球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器

1.本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器。


背景技术：

2.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，广泛应用于智能机器、生物工程、工业制造、医疗卫生等领域。
3.但就现有技术中的二维乃至多维力和力矩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。
4.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。
5.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信号变化。


技术实现要素：

6.本发明目的是提供一种球笼半轴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。
7.本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器，其包括：传感器承力接头、弯扭分离滑块、弯扭支撑杆、弯矩中心支撑球头螺纹杆、第一弯矩传递杆、第二弯矩传递杆、第三弯矩传递杆、弯矩承力体、弯矩支撑板、扭矩承力环、弯矩传递支撑杆、上部支撑圆筒、弯矩形变体、扭矩承力轴、扭矩传递杆、第一支撑圆板、扭矩形变体、下部支撑圆筒和第二支撑圆板；
8.所述传感器承力接头连接于所述弯矩中心支撑球头螺纹杆的上部球头；所述弯扭支撑杆固定在所述传感器承力接头上，所述弯扭支撑杆上套设有弯扭分离滑块和第一弯矩传递杆；
9.所述扭矩承力环形成有中心孔，并且沿所述扭矩承力环的径向形成有通槽，所述传感器承力接头的下端设置于所述中心孔内，并且所述扭矩承力环的中心孔的内径大于所述传感器承力接头的下端的直径；当所述弯扭支撑杆位于所述通槽内时，所述弯扭分离滑块的外壁与所述扭矩承力环的通槽的内壁接触；
10.所述第一弯矩传递杆的上端沿竖直方向形成有滑槽，所述弯扭支撑杆穿过所述第
一弯矩传递杆的滑槽，并能够在所述滑槽内上下滑动；所述第一弯矩传递杆不与所述扭矩承力环的通槽的内壁接触；
11.所述弯矩中心支撑球头螺纹杆穿过所述弯矩支撑板，并固定于所述弯矩支撑板；
12.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下端与所述弯矩承力体的侧部铰接；所述弯矩中心支撑球头螺纹杆下端固定于所述弯矩承力体；所述弯矩传递支撑杆固定于所述弯矩支撑板；
13.所述弯矩承力体的下端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承力轴，所述弯矩形变体侧壁上贴有磁致伸缩材料；
14.所述扭矩承力环固定于所述弯矩支撑板，所述扭矩承力环的下端固定于所述上部支撑圆筒的上端，所述上部支撑圆筒的下端固定于扭矩承力轴；
15.所述扭矩承力轴的下端套设有所述扭矩传递杆，并且所述扭矩传递杆固定于所述扭矩承力轴；
16.所述扭矩承力轴上还套设有所述第一支撑圆板，所述第一支撑圆板位于所述扭矩传递杆和所述扭矩承力轴的轴端面之间，以通过所述扭矩传递杆的上表面和所述扭矩承力轴的轴端面共同限制所述第一支撑圆板轴向位置；
17.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；
18.所述扭矩传递杆上开设有至少两个长条形孔，所述扭矩形变体的下端固定于所述第二支撑圆板，并且所述扭矩形变体的上端穿过所述扭矩传递杆的长条形孔，所述扭矩形变体在侧壁上贴有磁致伸缩材料。
19.可选的，在所述传感器承力接头的下表面开设有容置槽，所述弯矩中心支撑球头螺纹杆的上部球头被设置于所述传感器承力接头的容置槽内。
20.可选的，所述传感器承力接头上形成有三个螺纹孔，所述传感器承力接头的螺纹孔的轴心线与所述传感器承力接头的轴心线垂直相交，所述弯扭支撑杆固定于所述螺纹孔内。
21.可选的，所述弯矩承力体上形成有中心盲孔，所述弯矩中心支撑球头螺纹杆的下端插入于所述弯矩承力体的中心盲孔内。
22.可选的，所述弯矩支撑板上开设有通孔，所述弯矩传递支撑杆的上端为螺纹段，并且所述弯矩传递支撑杆的上端穿过所述弯矩支撑板，通过螺钉将弯矩传递支撑杆固定于所述弯矩支撑板。
