以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔90°设置；所述弯矩支撑板7下表面有1个螺纹孔在中心位置，另有四个螺纹孔以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔90°设置；所述弯矩支撑板7圆板部分上的通孔所在半径与下表面的螺纹孔所在半径呈45°分布；

所述弯矩承力体13形成有四个侧部，并与四个第三弯矩传递杆10对应设置；即以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔90°设置。

作为一种实现形式，所述弯矩形变体14的上部螺纹孔通过螺栓与所述弯矩承力体13的中心位置沉孔连接固定；所述弯矩形变体14的下部通孔通过螺栓与所述扭矩传递轴16上表面中间位置的螺纹孔连接固定。

也就是说，当所述第三弯矩传递杆10带动所述弯矩承力体13运动时，所述弯矩承力体13会向上发生运动与所述弯矩形变体14之间发生干涉，使得所述弯矩形变体14发生形变，此时所述弯矩形变体14上覆盖有磁致伸缩材料，以通过磁致伸缩材料的变形检测传感器所承受的弯矩力，解决了长期动态监测的问题。

所述弯扭固定螺纹杆15穿过所述弯矩支撑板7的外部分支上的通孔，将所述弯矩支撑板7固定于所述扭矩传递轴16，例如所述扭矩传递轴16的上表面开设有螺纹孔，所述螺纹杆15的下端拧入所述螺纹孔内。

优选地，所述弯扭固定螺纹杆15的数量为4，以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔90°设置。

所述扭矩传递轴16上套设有所述第二拉压传递圆板19和所述第一支撑圆板22，所述扭矩传递轴16上形成有轴肩，所述扭矩传递轴16的轴肩与所述第二拉压传递圆板19的上表面接触，用以抵抗弯矩。

优选地，所述扭矩传递轴16的上表面外圈螺纹孔的数量为4，以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔90°设置；所述扭矩传递轴16的上表面中间位置的螺纹孔的数量为2，以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔180°设置。

所述第一拉压传递圆板17固定于所述支撑圆筒18的上端，所述支撑圆筒18的下端固定于所述第二拉压传递圆板19；例如，所述第一拉压传递圆板17、支撑圆筒18和第二拉压传递圆板19均开设有通孔，螺钉穿过所述第一拉压传递圆板17、支撑圆筒18和第二拉压传递圆板19的通孔，将所述第一拉压传递圆板17、支撑圆筒18和第二拉压传递圆板19相固定。

优选地，所述第一拉压传递圆板17的通孔和所述支撑圆筒18的通孔的数量为6，以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔60°设置。

所述第二拉压传递圆板19和所述第一支撑圆板22上均开设有通孔，所述弯扭固定螺纹杆20的一端穿过所述第二拉压传递圆板19和所述第一支撑圆板22的通孔，位于所述第一支撑圆板22的外部，并且位于所述第一支撑圆板22外部的所述弯扭固定螺纹杆上设置有螺母，所述螺母不与所述第一支撑圆板22的下表面接触，为所述第二拉压传递圆板19受到拉压的轴向移动提供距离；所述弯扭固定螺纹杆20使所述第二拉压传递圆板19和所述第一支撑圆板22只有轴向的相对移动，受到弯矩时，不会有相对移动。

所述拉压形变体21的上端固定于所述第二拉压传递圆板19，所述拉压形变体21的下端固定于所述第一支撑圆板22，所述拉压形变体21侧壁上贴有磁致伸缩材料。

优选地，所述拉压形变体21的数量为2，以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔180°设置。

也就是说，当所述第二拉压传递圆板19受到拉压力，继而相对所述第一支撑圆板22产生轴向移动时，所述第二拉压传递圆板19与所述拉压形变体21之间发生干涉，使得所述拉压形变体21发生形变，此时所述拉压形变体21上覆盖有磁致伸缩材料，以通过磁致伸缩材料的变形检测传感器所承受的拉压力，解决了长期动态监测的问题。

所述第一支撑圆板22固定于所述下部支撑圆筒23的上端，所述下部支撑圆筒23的下端固定于所述第二支撑圆板24，优选地，所述第一支撑圆板22、下部支撑圆筒23和第二支撑圆板24均开设有通孔，螺钉穿过所述第一支撑圆板22、下部支撑圆筒23和第二支撑圆板24的通孔，将第一支撑圆板22、下部支撑圆筒23和第二支撑圆板24相固定。

优选地，所述第一支撑圆板22、下部支撑圆筒23和第二支撑圆板24的通孔的数量为6个，并且所述通孔以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔60°设置。

