一种软传感器三叉形装置

1.本发明涉及软传感器领域，尤其涉及一种用于测量高架桥轴承变形的软传感器三叉形装置。


背景技术：

2.如今，弹性轴承广泛应用于大型桥梁和高架桥，其弹性特性在振动隔离中起着重要作用；与刚性轴承相比，弹性轴承可以减小桥墩与地面之间的激烈振动。然而，弹性轴承自身也存在缺点，其弹性材料本身在高架桥和桥墩之间会产生相对运动趋势，而弹性材料的频繁变形会导致材料疲劳并缩短其使用寿命。因此，对弹性轴承进行定期的检查是非常有必要的。
3.现有的检查技术大都为人工手动作业，工人需要手动检查每个轴承，在高架桥关闭期间爬上几十米高的桥墩，用肉眼和相机检查并记录可能存在的缺陷或故障，耗时费力、成本高，且无法实时反映车辆运行的正常时段和高峰时段的轴承动态行为，检查结果依赖于检测人员的技术经验，不确定性高，安全性差。
4.现有的检查技术也有通过刚性传感器对轴承偏移进行检查。杭州轴承试验研究中心有限公司在《轴承》(bearing)卷号013，页码52-54于2017年报道过磁感应传感器在轴承振动测量中的应用，其动圈式磁感应传感器主要由磁轭、永久磁铁、线圈、补偿线圈、弹簧、金属骨架等组成，其利用电磁感应原理将被测物体的振动信号转换成电信号。工作时，金属骨架通过延伸测头与被测物体接触，当被测物体振动时，金属骨架会随之振动，此时金属骨架上的线圈也随之运动，磁铁与线圈之间的相对运动切割磁力线，线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，实现测振。然而，这类刚性传感器体积占比大，由于在进行轴承检测时需要将传感器放置在高架桥和桥墩之间，体积较大的传感器不适用于高架桥和桥墩之间缝隙较小的应用场合，应用范围小，且易受到损伤、造价昂贵。
5.此外，现有的刚性传感器检测范围有限、灵敏度低、内部构造复杂，在传感器出现问题时，维修人员难以对内部构件进行维修或更换。


技术实现要素：

6.本发明针对现有刚性传感器应用范围小、结构复杂、检测范围有限、灵敏度低的缺陷，提出了一种用于测量高架桥轴承变形的软传感器三叉形装置，采用柔软性材料制作软传感器，其在外力作用下可发生拉伸、收缩变形，弹性恢复性好、灵敏度高、质轻，利用三叉形支撑结构固定软传感器，将其与轴承并排放置安装于高架桥与桥墩之间的间隙处，当高架桥与桥墩之间发生相对移位时，主体支撑结构带动不同位置的软传感器产生适应性形变，根据每一个软传感器的电容变化即可同时检测轴承的相对位移和倾斜角度，结构简单，适用范围广。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种软传感器三叉形装置，包括三叉形支撑机构和若干软传感器，所述的软传感
器以拉伸状态安装在三叉形支撑机构上，每一个软传感器受力均匀；
9.所述的三叉形支撑机构包括顶部的圆盖形连接件、中部的滑动连接件和底部的三叉形连接件，三者同轴相连，且所述的滑动连接件垂直于圆盖形连接件和三叉形连接件；所述的圆盖形连接件和三叉形连接件内部设有铰接结构；
10.每一个软传感器的一端固定在三叉形连接件上，另一端固定在圆盖形连接件上，圆盖形连接件受垂直或水平方向的力后驱动滑动连接件实现上下运动或倾斜运动，带动软传感器发生拉伸或收缩变形，从而产生电容变化响应。
11.优选的，所述的软传感器由片状软材料和位于片状软材料两侧的导电层构成，通过外部电路与导电层连接，读取电容变化响应。
12.优选的，所述的圆盖形连接件包括顶部圆盖、圆盖球头和圆盖球头限位座，所述顶部圆盖的侧壁设有软传感器插槽，且槽口处设有向下倾斜的导向口，顶部圆盖的底部中心设有第一半球形腔室；位于圆盖球头一端的上球体通过圆盖球头限位座安装在第一半球形腔室内形成铰接结构，上球体能够在第一半球形腔室内转动；位于圆盖球头另一端的上连接部与滑动连接件连接。