23.可选的，所述弯矩支撑板上形成有三个槽口，并且三个槽口以所述传感器承力接头的轴心线为中心，间隔120
°
设置，所述第一弯矩传递杆的下端穿过所述槽口，位于所述弯矩支撑板的下方。
24.可选的，所述扭矩形变体的数量为两个。并且两个所述扭矩形变体以所述扭矩承力轴的轴心线为中心，间隔180
°
设置。
25.本发明具有如下有益效果：本发明的球笼半轴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；可应用在机床、机器人、医学领域，人体植入
型传感器方向，大大减少传感器应用时需繁多的有线传输、在人体中埋线或二次手术的环节。
附图说明
26.图1是本发明的球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构示意图。
27.图2是本发明的球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构剖视图。
28.图3是本发明的球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构零件拆解图。
29.图4是本发明的球笼半轴式维间解耦二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。
30.图5是本发明的球笼半轴式维间解耦二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。
31.图6是本发明的球笼半轴式维间解耦二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。
32.图7是本发明的球笼半轴式维间解耦二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。
33.图中标记示意为：1
‑
传感器承力接头；2
‑
弯扭分离滑块；3
‑
弯扭支撑杆；4
‑
弯矩中心支撑球头螺纹杆；5
‑
第一弯矩传递杆；6
‑
第二弯矩传递杆；7
‑
第三弯矩传递杆；8
‑
弯矩承力体；9
‑
弯矩支撑板；10
‑
扭矩承力环；11
‑
弯矩传递支撑杆；12
‑
上部支撑圆筒；13
‑
弯矩形变体；14
‑
扭矩承力轴；15
‑
扭矩传递杆；16
‑
第一支撑圆板；17
‑
扭矩形变体；18
‑
下部支撑圆筒；19
‑
第二支撑圆板。
具体实施方式
34.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。
35.实施例1
36.本实施例提供了一种球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器，其包括传感器承力接头1、弯扭分离滑块2、弯扭支撑杆3、弯矩中心支撑球头螺纹杆4、第一弯矩传递杆5、第二弯矩传递杆6、第三弯矩传递杆7、弯矩承力体8、弯矩支撑板9、扭矩承力环10、弯矩传递支撑杆11、上部支撑圆筒12、弯矩形变体13、扭矩承力轴14、扭矩传递杆15、第一支撑圆板16、扭矩形变体17、下部支撑圆筒18和第二支撑圆板19；
37.所述传感器承力接头1连接于所述弯矩中心支撑球头螺纹杆4的上部球头，例如，在所述传感器承力接头1的下表面开设有容置槽，所述弯矩中心支撑球头螺纹杆4的上部球头可以被设置于所述传感器承力接头1的容置槽内，以实现传感器承力接头1和弯矩中心支撑球头螺纹杆4的接触连接，由此使得所述弯矩中心支撑球头螺纹杆4能够为所述传感器承力接头1在转动过程中提供支点。
38.所述弯扭支撑杆3通过螺纹连接固定在所述传感器承力接头1上，即所述传感器承力接头1通过侧面均匀分布的3个螺纹孔分别与3个所述弯扭支撑杆3螺纹连接，本实施例中，所述传感器承力接头1的螺纹孔的轴心线与所述传感器承力接头1的轴心线垂直相交，以此使得弯扭支撑杆3与所述传感器承力接头1垂直相交；优选地，3个螺纹孔以所述传感器
承力接头1的轴心线为中心，间隔120
°
设置。
39.所述传感器承力接头1上开设有6个通孔，用于与输入接头连接，所述6个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。
40.所述弯扭支撑杆3上套设有弯扭分离滑块2和第一弯矩传递杆5，例如，所述弯扭分离滑块2形成有中心孔，所述弯扭支撑杆3穿过所述弯扭分离滑块的中心孔，并连接于所述传感器承力接头1。
