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。
1.一种关节球式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，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；
所述上圆柱部的外壁面上开设有导向槽，所述导向槽与所述扭矩刚性结构体上开设的键槽的位置对应，在所述导向槽内设置有导向键，并且所述导向键凸出于所述上圆柱部的部分位于所述扭矩刚性结构体的键槽内；
所述扭矩形变片的一端固定于所述应变片刚性连接头，另一端固定于所述扭矩应变片连接板；
所述下部关节球刚性结构体的中心开设有螺纹孔，所述下部关节球刚性结构体的螺纹孔内固定有关节球刚性体；所述关节球刚性体的上端呈半球形，并位于所述球窝内；
所述弯矩刚性承力体的上端和法兰被通过其轴心线的切口分割为多个部分，并且法兰的每个部分上开设有通孔；所述上部关节球刚性结构体相对于所述弯矩刚性承力体的通孔的位置开设有通孔，所述上部关节球刚性结构体的通孔内设置有铜制滑套，所述弯矩传递杆一端连接于所述下部关节球刚性结构体，另一端穿过所述铜制滑套，连接于所述弯矩刚性承力体的法兰的一个部分。
2.根据权利要求1所述的关节球式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述上部支撑圆筒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、上部支撑圆筒和上部关节球刚性结构体，通过螺母将传感器承力接头、上部支撑圆筒和上部关节球刚性结构体固定在一起。
3.根据权利要求1所述的关节球式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，双头螺栓依次穿过下部关节球刚性结构体、扭矩应变片连接板、下部支撑圆筒、扭矩刚性结构体和扭矩刚性封盖，通过螺母将下部关节球刚性结构体、扭矩应变片连接板、下部支撑圆筒、扭矩刚性结构体和扭矩刚性封盖固定在一起。
4.根据权利要求1所述的关节球式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述应变片刚性连接头或扭矩应变片连接板上开设有方形槽，以及沿垂直于所述方形槽的方向开设有调节螺钉孔，所述扭矩形变片的两端均开设有圆孔，所述扭矩形变片的两端插入于所述应变片刚性连接头或扭矩应变片连接板的方形槽内，并通过调节螺钉固定，所述扭矩形变片上粘贴有磁致伸缩材料。
5.根据权利要求1所述的关节球式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述弯矩刚性承力体的上端和法兰沿其周向被等分为6个部分。
6.根据权利要求1所述的关节球式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述下部关节球刚性结构体上开设有沉孔，所述沉孔内设置有带孔铜珠，所述弯矩传递杆的下端穿过所述下部关节球刚性结构体的沉孔的底壁，固定于所述带孔铜珠；所述弯矩传递杆的上端穿过所述弯矩刚性承力体的通孔，固定于带孔铜珠。
关节球式维间解耦二维无线无源传感器
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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
[0006] 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。
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 所述上圆柱部的外壁面上开设有导向槽，所述导向槽与所述扭矩刚性结构体上开设的键槽的位置对应，在所述导向槽内设置有导向键，并且所述导向键凸出于所述上圆柱部的部分位于所述扭矩刚性结构体的键槽内；
[0015] 所述扭矩形变片的一端固定于所述应变片刚性连接头，另一端固定于所述扭矩应变片连接板；
[0016] 所述下部关节球刚性结构体的中心开设有螺纹孔，所述下部关节球刚性结构体的螺纹孔内固定有关节球刚性体；所述关节球刚性体的上端呈半球形，并位于所述球窝内；
[0017] 所述弯矩刚性承力体的上端和法兰被通过其轴心线的切口分割为多个部分，并且法兰的每个部分上开设有通孔；所述上部关节球刚性结构体相对于所述弯矩刚性承力体的通孔的位置开设有通孔，所述上部关节球刚性结构体的通孔内设置有铜制滑套，所述弯矩传递杆一端连接于所述下部关节球刚性结构体，另一端穿过所述铜制滑套，连接于所述弯矩刚性承力体的法兰的一个部分。
[0018] 可选的，所述上部支撑圆筒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、上部支撑圆筒和上部关节球刚性结构体，通过螺母将传感器承力接头、上部支撑圆筒和上部关节球刚性结构体固定在一起。
[0019] 可选的，双头螺栓依次穿过下部关节球刚性结构体、扭矩应变片连接板、下部支撑圆筒、扭矩刚性结构体和扭矩刚性封盖，通过螺母将下部关节球刚性结构体、扭矩应变片连接板、下部支撑圆筒、扭矩刚性结构体和扭矩刚性封盖固定在一起。