所述第二支撑圆板24的中心开设有沉孔，所述支撑球头螺纹杆27的一端形成有球头，所述支撑球头螺纹杆27的另一端形成为螺纹段，所述支撑球头螺纹杆27的球头设置于所述第二支撑圆板24的沉孔内，以通过所述第二支撑圆板24的沉孔为所述支撑球头螺纹杆27的球头提供支撑作用并能够转动；

所述扭矩传递轴16的下端穿过所述拉压形变体21，所述扭矩传递板26可滑动地设置于所述扭矩传递轴16的下端，并由所述扭矩传递轴16带动所述扭矩传递板26转动；所述扭矩传递板26上开设有螺纹孔，所述支撑球头螺纹杆27的螺纹端固定于所述扭矩传递板26的螺纹孔内，并使得所述支撑球头螺纹杆27与扭矩传递轴16的轴线之间形成夹角，优选地，所述夹角可以为15-45°。

所述扭矩形变体28的一端通过扭矩形变片限位销29固定于所述第二支撑圆板，所述扭矩形变体28的另一端可转动地设置于所述支撑球头螺纹杆27，例如，所述扭矩支撑球头螺纹杆27的中间轴段攻有螺纹，套有所述扭矩形变体28，并有螺母上下限制，使所述扭矩形变体28能相对转动，使所述扭矩形变体28只能在所述扭矩支撑球头螺纹杆27带动下转动；所述扭矩形变体28侧壁上贴有磁致伸缩材料。

优选地，当所述扭矩传递板26受到扭矩产生转动时，所述扭矩支撑球头螺纹杆27和所述扭矩形变体28之间发生干涉，使得所述扭矩形变体28发生变形，此时所述扭矩形变体28上覆盖有磁致伸缩材料，以通过磁致伸缩材料的变形检测传感器所承受的扭转力，解决了长期动态监测的问题。

本实施例中，所述扭矩传递板26上开设有竖向的容置槽，所述扭矩传递轴承25与所述扭矩传递轴16的下端固定，例如，所述扭矩传递轴16的下端的侧部形成为侧平面，所述扭矩传递轴承25的内环通过固定轴固定于所述扭矩传递轴16的下端的侧平面，并且该固定轴沿所述扭矩传递轴16的径向设置；所述扭矩传递轴承25的外环与所述扭矩传递板26的容置槽的侧壁接触。

另一方面，所述扭矩传递轴承25位于所述扭矩传递板26的容置槽，从而一方面所述扭矩传递轴承25使得所述扭矩传递轴16受到拉压应力时能够相对于所述扭矩传递板26滑动，继而不会影响扭矩的传递，另一方面，当所述扭矩传递轴16转动时，能够通过扭矩传递轴承25带动所述扭矩传递板26转动。由于所述扭矩传递轴承25和所述扭矩传递板26的容置槽，使得扭矩的传递不受拉压应力的影响，从而实现解耦。

优选地，所述扭矩传递轴承25分布在下端侧面同一平面，且数量为2，相邻分布。

所述扭矩传递板26与所述扭矩传递轴16和所述扭矩传递轴承25相接触配合，由于所述扭矩传递轴承25，所述扭矩传递轴16可向所述扭矩传递板26传递扭矩。

由此，当本实施例的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器在使用时，可以将上端的所述传感器承力接头1，以及下端的所述第二支撑圆板24固定于待测件，由此，也就是说，本实施例中，所述传感器承力接头1为所述四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器的拉压应力、弯曲应力以及扭转应力的输入端。

当所述四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器受到耦合力时，弯曲分力作用在所述传感器承力接头1，以所述关节球轴承内环3和所述关节球轴承外环4为支点，弯矩传递并依次通过所述弯扭传递轴2、所述第一弯矩传递杆8、所述第二弯矩传递杆9、所述第三弯矩传递杆10和所述弯矩承力体13，由于最后使得所述弯矩形变体14产生形变，所述弯矩形变体14的表面薄面覆盖磁致伸缩材料，耦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、图3、图5和图6，可见所受弯曲力并未对拉压力以及扭转力的力敏区域产生应力变化，即所述拉压形变体21以及所述扭矩形变体28本身未发生形变。

本实施例中，所述四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器将弯矩转化为拉力，由于所述第三弯矩传递杆10下部有滑槽的存在，使所述弯矩承力体13只能受到一个或两个所述第三弯矩传递杆10的拉力，另外的两个或三个受到压力时不会对所述弯矩承力体13有压力传递。