13.优选的，所述的滑动连接件包括筒球头基座、弹簧、活塞筒、伸缩杆和杆球头基座，所述的伸缩杆和弹簧套接于活塞筒内，且弹簧位于伸缩杆顶部，通过筒球头基座固定，伸缩杆顶部与活塞筒底部设有防止伸缩杆滑出活塞筒的限位结构，伸缩杆底部伸出活塞筒并通过杆球头基座与三叉形连接件连接。
14.优选的，所述杆球头基座的外径等于或小于伸缩杆外径。
15.优选的，所述的三叉形连接件包括底座球头限位座、底座球头和三叉形底座，所述的三叉形底座的顶部中心设有第二半球形腔室；位于底座球头一端的下球体通过底座球头限位座安装在第二半球形腔室内形成铰接结构，下球体能够在第二半球形腔室内转动；位于底座球头另一端的下连接部与滑动连接件连接。
16.优选的，所述的三叉形支撑机构采用3d打印制作。
17.优选的，所述的三叉形连接件的三个分叉间隔120度分布，每一个分叉的长度大于圆盖形连接件的半径，软传感器的端部通过套卡型卡槽固定在三叉形连接件的每一个分叉上。
18.优选的，还包括保护外壳，所述的保护外壳由保护罩和保护底座构成，保护底座上设有用于固定三叉形连接件的三叉形槽以及用于固定保护罩的环形槽；所述的保护罩为上下开口的圆台结构，三叉形支撑机构顶部的圆盖形连接件从保护罩的上开口处伸出，保护罩的下开口固定在保护底座的环形槽内。
19.优选的，所述的软传感器三叉形装置与高架桥轴承并排安装于高架桥和桥墩之间的空隙处，圆盖形连接件上表面和三叉形连接件下表面分别抵接桥梁和桥墩，当桥梁和桥墩发生相对运动时，圆盖形连接件和三叉形连接件分别跟随桥梁和桥墩发生相对运动，滑动连接件适应性伸缩或倾斜，同时带动不同方向上的软传感器伸缩变形，产生电容变化，通过读取电容变化即可检测出高架桥轴承的实时移位情况。
20.与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：
21.1.本发明的软传感器三叉形装置从根源上取代了人工检测操作，减少了检修时间和人工操作误差率，大大降低了工人在检修过程中存在的潜在危险；且装置结构设计精巧，
便于携带和安装，克服了传统的刚性传感器结构复杂、笨重、成本高的缺陷。
22.2.本发明的软传感器三叉形装置能够实时测量车辆运行的正常时段和高峰时段的轴承动态行为，获得损伤轴承的位移数据，作为评估和更换轴承的重要依据，实时监测和评估轴承健康状况，适于大批量生产并广泛应用于高架桥和桥墩之间的移位检测，检测范围和应用范围广。
23.3.本发明利用软传感器伸缩变形后导致电容变化的原理，在三叉形支撑机构上安装不同方向上的软传感器来测量不同方向的变形，通过变形量即可反求出垂直、水平位移及偏转角度，且该软传感器三叉形装置可同时检测轴承的相对位移和倾斜角度，灵敏度好、测量精度高、功耗和成本低。
附图说明
24.图1是本发明实施例示出的软传感器三叉形装置的结构示意图；
25.图2是本发明实施例示出的软传感器三叉形装置的剖视图；
26.图3是平行板电容器的原理示意图；
27.图4是软传感器结构示意图；
28.图5是圆盖形连接件结构示意图，其中(a)是圆盖球头限位座、圆盖球头、顶部圆盖的装配过程图；(b)是装配结果；
29.图6是顶部圆盖结构示意图；
30.图7是圆盖球头结构示意图；
31.图8是圆盖球头限位座结构示意图；
32.图9是滑动连接件结构示意图；其中，(a)是整体结构，(b)是底部局部放大示意图；
33.图10是伸缩杆结构示意图；
34.图11是活塞筒结构示意图；
35.图12是活塞筒-伸缩杆-弹簧结构装配示意图；
