[发明专利]关节球式维间解耦二维无线无源传感器

说明书

本发明公开了一种关节球式维间解耦二维无线无源传感器，其包括传感器承力接头、上部关节球刚性结构体、弯矩刚性承力体、弯矩形变环、下部关节球刚性结构体、扭矩形变片、弯矩传递杆、应变片刚性连接头和传感器承力轴。本发明的关节球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。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种关节球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。

发明内容

本发明目的是提供一种关节球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：一种关节球式维间解耦二维无线无源传感器，其包括传感器承力接头、上部关节球刚性结构体、弯矩刚性承力体、弯矩形变环、下部关节球刚性结构体、扭矩形变片、弯矩传递杆、应变片刚性连接头和传感器承力轴；

所述传感器承力接头通过上部支撑圆筒固定于所述上部关节球刚性结构体；

所述上部关节球刚性结构体的下表面上形成有球窝，在所述上部关节球刚性结构体的上表面上形成有开口向上的环形槽；所述弯矩刚性承力体呈圆筒状结构，其下端插入于所述上部关节球刚性结构体的环形槽内，并且所述弯矩刚性承力体的上端形成有法兰，所述弯矩刚性承力体的外部套设有弯矩形变环，所述弯矩形变环的外侧壁上粘贴有多个磁致伸缩材料；

所述下部关节球刚性结构体与扭矩刚性封盖相固定，并且在所述下部关节球刚性结构体和扭矩刚性封盖之间从上至下依次固定有扭矩应变片连接板、下部支撑圆筒和扭矩刚性结构体；

所述扭矩刚性结构体包括圆柱形的筒体以及形成于所述筒体下端的法兰，所述扭矩刚性结构体的法兰被设置于所述下部支撑圆筒和扭矩刚性封盖之间，所述扭矩刚性结构体的筒体的下端形成有内台阶；

所述传感器承力轴的外壁面上形成有环形凸起，所述环形凸起设置于所述扭矩刚性封盖和扭矩刚性结构体之间，位于所述扭矩刚性结构体的内台阶内，并使得所述传感器承力轴在扭矩刚性结构体和扭矩刚性封盖之间自由转动；

在所述传感器承力轴的上端沿其轴心线方向开设有螺纹孔，在所述扭矩刚性结构体的筒体的内壁上形成有竖直方向开设的键槽；所述键槽的数量为两个，两个键槽沿扭矩刚性结构体的筒体的内壁面的周向方向均匀分布；所述应变片刚性连接头包括同轴心线设置并相互固定的上圆柱部和下圆柱部，所述上圆柱部的直径大于所述下圆柱部的直径，所述下圆柱部的外表面开设有外螺纹，所述外螺纹与所述传感器承力轴的螺纹孔配合；