專利名稱：可實現(xiàn)彎矩扭矩和傾角多元復合變量檢測的多維傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于力學檢測和傳感器檢測技術領域，尤其涉及一種可實現(xiàn)彎矩、 扭矩和傾角多元復合變量檢測的多維傳感器。
背景技術：
近年來，生物醫(yī)學工程學的發(fā)展非常迅速，而作為主要分支領域的生物材 料、生物力學研究，隨著生物技術的蓬勃發(fā)展和重大突破，已成為各國科學家 競相研究和開發(fā)的熱點。生物材料是用來對于生物體進行診斷、治療、修復或 替換其病損組織、器官或增進其功能的新型高技術材料，而滿足在人體復雜運 動載荷下的力學特性，是生物材料最主要的性能指標。
鑒于人體運動的復雜性，特別是脊椎、腰椎、膝關節(jié)、肘關節(jié)等部位運動 時，涉及多維變量的扭彎復合力加載，如何準確、高精度地同步檢測復合力加 載條件下的生物材料特性，成為當前科學研究與產業(yè)發(fā)展的瓶頸，主要是缺乏 可同步檢測多維變量的傳感器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種可實現(xiàn)彎矩扭矩和傾角 多元復合變量檢測的多維傳感器。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的 一種可實現(xiàn)彎矩扭矩和傾角 多元復合變量檢測的多維傳感器，它主要由上固定件、實心重錘、傾角傳感器、 注油容腔、保護罩、彈性薄壁和下固定件組成。所述上固定件和下固定件通過 圓筒形的保護罩和彈性薄壁相連，彈性薄壁在保護罩內側。彈性薄壁內壁中空， 與上固定件和下固定件一起組成注油容腔。傾角傳感器固定在下固定件上，由 頭部的實心重錘和主干的彈性柱狀體組成。在所述彈性薄壁沿X軸方向上的兩
側的正中，沿Z軸平行方向與垂直方向貼有4個全橋應變片R1、 R2、 R3、 R4。 其中，Rl、 R3與Z軸平行，R2、 R4與Z軸垂直，組成的全橋電路檢測傳感器左
3右方向受到的彎矩。在所述彈性薄壁沿Y軸方向上的兩側的正中，沿Z軸平行
方向與垂直方向貼有4個全橋應變片R5、 R6、 R7、 R8。其中，R5、 R7與Z軸平 行，R6、 R8與Z軸垂直，組成的全橋電路檢測傳感器前后方向受到的彎矩。在 所述彈性薄壁內壁一條直徑方向上的彈性體薄壁兩側正中，貼有4個全橋應變 片R9、 RIO、 Rll、 R12。這條直徑在水平面上的投影與X軸、Y軸分別有45°的 夾角，即在X軸與Y軸形成的角平分線上.其中，R9、 R11與Z軸成45。夾角， RIO、 R12與Z軸成-45。夾角，組成的全橋電路檢測傳感器沿Z軸方向受到的扭 力值。在所述傾角傳感器主干的彈性柱狀體正中，沿Z軸平行方向與垂直方向 貼4個全橋應變片R13、 R14、 R15、 R16。其中，R13、 R15與Z軸平行，R14、 R16與Z軸垂直，組成的全橋電路檢測傳感器傾斜角度。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明實現(xiàn)了兩維的彎矩、 一維的扭矩以及一個中 心傾角的檢測，基本滿足了脊椎、關節(jié)在簡單運動狀態(tài)下，多維復合力檢測的 需求。本發(fā)明具有多維復合變量檢測的實時性、同步性好，以及檢測精度高等 特點。