当所述四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器受到耦合力时，拉压分力作用在所述传感器承力接头1，通过所述关节球轴承内环3和所述关节球轴承外环4为连接点，将拉压力传递到所述第一拉压传递圆板17，并依次通过所述上部支撑圆筒18、所述第二拉压传递圆板19，由于所述第一支撑圆板22的轴向限制，最后使得所述拉压形变体21产生形变，所述拉压形变体21的表面薄面覆盖磁致伸缩材料，耦合力中的拉压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、图3、图7和图8，可见所受拉压力并未对弯曲力以及扭转力的力敏区域产生应力变化，即所述弯矩形变体14以及所述扭矩形变体28本身未发生形变。

当所述四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器受到耦合力时，扭转分力作用在所述传感器承力接头1，通过固定连接将扭转力传递到所述弯扭传递轴2、所述上弯扭拨杆5、所述下弯扭拨杆6、所述弯矩支撑板7，通过所述扭矩传递螺纹杆15与所述扭矩传递轴16固定连接，扭矩传递到所述扭矩传递轴16，通过所述扭矩传递轴承25将扭矩传递到所述扭矩传递板26和所述扭矩支撑球头螺纹杆27，所述扭矩支撑球头螺纹杆27受到扭矩发生转动时，所述扭矩支撑球头螺纹杆27与所述扭矩形变体28连接点到所述扭矩形变体28与所述扭矩形变片限位销29的连接点的距离会发生变化，继而在所述扭矩形变体28上产生形变，所述扭矩形变体28的表面薄面覆盖磁致伸缩材料，耦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1、图3、图9和图10，可见所受扭转力并未对弯曲力以及拉压力的力敏区域产生应力变化，即所述弯矩形变体14以及所述拉压形变体21本身未发生形变。

所述传感器承力接头1受到弯矩力、拉压力和扭转力，由于所述关节球轴承内环3和所述关节球轴承外环4组成的关节球结构，使拉压应力从所述第一拉压传递圆板17传递到所述拉压形变体21，同时由于所述上部拉压传递刚体和所述下部支撑刚体，拉压应力不会影响所述弯矩形变体14和所述扭矩形变体28；弯矩力和扭转力传递到所述上弯扭拨杆5，将扭转力传递到所述下弯扭拨杆6，弯矩力传递到所述第一弯矩传递杆8；由于所述扭矩传递螺纹杆15，使所述弯矩形变体14不受扭矩力的影响，将扭转力传递到所述扭矩传递轴16，同时也将弯矩力全部由所述弯矩形变体14承受；由于所述弯扭固定螺纹杆20使所述拉压形变体21不受弯矩力和扭转力的影响；所述扭矩传递螺纹杆15的螺栓头与螺母之间距离大于所述第二拉压传递圆板19和所述第一支撑圆板22的距离，即存在轴向余量，并且由于所述扭矩传递轴承25会使即使受到扭矩的所述扭矩传递轴16与所述扭矩传递板26容置槽的摩擦很小，使所述第二拉压传递圆板19向所述拉压形变体21传递拉压应力产生轴向运动与所述扭矩传递轴16向所述扭矩传递板26传递扭矩时不会相互影响。

本发明的四爪万向节式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弯曲力分量、扭转力分量和拉压力分量，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；应用在智能机器、生物以及医学领域，可大大减少传感器输出数据时需要繁多的有线传输的问题，也大大促进了信息传递的简易性。

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)

1.一种四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，包括：传感器承力接头、弯扭传递轴、关节球轴承内环、关节球轴承外环、上弯扭拨杆、下弯扭拨杆、弯矩支撑板、第一弯矩传递杆、第二弯矩传递杆、第三弯矩传递杆、弯矩传递支撑杆、弯矩中心支撑螺纹杆、弯矩承力体、弯矩形变体、弯扭固定螺纹杆、扭矩传递轴、第一拉压传递圆板、支撑圆筒、第二拉压传递圆板、弯扭固定螺纹杆、拉压形变体、第一支撑圆板、下部支撑圆筒、第二支撑圆板、扭矩传递板、支撑球头螺纹杆和扭矩形变体；

所述传感器承力接头固定于所述弯扭传递轴的顶部；所述弯扭传递轴的中部套设有所述关节球轴承内环；

所述上弯扭拨杆的上端固定于所述弯扭传递轴的下端，所述关节球轴承外环的内表面和所述关节球轴承内环的外表面接触配合；所述关节球轴承外环设置于所述第一拉压传递圆板的中心沉孔的端面上，并且通过设置于所述第一拉压传递圆板的中心沉孔内的挡圈限制所述关节球轴承外环的轴向位置；