36.图13是三叉形连接件结构示意图，其中(a)是三叉形底座、底座球头和底座球头限位座的装配示意图；(b)是装配结果；
37.图14是三叉形底座结构示意图；
38.图15是套卡型卡槽；
39.图16是软传感器的安装过程示意图，其中(a)将软传感器一端黏贴在三叉形底座上；(b)利用套卡型卡槽固定；(c)将软传感器另一端弯折；(d)将软传感器另一端固定在顶部圆盖的插槽内；
40.图17是保护装置结构示意图，其中(a)是保护罩；(b)是保护底座；
41.图18是带有保护装置的软传感器三叉形装置，其中(a)是保护罩与保护底座的装配过程；(b)是装配结果。
42.图19是软传感器三叉形装置安装于高架桥与桥墩间隙处的示意图。
43.图中：1-圆盖形连接件，11-顶部圆盖，1101-软传感器插槽，1102-导向口，1103-第一半球形腔室，12-圆盖球头，1201-上球体，1202-上连接部，13-圆盖球头限位座，2-滑动连接件，21-筒球头基座，22-弹簧，23-活塞筒，24-伸缩杆，25-杆球头基座，3-三叉形连接件，31-底座球头限位座，32-底座球头，3201-下球体，3202-下连接部，33-三叉形底座，3301-第
二半球形腔室，4-软传感器，5-套卡型卡槽，6-保护罩，7-保护底座，71-三叉形槽，72-环形槽。
具体实施方式
44.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。其中，附图仅用于示例性说明，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件。
45.在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、或者以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
46.图1和图2为本发明实施例示出的一种软传感器三叉形装置，包括三叉形支撑机构和三根软传感器4，所述的软传感器4以拉伸状态安装在三叉形支撑机构上，每一个软传感器4受力均匀，无褶皱。
47.三叉形支撑机构由三部分构成，分别是顶部的圆盖形连接件1、中部的滑动连接件2和底部的三叉形连接件3，三者同轴相连，且所述的滑动连接件2垂直于圆盖形连接件1和三叉形连接件3；所述的圆盖形连接件1和三叉形连接件3内部设有铰接结构，能够在受力的情况下使得圆盖形连接件1与三叉形连接件3之间发生相对位移。本发明中的三叉形支撑机构还可以替换成四叉形、六叉形等结构。
48.每一个软传感器4的一端固定在三叉形连接件3上，另一端固定在圆盖形连接件1上，圆盖形连接件1受垂直或水平方向的力后驱动滑动连接件2实现上下运动或倾斜运动，带动软传感器4发生拉伸或收缩变形，从而产生电容变化响应。
49.本发明采用的软传感器由片状软材料和位于片状软材料两侧的导电层构成，通过外部电路与导电层连接，读取电容变化响应。与使用铁、铝等金属刚性传感器和硅芯片等半导体传感器不同，软传感器是一种软传感系统，其使用灵活、可伸缩的柔软性聚合物材料(例如，介电弹性体、硅橡胶、水凝胶等)制成，实质上是一种基于存储、释放电荷的电容。如图3所示，基于平行板电容器的原理，本发明采用的软传感器是一种夹层结构(在两侧柔性电极之间夹一层软材料)，这类软材料是柔软且可拉伸的。以介电弹性体材料为例，参照公式：其中c、ε、s和d分别是软传感器的电容值、介电常数、面积和介电弹性体厚度，可知，在形变过程中，电容值会发生变化，该软传感器非常适合测量变形和受力，可由电容值变化量反映变形量。与其他类型的传感机制(如压电和光学)相比，软传感器在受力作用下发生变形，以电容为关键指标，具有灵敏度好、测量精度高、功耗和成本低等优势。