圖1是本發(fā)明多維傳感器的三維結構圖； 圖2是本發(fā)明多維傳感器的剖視圖； 圖3是X軸正向力矩與電壓輸出關系圖； 圖4是X軸負向力矩與電壓輸出關系圖； 圖5是Y軸正向力矩與電壓輸出關系圖； 圖6是X軸負向力矩與電壓輸出關系圖； 圖7是Z軸方向扭矩與電壓輸出關系圖； 圖8是Z軸方向扭矩與電壓輸出關系圖中，1、上固定件，2、實心重錘，3、傾角傳感器，4、注油容腔，5、保 護罩，6、彈性薄壁，7、下固定件。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。 本發(fā)明采用多層圓筒式設計，頂部通過法蘭與外部連接，底部通過螺釘可 以固定任意形狀的待測多自由度機構，中心檢測部分采用內壁與外部兩部分組成，外壁是起支撐作用的保護罩，內壁是彈性體薄壁，貼有應變片，傳感器受 力后彈性體薄壁變形引起應變片變形，通過全橋電路檢測應變片上電信號的變 化，分析計算待測機構傳遞的力學信息。利用應變片變形檢測待測機構的力學 信息，可以檢測X、 Y水平相互垂直兩個方向的彎矩、Z軸中心軸方向的一個扭 矩和Z軸中心軸與重力方向的偏轉角度；所有復合變量檢測是同步進行的。
如圖1所示，本發(fā)明可實現(xiàn)彎矩扭矩和傾角多元復合變量檢測的多維傳感
器主要由上固定件l、實心重錘2、傾角傳感器3、注油容腔4、保護罩5、彈性 薄壁6和下固定件7組成。上固定件1和下固定件7通過圓筒形的保護罩5和 彈性薄壁6相連，彈性薄壁6在保護罩5內側，彈性薄壁6內壁中空，彈性薄 壁6與上固定件1和下固定件7組成注油容腔4。傾角傳感器3底部通過螺釘固 定在下固定件7上，傾角傳感器3由頭部的實心重錘2和主干的彈性柱狀體組 成。
如圖2所示，在彈性薄壁6沿X軸方向(即左右方向)上的兩側的正中， 沿Z軸(即豎直方向)平行方向與垂直方向貼有4個全橋應變片R1、 R2、 R3、 R4，用以檢測X軸方向的彎矩；其中，Rl、 R3與Z軸平行，R2、 R4與Z軸垂直，
組成的全橋電路檢測傳感器左右方向受到的彎矩。
在彈性薄壁6沿Y軸方向(即前后方向)上的兩側的正中，沿Z軸平行方 向與垂直方向貼有4個全橋應變片R5、 R6、 R7、 R8，用以檢測Y軸方向的彎矩； 其中，R5、 R7與Z軸平行，R6、 R8與Z軸垂直，組成的全橋電路檢測傳感器前
后方向受到的彎矩。
在彈性薄壁6內壁一條直徑方向上的彈性體薄壁兩側正中，貼有4個全橋 應變片R9、 RIO、 Rll、 R12，檢測Z軸方向的扭矩。這條直徑在水平面上的投影 與X軸、Y軸分別有45。的夾角，即在X軸與Y軸形成的角平分線上；其中， R9、 R11與Z軸成45。夾角，而RIO、 R12與Z軸成-45°夾角，組成的全橋電 路檢測傳感器沿Z軸方向受到的扭力值。
傾角傳感器3主干的彈性柱狀體上沿Z軸平行方向與垂直方向貼4個全橋 應變片R13、 R14、 R15、 R16;其中，R13、 R15與Z軸平行，R14與R16與Z軸 垂直，組成的全橋電路檢測傳感器傾斜角度。當傳感器傾斜一定角度后，實心 重錘2受重力，重力方向與傳感器中心軸有一個夾角，彈性柱狀體受彎矩變形， 應變片橋路電流產生變化，根據(jù)電流值分析計算傾斜角度。
對復合變量多維傳感器進行標定檢測，所得到的結果如下所示
1. 檢測X軸正向方向力矩與檢測電壓輸出關系如圖3所示。
2. 檢測X軸負向方向力矩與檢測電壓輸出關系如圖4所示。3. 檢測Y軸正向方向力矩與檢測電壓輸出關系如圖5所示。
4. 檢測Y軸負向方向力矩與檢測電壓輸出關系如圖6所示。
5. 檢測Z軸方向扭矩與檢測電壓輸出關系如圖7所示。
6. 檢測Z軸傾角與檢測電壓輸出關系如圖8所示。
