多连杆式维间解耦二维无线无源传感器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种多连杆式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。

现阶段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。

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。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种多连杆式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：

本发明具有如下有益效果：本发明的多连杆式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是本发明的多连杆式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构示意图。

图2是本发明的多连杆式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构剖视图。

图3是本发明的多连杆式维间解耦二维无线无源传感器的爆炸结构示意图。

图4是本发明的弯曲力受力敏感区的立体结构零件拆解图

图5是本发明的弯曲力受力敏感区的立体结构剖视图。

图6是本发明的扭转力受力敏感区立体结构零件拆解图。

图7是本发明的扭转力受力敏感区的立体结构剖视图。

图中标记示意为：1-传感器承力接头；2-上部支撑圆筒；3-弯矩承力体；4-弯矩形变环；5-弯矩支撑圆板；6-上部多连杆连接圆板；7-带孔铜珠封帽；8-弯矩传递杆；9-扭矩限位杆；10-中心连接杆；11-中心连接杆套；12-扭矩限位杆套；13-下部多连杆连接圆板；14-第一扭矩连接圆板；15-扭矩形变片；16-扭矩承力轴；17-连接杆；18-下部支撑圆筒；19-第二扭矩连接圆板；20-带孔铜珠。

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多连杆式维间解耦二维无线无源传感器，其包括传感器承力接头、上部支撑圆筒、上部多连杆连接圆板、弯矩支撑圆板、弯矩承力体、弯矩形变环、下部多连杆连接圆板、第一扭矩连接圆板、下部支撑圆筒、第二扭矩连接圆板、扭矩承力轴、扭矩形变片、连接杆、中心连接杆套、扭矩限位杆套的和弯矩传递杆；

所述传感器承力接头1通过上部支撑圆筒2固定于所述上部多连杆连接圆板6；在所述上部支撑圆筒2和上部多连杆连接圆板6之间固定有弯矩支撑圆板5；作为一种实现形式，所述上部支撑圆筒2上沿其轴线方向开设有多个通孔，双头螺栓穿过所述传感器承力接头1、上部支撑圆筒2、弯矩支撑圆板5和上部多连杆连接圆板6，通过螺母将传感器承力接头1、上部支撑圆筒2、弯矩支撑圆板5和上部多连杆连接圆板6固定在一起。

所述弯矩支撑圆板5沿其轴线方向形成有中心孔，且所述弯矩支撑圆板5的上端形成有外倒角面；所述弯矩承力体3包括柱体和形成在所述柱体上端的法兰，所述柱体的下端可滑动地插入于所述弯矩支撑圆板5的中心孔内，所述柱体和法兰的连接处设置有过渡环，所述过渡环上形成有倾斜的表面。

所述弯矩承力体3外部套设有弯矩形变环4，所述弯矩形变环4的下端与所述外倒角面接触，所述弯矩形变环4的上端与所述过渡环的倾斜的表面接触，以通过所述弯矩承力体3的动作使得所述弯矩形变环4发生形变，来检测莲蓬头式维间解耦二维无线无源传感器是否承受弯矩，此时，所述弯矩形变环4的外侧壁上粘贴有多个磁致伸缩材料。

所述下部多连杆连接圆板13与第二扭矩连接圆板19固定，并且在所述下部多连杆连接圆板13和第二扭矩连接圆板19之间从上至下依次固定有第一扭矩连接圆板14和下部支撑圆筒18；

作为一种实现形式，可以采用双头螺栓依次穿过下部多连杆连接圆板13、第一扭矩连接圆板14、下部支撑圆筒18和第二扭矩连接圆板19，通过螺母将下部多连杆连接圆板13、第一扭矩连接圆板14、下部支撑圆筒18和第二扭矩连接圆板19固定在一起。

所述扭矩承力轴16上形成有上法兰部和下法兰部，所述第一扭矩连接圆板14的下表面上开设有容置所述上法兰部的凹槽，所述第二扭矩连接圆板19的上表面上开设有容置所述下法兰部的凹槽，并使得所述扭矩承力轴16的上端穿过所述第一扭矩连接圆板14，所述扭矩承力轴16的下端穿过所述第二扭矩连接圆板19，可转动地设置于所述第一扭矩连接圆板14和第二扭矩连接圆板19之间，此时，所述上法兰部设置于所述第一扭矩连接圆板14的凹槽内，所述下法兰部设置于所述第二扭矩连接圆板19的凹槽内。

所述连接杆17的上端固定于所述上法兰部上，所述连接杆17的下端固定于所述下法兰部上，并使得所述连接杆17平行于所述扭矩承力轴16的轴线；优选地，所述连接杆17的数量为两个，两个连接杆17沿以所述扭矩承力轴的轴线为中心线的圆柱面均匀分布，即两个连接杆17以扭矩承力轴16的轴线为中心，间隔180°设置。

所述扭矩形变片15的上端固定于所述第一扭矩连接圆板14，所述扭矩形变片的下端固定于所述第二扭矩连接圆板19，也就是说，所述扭矩形变片15设置于所述第一扭矩连接圆板14和第二扭矩连接圆板19之间，且平行于所述扭矩承力轴16的轴线；更优选地，通过所述扭矩承力轴的轴心线以及扭矩形变片15的中心线的平面垂直于所述扭矩形变片15所在的平面。