50.本发明在制备软传感器时，首先取一段片状软材料，长宽比大约为12:1；然后在所取片状软材料的两面均匀涂抹炭黑或导电金属粉末作为导电层，使用化纤材料将涂抹炭黑的软材料完全紧致包裹，防止炭黑侧漏，并保证炭黑在片状软材料上均匀分布。如图4所示，
本实施例得到的软传感器形状大体为长方体片状，长方体的四个角通过倒圆角的方式形成类圆弧结构，可提高安装的便捷度。
51.如图5所示，所述的圆盖形连接件1包括顶部圆盖11、圆盖球头12和圆盖球头限位座13，所述顶部圆盖11的侧壁设有软传感器插槽1101，且槽口处设有向下倾斜的导向口1102，顶部圆盖11的底部中心设有第一半球形腔室1103；位于圆盖球头12一端的上球体1201通过圆盖球头限位座13安装在第一半球形腔室1103内形成铰接结构，上球体1201能够在第一半球形腔室1103内转动；位于圆盖球头12另一端的上连接部1202与滑动连接件2连接。
52.本实施例中，以3d打印技术制作出顶部圆盖11(如图6所示)、圆盖球头12(如图7所示)和圆盖球头限位座13(如图8所示)，其中，顶部圆盖11的第一半球形腔室1103设有外螺纹，圆盖球头12中连接上球体的上连接部1202设有外螺纹，圆盖球头限位座13内壁设有内螺纹和内弧面。3d打印时，可采用常规的树脂材料，例如abs、pla、petg等，首先在建模软件中把各部分零件以相应的尺寸进行建模，特别要注意各螺纹之间的配合，保证打印成型的零件各螺纹之间能够完美配合，然后把所需零件的建模文件导入到3d打印机中进行打印。由于对装置的耐久度要求较高，在打印零件时，本实施例把3d打印机的填充率设为100％、模型层高设为0.12mm。最后把3d打印成型的各部分零件从3d打印机中取出，检查各部分零件的完整性以及各零件尺寸的准确性。不合格的零件需要重新打印，直到制造出合适的零件为止。
53.装配时，如图5中的(a)所示，将圆盖球头12一端的上球体1201以圆弧曲面配合的方式嵌入到顶部圆盖的第一半球形腔室1103内，将圆盖球头限位座13内螺纹朝上完全穿过圆盖球头12，与顶部圆盖11的外螺纹进行螺纹配合，拧紧，实现圆盖球头12的定位，得到如图5中的(b)所示的圆盖形连接件。装配完成后，圆盖球头限位座13的内弧面与圆盖球头的上球体1201圆弧面相匹配，圆盖球头12另一端的上连接部1202从圆盖球头限位座13伸出，用于连接滑动连接件2。
54.如图9和图12所示，所述的滑动连接件2包括筒球头基座21、弹簧22、活塞筒23、伸缩杆24和杆球头基座25，所述的伸缩杆24和弹簧22套接于活塞筒23内，且弹簧22位于伸缩杆24顶部，通过筒球头基座21固定，伸缩杆24顶部与活塞筒23底部设有防止伸缩杆24滑出活塞筒23的限位结构，伸缩杆24底部伸出活塞筒23外，通过杆球头基座25与三叉形连接件3连接。
55.本实施例中，以3d打印技术制作出伸缩杆24(如图10所示)、活塞筒23(如图11所示)、杆球头基座25(如图9中的(b)所示)和筒球头基座21(如图9中的(a)所示)，弹簧部分可以通过有心卷制弹簧机制作成型。其中，伸缩杆24顶部设有直径大于伸缩杆外径、小于活塞筒23内径的圆台，圆台与活塞筒间隙配合，伸缩杆24底部设有外径小于伸缩杆外径的外螺纹；活塞筒23顶部设有外螺纹，活塞筒23底部设有内径小于伸缩杆24顶部圆台外径的孔台；所述的孔台与圆台构成限位结构，孔台可以卡住圆台，保证伸缩杆不会从活塞筒脱落；筒球头基座21的内壁设有内螺纹，且筒球头基座21的一端还设有带内螺纹的安装孔；同样，杆球头基座25的内壁设有内螺纹，且杆球头基座25的一端还设有带内螺纹的安装孔。3d打印过程不再赘述。