所述上弯扭拨杆的下端与所述第一弯矩传递杆的上端铰接；所述第一弯矩传递杆的下端与所述第二弯矩传递杆的一端铰接，所述第二弯矩传递杆的中部与所述弯矩传递支撑杆铰接；所述第二弯矩传递杆的另一端与所述第三弯矩传递杆的上端铰接；所述第三弯矩传递杆的下端沿竖直方向形成有滑槽，第五销穿过所述第三弯矩传递杆的滑槽，将所述第三弯矩传递杆铰接于所述弯矩承力体的侧部；

所述弯矩中心支撑螺纹杆的下端固定于所述弯矩承力体，所述弯矩中心支撑螺纹杆的上端固定有弯矩支撑板，

所述弯矩承力体固定于所述弯矩形变体的上端，所述弯矩形变体的下端固定于所述扭矩传递轴，所述弯矩形变体侧壁上贴有磁致伸缩材料；

所述下弯扭拨杆的下端固定于所述弯矩支撑板，沿传感器承力接头的周向，所述上弯扭拨杆和下弯扭拨杆交替设置，并相互接触；

所述弯矩传递支撑杆的上端固定于所述弯矩支撑板；所述弯扭固定螺纹杆穿过所述弯矩支撑板的外部分支上的通孔，将所述弯矩支撑板固定于所述扭矩传递轴；

所述扭矩传递轴上套设有所述第二拉压传递圆板和所述第一支撑圆板；

所述第一拉压传递圆板固定于所述支撑圆筒的上端，所述支撑圆筒的下端固定于所述第二拉压传递圆板；

所述第二拉压传递圆板和所述第一支撑圆板上均开设有通孔，所述弯扭固定螺纹杆的一端穿过所述第二拉压传递圆板和所述第一支撑圆板的通孔，位于所述第一支撑圆板的外部，并且位于所述第一支撑圆板外部的所述弯扭固定螺纹杆上设置有螺母，所述螺母不与所述第一支撑圆板的下表面接触；

所述拉压形变体的上端固定于所述第二拉压传递圆板，所述拉压形变体的下端固定于所述第一支撑圆板，所述拉压形变体侧壁上贴有磁致伸缩材料；

所述第一支撑圆板固定于所述下部支撑圆筒的上端，所述下部支撑圆筒的下端固定于所述第二支撑圆板；

所述第二支撑圆板的中心开设有沉孔，所述支撑球头螺纹杆的一端形成有球头，所述支撑球头螺纹杆的另一端形成为螺纹段，所述支撑球头螺纹杆的球头设置于所述第二支撑圆板的沉孔内；

所述扭矩传递轴的下端穿过所述拉压形变体，所述扭矩传递板可滑动地设置于所述扭矩传递轴的下端，并由所述扭矩传递轴带动所述扭矩传递板转动；

所述扭矩传递板上开设有螺纹孔，所述支撑球头螺纹杆的螺纹端固定于所述扭矩传递板的螺纹孔内，并使得所述支撑球头螺纹杆与扭矩传递轴的轴线之间形成夹角；

所述扭矩形变体的一端通过扭矩形变片限位销固定于所述第二支撑圆板，所述扭矩形变体的另一端可转动地设置于所述支撑球头螺纹杆，所述扭矩形变体侧壁上贴有磁致伸缩材料。

2.根据权利要求1所述的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述传感器承力接头的中部形成有沉孔，所述弯扭传递轴的顶部插入于所述传感器承力接头的沉孔内。

3.根据权利要求1所述的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述弯扭传递轴上形成有轴肩，所述关节球轴承内环设置于所述弯扭传递轴的轴肩上，并且通过安装在所述弯扭传递轴上的轴用挡圈以及弯扭传递轴的轴肩限制关节球轴承内环的轴向位置。

4.根据权利要求1所述的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述上弯扭拨杆的数量为四个，并且沿所述弯扭传递轴的周向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述第一弯矩传递杆、所述第二弯矩传递杆和所述第三弯矩传递杆的数量均为4个，所述第一弯矩传递杆、所述第二弯矩传递杆和所述第三弯矩传递杆以所述传感器承力接头的轴心线为中心，间隔90°设置。

6.根据权利要求1所述的四爪万向节式维间解耦三维无线无源传感器，其特征在于，所述弯矩承力体形成有四个侧部，并且四个侧部与四个第三弯矩传递杆对应设置。

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