[0020] 可选的，所述应变片刚性连接头或扭矩应变片连接板上开设有方形槽，以及沿垂直于所述方形槽的方向开设有调节螺钉孔，所述扭矩形变片的两端均开设有圆孔，所述扭矩形变片的两端插入于所述应变片刚性连接头或扭矩应变片连接板的方形槽内，并通过调节螺钉固定，所述扭矩形变片上粘贴有磁致伸缩材料。
[0021] 可选的，所述弯矩刚性承力体的上端和法兰沿其周向被等分为6个部分。
[0022] 可选的，所述下部关节球刚性结构体上开设有沉孔，所述沉孔内设置有带孔铜珠，所述弯矩传递杆的下端穿过所述下部关节球刚性结构体的沉孔的底壁，固定于所述带孔铜珠；所述弯矩传递杆的上端穿过所述弯矩刚性承力体的通孔，固定于带孔铜珠。
[0023] 本发明具有如下有益效果：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。
附图说明
[0024] 图1是本发明的关节球式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构示意图。
[0025] 图2是本发明的关节球式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构剖视图。
[0026] 图3是本发明的关节球式维间解耦二维无线无源传感器的爆炸结构示意图。
[0027] 图4是本发明的关节球式维间解耦二维无线无源传感器爆炸结构剖视图。
[0028] 图5是本发明的弯曲力受力敏感区的立体结构零件拆解图
[0029] 图6是本发明的弯曲力受力敏感区的立体结构剖视图。
[0030] 图7是本发明的扭转力受力敏感区的立体结构剖视图。
[0031] 图8是本发明的扭转力受力敏感区立体结构零件拆解图。
[0032] 图中标记示意为：1-传感器承力接头；2-上部支撑圆筒；3-弯矩刚性承力体；4-弯矩形变环；5-上部关节球刚性结构体；6-铜制滑套；7-弯矩传递杆；8-关节球刚性体；9-下部关节球刚性结构体；10-扭矩应变片连接板；11-下部支撑圆筒；12-扭矩形变片；13-应变片刚性连接头；14-扭矩刚性结构体；15-传感器承力轴；16-扭矩刚性封盖；17-带孔铜珠。
具体实施方式
[0033] 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。
[0034] 实施例1
[0035] 本实施例提供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1、上部关节球刚性结构体5、弯矩刚性承力体3、弯矩形变环4、下部关节球刚性结构体9、扭矩形变片12、弯矩传递杆7、应变片刚性连接头13和传感器承力轴15；
[0036] 所述传感器承力接头1通过上部支撑圆筒2固定于所述上部关节球刚性结构体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和上部关节球刚性结构体5，通过螺母将传感器承力接头1、上部支撑圆筒2和上部关节球刚性结构体5固定在一起。
[0037] 所述上部关节球刚性结构体5的下表面上形成有球窝，在所述上部关节球刚性结构体5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3呈圆筒状结构，其下端插入于所述上部关节球刚性结构体5的环形槽内，并且所述弯矩刚性承力体3的上端形成有法兰，所述弯矩刚性承力体3的外部套设有弯矩形变环4，以通过所述弯矩刚性承力体3的动作使得所述弯矩形变环4发生形变，来检测关节球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，解决了长期动态监测的问题。
[0038] 所述下部关节球刚性结构体9与扭矩刚性封盖16相固定，并且在所述下部关节球刚性结构体9和扭矩刚性封盖16之间从上至下依次固定有扭矩应变片连接板10、下部支撑圆筒11和扭矩刚性结构体14；作为一种实现形式，可以采用双头螺栓依次穿过下部关节球刚性结构体9、扭矩应变片连接板10、下部支撑圆筒11、扭矩刚性结构体14和扭矩刚性封盖16，通过螺母将下部关节球刚性结构体9、扭矩应变片连接板10、下部支撑圆筒11、扭矩刚性结构体14和扭矩刚性封盖16固定在一起。
[0039] 所述扭矩刚性结构体14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14的法兰被设置于所述下部支撑圆筒11和扭矩刚性封盖16之间，所述扭矩刚性结构体14的筒体的下端形成有内台阶。
[0040] 所述传感器承力轴15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16和扭矩刚性结构体14之间，并位于所述扭矩刚性结构体14的内台阶内，从而使得所述传感器承力轴15能够在扭矩刚性结构体14和扭矩刚性封盖16之间自由转动。
[0041] 在所述传感器承力轴15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14的筒体的内壁上形成有竖直方向开设的键槽，本实施例中，所述键槽的数量可以为两个，并且两个键槽沿扭矩刚性结构体14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13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15的螺纹孔配合，以在所述传感器承力轴15发生转动时，能够实现应变片刚性连接头的上下运动。