56.装配时，将伸缩杆24底部外螺纹所在端穿过活塞筒23底部的孔台，保证活塞筒23
将伸缩杆24以套筒的形式包裹；将弹簧垂直放置于活塞筒23内，使伸缩杆24顶部的圆台顶住弹簧22，保证弹簧22既在活塞筒23中，又在伸缩杆24之上；将筒球头基座21内螺纹与活塞筒23外螺纹进行螺纹配合，完全拧紧，将弹簧22和伸缩杆24封在活塞筒23内；将杆球头基座25内螺纹与伸缩杆24外螺纹进行螺纹配合，完全拧紧，实现杆球头基座25在伸缩杆24上的装配，所述杆球头基座25的外径等于或小于伸缩杆24外径，不影响伸缩杆24在活塞筒内做上下运动。
57.如图13所示，所述的三叉形连接件3包括底座球头限位座31、底座球头32和三叉形底座33，所述的三叉形底座33的顶部中心设有第二半球形腔室3301；位于底座球头32一端的下球体3201通过底座球头限位座31安装在第二半球形腔室3301内形成铰接结构，下球体3201能够在第二半球形腔室3301内转动；位于底座球头32另一端的下连接部3202与滑动连接件2连接。
58.本实施例中，以3d打印技术制作出三叉形底座33(如图14所示)、底座球头32(如图13中的(a)所示)、底座球头限位座31(如图13中的(a)所示)。其中，三叉形底座33的第二半球形腔室3301设有外螺纹，底座球头32中连接下球体的下连接部3202设有外螺纹，底座球头限位座31内壁设有内螺纹和内弧面。3d打印过程不再赘述。
59.装配时，如图13中的(a)所示，将底座球头32一端的下球体3201以圆弧曲面配合的方式嵌入到三叉形底座33的第二半球形腔室3301内，将底座球头限位座31内螺纹朝上完全穿过底座球头32，与三叉形底座33的外螺纹进行螺纹配合，拧紧，实现底座球头32的定位，得到如图13中的(b)所示的三叉形连接件。装配完成后，底座球头限位座31的内弧面与底座球头32的下球体3201圆弧面相匹配，底座球头32另一端的下连接部3202从底座球头限位座31伸出，用于连接滑动连接件2。
60.将上述装配好的圆盖形连接件1、滑动连接件2和三叉形连接件3三者同轴相连，将圆盖形连接件1中的圆盖球头12的上连接部1202拧入滑动连接件2的筒球头基座21带内螺纹的安装孔内，将三叉形连接件3中的底座球头32的下连接部3202拧入滑动连接件2的杆球头基座25带内螺纹的安装孔内，实现三叉形支撑机构的装配。
61.本实施例中，所述的三叉形连接件3的三个分叉间隔120度分布，每一个分叉的长度大于圆盖形连接件1的半径，结构整体呈锥台型。软传感器4的一端通过套卡型卡槽5固定在三叉形连接件3的每一个分叉上，另一端固定在顶部圆盖11侧壁的软传感器插槽1101内。
62.在安装软传感器时，如图16中的(a)所示，用胶水将软传感器的其中一个圆角端折弯并与三叉形底座33的其中一个分叉末端粘合，然后用如图15所示的套卡型卡槽将软传感器端部和三叉形底座33端部一并套住，如图16中的(b)所示，使两者牢固贴合在一起，另外两根软传感器进行同样的操作。然后，如图16中的(c)和(d)所示，将软传感器的另一个圆角端弯折后涂抹胶水，拉伸软传感器并将其嵌入到顶部圆盖11侧壁的软传感器插槽1101内，使圆角端与导向口1102对齐，保证每一个软传感器无大幅度弯曲或褶皱，本实施例中，还可以在软传感器插槽处嵌入与槽等大的卡槽以对软传感器进一步固定。在工作过程中，软传感器式中保持拉伸状态。圆盘外围的三个软传感器插槽1101呈120度对称，每个插槽对应于三叉形底座的一个分叉。