41.所述扭矩承力环10形成有中心孔，并且沿径向形成有通槽，所述传感器承力接头1的下端设置于所述中心孔内，并且所述扭矩承力环10的中心孔的内径大于所述传感器承力接头1的下端的直径，以使得所述传感器承力接头1和扭矩承力环10之间形成有一间隙。
42.本实施例中，所述通槽的数量为3个，并相对于所述弯扭支撑杆3的位置设置，当所述弯扭支撑杆3位于所述通槽内时，所述弯扭分离滑块2的外壁与所述扭矩承力环10的通槽的内壁接触。
43.所述第一弯矩传递杆5的上端沿其长度方向(竖直方向)形成有滑槽，所述弯扭支撑杆3穿过所述第一弯矩传递杆5的滑槽，并能够在所述滑槽内上下滑动；由此，当所述传感器承力接头1承受弯矩时，能够通过第一弯矩传递杆5向下传递，并且当所述传感器承力接头1承受扭矩时，能够通过弯扭分离滑块2，将扭矩传递至扭矩承力环10。
44.也就是说，所述扭矩承力环10的通槽用来放置三个已经连接所述第一弯矩传递杆5和所述弯扭分离滑块2的所述弯扭支撑杆3，同时通槽的内壁不与所述第一弯矩传递杆5接触，从而使得扭矩承力环不影响弯矩传递。
45.所述弯矩中心支撑球头螺纹杆4穿过所述弯矩支撑板9中心位置通孔，并固定于所述弯矩支撑板9，例如，在所述弯矩中心支撑球头螺纹杆上设置有两个螺母，两个螺母分别位于所述弯矩支撑板9的上部和下部，以通过两个螺母将弯矩支撑板9和弯矩中心支撑球头螺纹杆4固定连接。
46.所述弯矩中心支撑球头螺纹杆4下端连接于所述弯矩承力体8，例如所述弯矩承力体8上形成有中心盲孔，所述弯矩中心支撑球头螺纹杆4的下端插入于所述弯矩承力体8的中心盲孔内，并用于抵消掉所述第三弯矩传递杆7拉动所述弯矩承力体8时产生的径向力。
47.所述第一弯矩传递杆5的下端通过第一销与所述第二弯矩传递杆6的一端铰接，所述第二弯矩传递杆6中部通过第二销与所述弯矩传递支撑杆11铰接，以使得所述弯矩传递支撑杆11为第二弯矩传递杆6的转动提供支点；所述第二弯矩传递杆6的另一端通过第三销与所述第三弯矩传递杆7的上端铰接，所述第三弯矩传递杆7下端通过第四销与所述弯矩承力体8的侧部铰接，从而使得弯矩能够通过第二弯矩传递杆6、第三弯矩传递杆7被传递至弯矩承力体。
48.优选地，所述第一销、第二销、第三销和第四销之间平行设置。
49.其中，所述弯矩传递支撑杆11固定于所述弯矩支撑板9，例如，所述弯矩支撑板上开设有通孔，所述弯矩传递支撑杆11的上端为螺纹段，并且穿过所述弯矩支撑板9，通过螺钉将弯矩传递支撑杆11固定于所述弯矩支撑板9。
50.优选地，所述弯扭分离滑块2、所述弯扭支撑杆3、所述第一弯矩传递杆5、所述第二弯矩传递杆6和所述第三弯矩传递杆7的数量均为3个，且根据所述传感器承力接头1的三个侧面螺纹孔依次连接，以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔120
°
设置。
51.所述弯矩承力体8的三个侧部均通过第四销铰接于所述第三弯矩传递杆7的下端，所述弯矩承力体8的下端通过螺栓固定于所述弯矩形变体13的上端，所述弯矩形变体13的下端固定于所述扭矩承力轴14，所述弯矩形变体13侧壁上贴有磁致伸缩材料。
52.也就是说，当所述第三弯矩传递杆7带动所述弯矩承力体8运动时，所述弯矩承力体8使得所述弯矩形变体13发生变形，此时所述弯矩形变体13上覆盖有磁致伸缩材料，并通过磁致伸缩材料的变形检测传感器所承受的弯转力，也解决了长期动态监测的问题。
53.优选地，所述弯矩支撑板9上形成有三个槽口，并且三个槽口以所述传感器承力接头1的轴心线为中心，间隔120
°
设置，所述第一弯矩传递杆5的下端穿过所述槽口，位于所述弯矩支撑板9的下方。
54.所述扭矩承力环10固定于所述弯矩支撑板9，并且，所述扭矩承力环10的下端固定于所述上部支撑圆筒12的上端，所述上部支撑圆筒12的下端固定于扭矩承力轴14。
55.作为一种实现形式，可以在所述扭矩承力环10、上部支撑圆筒12和扭矩承力轴14上均开设通孔，螺钉分别穿过所述扭矩承力环10、上部支撑圆筒12和扭矩承力轴14的通孔，将所述扭矩承力环10、上部支撑圆筒12和扭矩承力轴14相固定。
56.本实施例中，所述弯矩传递支撑杆11共有6个，其上端形成为螺纹部，并穿过所述弯矩支撑板9的6个通孔，然后由螺母固定；当所述弯矩支撑板9和所述扭矩承力环10由螺栓连接预紧配合时，所述弯矩传递支撑杆11的螺纹部会与所述扭矩承力环10的下表面接触固定；所述弯矩传递支撑杆11下端形成通孔，从而通过所述弯矩传递支撑杆11的通孔和所述第二弯矩传递杆6的中部通孔由第二销连接配合。