所述扭矩形变片15与所述扭矩承力轴16之间的距离小于扭矩承力轴与所述连接杆17之间的距离与连接杆17的半径之和，也就是说，当所述扭矩承力轴16带动连接杆17运动时，所述连接杆17与扭矩形变片15之间发生干涉，使得扭矩形变片15发生变形，此时所述扭矩形变片15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。

优选地，所述扭矩形变片15的数量为两个，并且两个所述扭矩形变片15以所述扭矩承力轴16的轴心线为中心，间隔180°设置。

所述扭矩形变片15包括设置于宽度方向上两个端部的固定部和设置于两个固定部之间的变形部，所述固定部通过螺钉固定于第一扭矩连接圆板14和第二扭矩连接圆板19，所述变形部上开设有多个圆孔，以降低所述变形部的刚性，使得所述变形部容易变形；本实施例中，所述圆孔的数量为7个，此时所述变形部上覆盖有磁致伸缩材料，解决了长期动态监测的问题。

所述上部多连杆连接圆板6和下部多连杆连接圆板13的中心均开设有中心沉孔(上部多连杆连接圆板6的中心沉孔开口向上，下部多连杆连接圆板的中心沉孔开口向下)，所述中心沉孔内均设置有带孔铜珠，所述中心连接杆套11的一端穿过所述下部多连杆连接圆板13的中心沉孔的底壁，固定于带孔铜珠；所述中心连接杆套11的上端开设有导向孔，所述中心连接杆10的下端可滑动地设置于所述导向孔内，并且所述中心连接杆10的上端穿过所述上部多连杆连接圆板6的中心沉孔的底壁，固定于带孔铜珠。

在所述上部多连杆连接圆板6的中心沉孔的周边开设有多个边部沉孔，在所述下部多连杆连接圆板13的中心沉孔的周边开设有多个边部通孔，所述扭矩限位杆套12的下端固定于所述边部通孔内，所述扭矩限位杆套12的上端开设有导向孔，所述扭矩限位杆9的下端可滑动地设置于所述扭矩限位杆套12的导向孔内，并且所述扭矩限位杆9的上端穿过上部多连杆连接圆板6的边缘沉孔的底壁，固定于带孔铜珠。

所述弯矩承力体3的法兰上开设有6个通孔，所述6个通孔沿所述弯矩承力体3的轴线均匀分布；所述上部多连杆连接圆板6相对于所述弯矩承力体3的通孔的位置开设有通孔，同时，所述弯矩支撑圆板5上相对于所述弯矩承力体3的通孔的位置开设有通孔。

所述弯矩传递杆8一端连接于所述下部多连杆连接圆板13，另一端穿过所述上部多连杆连接圆板6的通孔、弯矩支撑圆板5的通孔和弯矩承力体3的通孔，连接于所述弯矩承力体3。

优选地，所述下部多连杆连接圆板13上开设有第一沉孔，所述第一沉孔内设置有带孔铜珠，所述弯矩传递杆8的下端穿过所述下部多连杆连接圆板13的第一沉孔的底壁(第一沉孔开口向下)，固定于所述带孔铜珠；更优选地，所述弯矩传递杆8的上端穿过所述弯矩承力体3的通孔，固定于带孔铜珠。

更优选地，所述中心沉孔、边部沉孔和第一沉孔上均设置有封帽，以通过封帽限位带孔铜珠沿竖直方向(多连杆式维间解耦二维无线无源传感器的高度方向)的运动，并且所述封帽与带孔铜珠之间可以相对滑动。

当多连杆式维间解耦二维无线无源传感器受到扭转力时，偶合力中的弯矩分力通过扭矩承力轴16的上法兰部和下法兰部，传递给第一扭矩连接圆板14和第二扭矩连接圆板19；并且该扭转力使得扭矩承力轴16发生转动，进一步使得连接杆17驱动扭矩形变片15发生变形，实现扭矩形变片15单一方向受力的要求，保证多连杆式维间解耦二维无线无源传感器的测量精度；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，即可得到扭转应力。

当多连杆式维间解耦二维无线无源传感器受到弯曲分力时，上部多连杆连接圆板6、扭矩限位杆9、中心连接杆10、中心连接杆套11、扭矩限位杆套12和下部多连杆连接圆板13构成一个支撑结构，把弯曲力转化为轴向拉力并直接作用到弯矩传递杆8上；当受到弯矩传递杆8带来的拉力时，弯矩形变环4产生形变，以此来检测弯曲分力。

而且本实施例中，将带孔铜珠20放置在中心沉孔、边部沉孔和第一沉孔内，由于孔内部直径较大而出口位置的开口较小，故构成了一个简易的多连杆轴承，以此在满足一定活动角度。

当弯矩传递杆8受到扭转分力作用时，由于受到扭矩限位杆9、中心连接杆10、中心连接杆套11和扭矩限位杆套12组成的限位结构，故扭转分力不会影响到弯矩形变环4，在弯矩形变环4上覆盖磁致伸缩材料，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，得到弯曲应力。

当弯曲力与扭转力耦合时，耦合的弯曲力与扭转力使弯矩形变环4和扭矩形变片15同时产生应力应变，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。

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。