63.由于上述安装在三叉形支撑机构上的软传感器暴露在外面，在高架桥轴承处容易被鸟巢、灰尘等脏物污染，导致传感器的检测精度降低甚至被损坏。因此，本实施例设计了
一种圆台型的保护外壳，由如图17中的(a)所示的保护罩6和如图17中的(b)所示的保护底座7构成，保护底座7上设有用于固定三叉形连接件3的三叉形槽71以及用于固定保护罩6的环形槽72；所述的保护罩6为上下开口的圆台结构，需要注意的是，保护罩6的顶部低于三叉形支撑机构的顶部一定高度，使得三叉形支撑机构顶部的圆盖形连接件1从保护罩6的上开口处伸出，保护罩6的下开口固定在保护底座7的环形槽72内。在保护外壳装置顶部可添加数层粘性薄膜(例如，透明胶带、高粘性保鲜膜等)以保护三叉形支撑机构的顶部圆盖不会被所处环境的尖锐物体破坏，在防止灰尘进入的同时减小高架桥轴承所处的恶劣环境对整个装置造成的损伤，同时便于更换保护外壳。
64.本发明的保护底座7可以采用柔软性聚合物(例如，tpu、橡胶等)制作，这可使整体装置起到缓冲作用，减少来自底部振动的影响，从而实现保护三叉形底座的作用。
65.在安装保护外壳时，如图18中的(a)所示，首先将安装好软传感器的三叉形支撑机构整体正置于保护底座上方，由于保护底座中间的三叉形槽71是按照三叉形底座的形状挖空的，故三叉形支撑机构的底座部分可以完全嵌入三叉形槽71内，然后将保护罩6从上至下套在三叉形支撑机构上，将三叉形支撑机构顶部的圆盖形连接件1从保护罩6的上开口处伸出，并将保护罩6的下开口嵌入到保护底座7的环形槽72内，得到如图18中的(b)所示的装配结果，用保护外壳将安装好软传感器的三叉形支撑机构整体套装后，可使其免受外界环境的干扰和破坏，外壳不影响内部的软传感器和三叉形支撑机构的正常工作。
66.使用上述软传感器三叉形装置测量高架桥轴承的移位情况时，将本发明的软传感器三叉形装置紧密安装于高架桥和桥墩之间的空隙处，与高架桥轴承在同一水平面上，如图19所示。当装置处于未工作状态时，圆盖形连接件1上表面和三叉形连接件3下表面分别抵接桥梁和桥墩。
67.高架桥在车辆行驶过程中受力后，在垂直方向上会对圆盖形连接件1的顶部造成向下的压力，滑动连接件2的内置弹簧受压，迫使伸缩杆产生垂直向下的位移；顶部圆盖11带动软传感器运动，故软传感器会在初始拉伸状态的基础上产生一定收缩变形，收缩变形量与受力大小有关；收缩变形导致电容变化，通过电容变化可以检测出高架桥轴承的垂直位移情况。
68.当高架桥相对桥墩发生水平位移时，在水平方向上会对圆盖形连接件1的顶部造成水平方向上的摩擦力，带动圆盖球头和底座球头发生一定范围内的转动，甚至也会带动顶部圆盖11产生相应的水平位移。同理，顶部圆盖11的转动或者水平位移会带动软传感器运动，三个软传感器将会发生不同程度的拉伸或收缩，通过电容变化可以检测出高架桥轴承的水平位移或转角。
69.因此，通过实时检测三个不同方向上的软传感器的拉伸与收缩变形，即可反求出垂直、水平位移及偏转角度，以检测弹性轴承的实时位移变化和偏转角度，实时反馈弹性轴承的健康状况，为评估和更换弹性轴承提供重要依据，从而监测高架桥与桥墩之间的移位和偏转情况，为避免重大事故和人员伤亡提供重要参考数据。
70.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本发明保护范围也包括本领域技术人员在权利要求范围内做出的各种变形或修改，例如，可以将本发明的软传感器三叉形装置的三叉形结构替换为四叉形、六叉形等形状，所使用的材料可以为铁、铝等一些刚性材料，保护外壳可以替换成圆柱体、正方体等
形状，或者采用对软传感器包裹固定的方式对每一个软传感器进行保护等。本发明实际的保护范围以权利要求书为准。