57.所述扭矩承力轴14的下端套设有所述扭矩传递杆15，并且所述扭矩传递杆15通过销钉或螺钉固定于所述扭矩承力轴14。
58.所述扭矩承力轴14上还套设有所述第一支撑圆板16，所述第一支撑圆板位于所述扭矩传递杆15和所述扭矩承力轴14的轴端面之间，以通过所述扭矩传递杆15的上表面和所述扭矩承力轴14的轴端面共同限制所述第一支撑圆板16轴向位置，使所述第一支撑圆板16只能有以所述扭矩承力轴14的轴心线为轴心的转动。
59.所述第一支撑圆板16固定于所述下部支撑圆筒18的上端，所述下部支撑圆筒18的下端固定于所述第二支撑圆板19；作为一个实例，所述第一支撑圆板16、下部支撑圆筒18和第二支撑圆板19上均开设有6个通孔，螺钉穿过所述第一支撑圆板16、下部支撑圆筒18和第二支撑圆板19的通孔，将所述第一支撑圆板16、下部支撑圆筒18和第二支撑圆板19相固定。
60.所述扭矩传递杆15上开设有至少两个长条形孔，所述扭矩形变体17的下端固定于所述第二支撑圆板19，并且所述扭矩形变体17的上端穿过所述扭矩传递杆15的长条形孔，以便在所述扭矩传递杆15传递扭矩发生转动时，会使所述扭矩形变体17发生形变，所述扭矩形变体17在侧壁上贴有磁致伸缩材料，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。
61.优选地，所述扭矩形变体17的数量为两个，并且每个所述扭矩形变体17在下部都有两个螺纹孔，同时，两个所述扭矩形变体17以所述扭矩承力轴14的轴心线为中心，间隔180
°
设置。
62.由此，当本实施例的球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器在使用时，可以将所述传感器承力接头1固定于待测件，并且将所述第二支撑圆板19固定于待测件，以当两个
待测件之间承受弯曲和扭转复合作用时，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。
63.当球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器受到扭转力时，扭转力依次通过所述传感器承力接头1、所述弯扭支撑杆3、所述弯扭分离滑块2、所述扭矩承力环10的滑槽内壁、再通过螺纹杆将扭矩依次传递到所述上部支撑圆筒12、所述扭矩承力轴14、所述扭矩传递杆15和所述扭矩形变体17；并且该扭转力使得所述扭矩承力轴14发生转动，进一步使得所述扭矩传递杆15驱动所述扭矩形变体17发生变形，实现所述扭矩形变体17单一方向受力的要求，保证球笼半轴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。
64.当球笼半轴式维间解耦二维无线无源传感器受到弯曲力时，所述传感器承力接头1会以所述弯矩中心支撑球头螺纹杆4为支点相对所述扭矩承力环10发生转动，从而所述弯扭支撑杆3带动所述第一弯矩传递杆5进行上下移动，继而向下传递；弯曲力依次通过所述传感器承力接头1、所述弯扭支撑杆3、所述第一弯矩传递杆5、所述第二弯矩传递杆6、所述第三弯矩传递杆7、所述弯矩承力体8和所述弯矩形变体13；当所述传感器承力接头1收到所述弯矩带动第一弯矩传递杆5进行上下移动时，由于所述第一弯矩传递杆5的上部存在滑槽，所以最多有两个所述第一弯矩传递杆5同时受力并传递弯矩；弯矩传递过程中，会使所述第三弯矩传递杆7拉动所述弯矩承力体8时，会使得弯矩承力体8带动所述弯矩形变体13发生形变，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，即可得到弯曲应力。
65.本发明的球笼半轴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；应用在机床、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。
66.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。
67.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。