本發(fā)明可實現(xiàn)彎矩扭矩和傾角多元復合變量檢測的多維傳感器加載于待測 樣品與檢測機構之間，通過上固定件1與可多維復雜運動的檢測機構連接，通 過下固定件7與待測樣品連接。當檢測機構進行多自由度復雜旋轉、彎曲、傾 斜動作時，相應的樣品受到彎矩、扭矩作用。多維傳感器利用全橋應變片Rl、 R2、 R3、 R4，檢測X軸方向的彎矩，利用全橋應變片R5、 R6、 R7、 R8，用以檢 測Y軸方向的彎矩，利用全橋應變片R9、 RIO、 Rll、 R12，檢測Z軸方向的扭矩， 利用全橋應變片R13、 R14、 R15、 R16，檢測多維傳感器傾斜的角度。
權利要求
1、一種可實現(xiàn)彎矩扭矩和傾角多元復合變量檢測的多維傳感器，其特征在于，它主要由上固定件、實心重錘、傾角傳感器、注油容腔、保護罩、彈性薄壁和下固定件組成。所述上固定件和下固定件通過圓筒形的保護罩和彈性薄壁相連，彈性薄壁在保護罩內側。彈性薄壁內壁中空，與上固定件和下固定件一起組成注油容腔。傾角傳感器固定在下固定件上，由頭部的實心重錘和主干的彈性柱狀體組成。
2、 根據(jù)權利要求1所述多維傳感器，其特征在于，在所述彈性薄壁沿X軸方向上的兩側的正中，沿.Z軸平行方向與垂直方向貼有4個全橋應變片Rl、R2、 R3、 R4。其中，Rl、 R3與Z軸平行，R2、 R4與Z軸垂直，組成的全橋電路檢測傳感器左右方向受到的彎矩。
3、 根據(jù)權利要求1所述多維傳感器，其特征在于，在所述彈性薄壁沿Y軸方向上的兩側的正中，沿Z軸平行方向與垂直方向貼有4個全橋應變片R5、R6、 R7、 R8。其中，R5、 R7與Z軸平行，R6、 R8與Z軸垂直，組成的全橋電路檢測傳感器前后方向受到的彎矩。
4、 根據(jù)權利要求1所述多維傳感器，其特征在于，在所述彈性薄壁內壁一條直徑方向上的彈性體薄壁兩側正中，貼有4個全橋應變片R9、 RIO、 Rll、R12。這條直徑在水平面上的投影與X軸、Y軸分別有45。的夾角，即在X軸與Y軸形成的角平分線上.其中，R9、 R11與Z軸成45。夾角，R10、 R12與Z軸成-45°夾角，組成的全橋電路檢測傳感器沿Z軸方向受到的扭力值。
5、 根據(jù)權利要求1所述多維傳感器，其特征在于，在所述傾角傳感器主干的彈性柱狀體正中，沿Z軸平行方向與垂直方向貼4個全橋應變片R13、R14、R15、 R16。其中，R13、 R15與Z軸平行，R14、 R16與Z軸垂直，.組成的全橋電路檢測傳感器傾斜角度。
6、 根據(jù)權利要求1所述多維傳感器，其特征在于，所述傾角傳感器底部通過螺釘固定在下固定件上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可實現(xiàn)彎矩扭矩和傾角多元復合變量檢測的多維傳感器，它主要由上固定件、實心重錘、傾角傳感器、注油容腔、保護罩、彈性薄壁和下固定件組成，在彈性薄壁沿X軸方向上的兩側的正中、彈性薄壁沿Y軸方向上的兩側的正中、彈性薄壁內壁一條直徑方向上的彈性體薄壁兩側正中和傾角傳感器主干的彈性柱狀體正中分別貼一組全橋應變片。多維傳感器頂部通過法蘭與外部機構連接，底部通過螺釘與待測多自由度運動機構連接，當外部機構施加外部力時，多自由度運動機構隨之變形，多維傳感器可檢測兩維彎矩、一個扭矩、一個傾角等多維復合變量。
文檔編號G01N3/00GK101458187SQ20081016418
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權日2008年12月29日
發(fā)明者兵 倪, 呂榮坤, 涂岳文, 凱 蔣 申請人:浙江大學