[0042] 所述上圆柱部的外壁面上开设有导向槽，本实施例中，所述导向槽与所述扭矩刚性结构体14上开设的键槽的位置对应，在所述导向槽内设置有导向键，并且所述导向键凸出于所述上圆柱部的部分位于所述扭矩刚性结构体14的键槽内，从而能够防止扭矩刚性结构体14和应变片刚性连接头13之间发生相对转动。
[0043] 所述扭矩形变片12的一端固定于所述应变片刚性连接头13，另一端固定于所述扭矩应变片连接板10，作为一种实现形式，所述应变片刚性连接头13或扭矩应变片连接板10上开设有方形槽，以及沿垂直于所述方形槽的方向开设有调节螺钉孔，所述扭矩形变片12的两端均开设有圆孔，所述扭矩形变片12的两端插入于所述应变片刚性连接头13或扭矩应变片连接板10的方形槽内，并通过调节螺钉固定，所述扭矩形变片12上粘贴有磁致伸缩材料，解决了长期动态监测的问题。
[0044] 作为一种实现形式，所述扭矩形变片的包括上固定部、下固定部以及连接所述上固定部和下固定部的连接部，此时所述上固定部和下固定部上开设有圆孔，所述连接部上沿其长度方向开设有长条形孔，并且所述连接部的厚度小于所述上固定部和下固定部的厚度，以使得所述连接部相对于上固定部和下固定部而言，具有较低的刚度，从而使得扭矩形变片在受力时，连接部容易发生形变，此时所述连接部上粘贴有磁致伸缩材料。
[0045] 所述下部关节球刚性结构体9的中心开设有螺纹孔，所述螺纹孔内固定有关节球刚性体8，所述关节球刚性体8的上端呈半球形，并位于所述球窝内。
[0046] 所述弯矩刚性承力体3的上端和法兰被通过其轴心线的切口分割为多个部分，本实施例中，所述弯矩刚性承力体的上端和法兰沿其周向被等分为6个部分；并且法兰每个部分上开设有通孔；所述上部关节球刚性结构体5相对于所述弯矩刚性承力体3的通孔的位置开设有通孔，所述上部关节球刚性结构体5的通孔内设置有铜制滑套6，所述弯矩传递杆7一端连接于所述下部关节球刚性结构体9，另一端穿过所述铜制滑套6，连接于所述弯矩刚性承力体3的法兰的一个部分。
[0047] 优选地，所述下部关节球刚性结构体9上开设有沉孔，所述沉孔内设置有带孔铜珠17，所述弯矩传递杆7的下端穿过所述下部关节球刚性结构体9的沉孔的底壁(沉孔开口向下)，固定于所述带孔铜珠17；更优选地，所述弯矩传递杆7的上端穿过所述弯矩刚性承力体
3的通孔，固定于带孔铜珠17。
[0048] 当关节球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传感器承力轴15的环形凸起两侧的轴肩，传递给扭矩刚性结构体14和扭矩刚性封盖16；并且该扭转力使得传感器承力轴15发生转动，并使得应变片刚性连接头13产生轴向运动，进而带动了扭矩形变片12，使扭矩形变片产生轴向形变，实现扭矩形变片12单一方向受力的要求，保证关节球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。
[0049] 当关节球式维间解耦二维无线无源传感器受到弯曲分力时，上部关节球刚性结构体5、关节球刚性体8和下部关节球刚性结构体9构成一个支撑结构，通过上部关节球刚性结构体5和关节球刚性体8的接触部位作为支点，把弯曲力转化为轴向拉力并直接作用到弯矩传递杆7上。
[0050] 所述弯矩刚性承力体3呈花瓣状，当受到弯矩传递杆7带来的拉力时，产生扩张形变，以此来带动弯矩形变环4产生应变。
[0051] 而且本实施例中，将带孔铜珠17放置在下部关节球刚性结构体9的对应孔位处，再由弯矩传递杆7与带孔铜珠通过螺纹连接固定。其中在带孔铜珠17与下部关节球刚性结构体9所对应的连接孔处，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关节球轴承，以此在满足一定活动角度的前提下，实现弯曲分力传递杆7在与下部关节球刚性结构体9的紧固连接。
[0052] 同时在弯矩刚性承力体3与弯矩传递杆7的连接部位依然使用这种由带孔铜珠17构成的简易关节球轴承。在上部关节球刚性结构体5与弯矩传递杆7之间安装有铜制滑套6，铜制滑套6与上部关节球刚性结构体5通过螺纹连接，并且铜制滑套6的内壁表面光滑与弯曲分力传递杆7可以进行流畅的滑动。
[0053] 当弯曲分力传递杆7受到扭转分力作用时，由于受到六个均匀分布的铜制滑套6与弯曲分力传递杆7组成的限位结构，故扭转分力不会影响到弯矩形变环4，通过下关节球刚性结构体9传递到扭转分力敏感区。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。
[0054] 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12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。
[0055] 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。
[0056] 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。
