本發明涉及二維(wei)力測量及反射(she)式(shi)光纖(xian)傳感，具體為一種無(wu)維(wei)間(jian)耦合的反射(she)式(shi)光纖(xian)二維(wei)徑向力測力銷軸。

背景技術：

1、二維徑向力(li)(li)測(ce)(ce)(ce)力(li)(li)銷軸既是(shi)具(ju)有(you)感知功能的力(li)(li)傳感器(qi)，又是(shi)具(ju)有(you)連接功能的銷軸。例如，用此測(ce)(ce)(ce)力(li)(li)銷軸替代傳統銷軸連接列(lie)車瓦托和制動(dong)梁，便(bian)可(ke)實(shi)時(shi)獲得閘瓦制動(dong)的正壓力(li)(li)和摩擦力(li)(li)，為(wei)列(lie)車智能運維提供(gong)必(bi)要的數據(ju)基礎。力(li)(li)傳感器(qi)通(tong)常由彈性(xing)(xing)(xing)元件(jian)(jian)和轉(zhuan)(zhuan)換元件(jian)(jian)組成(cheng)。其中，彈性(xing)(xing)(xing)元件(jian)(jian)直接承受(shou)力(li)(li)的作用并產生(sheng)彈性(xing)(xing)(xing)變(bian)形或彈性(xing)(xing)(xing)應變(bian)響(xiang)應，轉(zhuan)(zhuan)換元件(jian)(jian)則將彈性(xing)(xing)(xing)元件(jian)(jian)的響(xiang)應轉(zhuan)(zhuan)換成(cheng)適(shi)于傳輸或測(ce)(ce)(ce)量(liang)的信號，如電信號、光信號等。彈性(xing)(xing)(xing)元件(jian)(jian)可(ke)以(yi)分為(wei)整體(ti)式和裝配(pei)式兩大類(lei)；

2、整體式彈性體常采用水平梁、垂直筋等結構，其(qi)中就包(bao)括如下：

3、由(you)孫(sun)世政,廖(liao)超,李潔(jie),等在基于(yu)光纖布拉格光柵的(de)二(er)維力(li)傳感(gan)器(qi)設計及(ji)實驗研(yan)究[j].儀器(qi)儀表(biao)學報中提出的(de)十字(zi)梁(liang)結構的(de)fbg二(er)維力(li)傳感(gan)器(qi)；

4、由劉昌健(jian).在基(ji)于力(li)(li)反饋設備的三維(wei)力(li)(li)傳感器(qi)和控制器(qi)的研究與實(shi)現中提出的四垂(chui)直筋結(jie)構的電阻應(ying)變(bian)式三維(wei)力(li)(li)傳感器(qi)；

5、由楊真(zhen)真(zhen)在平(ping)面并(bing)聯柔鉸(jiao)三(san)維(wei)力傳感器(qi)研制[d].燕山(shan)大學,2016.中提出的柔性(xing)平(ping)面3-rrr型三(san)維(wei)力傳感器(qi)；

6、由李(li)永明在一種基于柔(rou)性結構的新型三(san)維力傳感器優化(hua)設計與解耦[d].江西理工大學,2018.中提出的三(san)維力傳感器；

7、裝配式彈性(xing)體常采用并聯式機(ji)構，其中就包括如下：

8、由楊偉在剛柔混合大變形并聯三(san)維力傳(chuan)感器設(she)計與實驗(yan)研究(jiu)[d].燕山大學,2020.中提(ti)出的并聯式(shi)三(san)維力傳(chuan)感器；

9、由孫壯虎在基于水泵軸向(xiang)力和(he)徑向(xiang)力測(ce)量的(de)三維(wei)力傳感器設計[d].沈陽工業大(da)學,2023.中提(ti)出(chu)的(de)滑動式三維(wei)力傳感器；

10、由翁大(da)成在(zai)機械解耦并(bing)聯三(san)維力傳感(gan)器(qi)(qi)設(she)計與(yu)研制[d].燕山大(da)學,2017.中提出的十二分支(zhi)機械解耦并(bing)聯式三(san)維力傳感(gan)器(qi)(qi)；

11、上述技術(shu)存在以下(xia)技術(shu)不足：

12、(1)維間(jian)耦合(he)問題，維間(jian)耦合(he)是制約多(duo)維力(li)傳(chuan)感(gan)器測量精度的主要因素，國內(nei)外(wai)學者為(wei)降低多(duo)維力(li)傳(chuan)感(gan)器維間(jian)耦合(he)進行了大量研究，一般(ban)而言如(ru)下：

13、整體(ti)式彈(dan)性體(ti)不存在間(jian)隙和摩擦副，因此(ci)重(zhong)復(fu)性和線(xian)性度較好，但缺點(dian)是(shi)維間(jian)耦合大；

14、裝(zhuang)配式彈性(xing)體通過設計恰當的運動(dong)副來降低(di)維間耦合，但由于摩(mo)擦(ca)力的存在，并(bing)未實現無維間耦合，且還降低(di)了(le)傳感器的重復性(xing)和線性(xing)度；

15、(2)溫度(du)敏(min)感問題，現有多(duo)維力傳(chuan)感器(qi)常使(shi)用電阻應變片或(huo)光(guang)纖光(guang)柵(zha)作為轉換元(yuan)件(jian)，通過測量(liang)彈性(xing)元(yuan)件(jian)的(de)(de)應變來(lai)計(ji)算其受到(dao)的(de)(de)載荷。但這兩種(zhong)測量(liang)應變的(de)(de)元(yuan)件(jian)均對(dui)溫度(du)敏(min)感，需要專門設計(ji)溫度(du)補償裝置。此外，光(guang)纖光(guang)柵(zha)的(de)(de)制(zhi)造(zao)需要使(shi)用復(fu)雜(za)的(de)(de)光(guang)刻和腐蝕工藝(yi)，制(zhi)造(zao)成本(ben)較高。

16、因此需要對以上問題(ti)提(ti)出一種新(xin)的解決方案。

技術實現思路

1、本發明的目的在于(yu)提供一(yi)種無維(wei)間耦合的反射式光(guang)纖(xian)二維(wei)徑向力測力銷軸，以解決背景(jing)技術中提出的問題。

2、為實現上述目(mu)的(de)，本發(fa)明提(ti)供如下(xia)技術方(fang)案(an)：一種無維間耦(ou)合的(de)反射式光纖二(er)維徑向力(li)測力(li)銷軸，包(bao)(bao)括(kuo)安裝(zhuang)基礎、定位套(tao)和加(jia)載(zai)裝(zhuang)置，所述加(jia)載(zai)裝(zhuang)置處(chu)開設有孔，還包(bao)(bao)括(kuo)芯軸、承載(zai)套(tao)、壓(ya)緊螺母(mu)、帶孔軸向定位套(tao)、軸向定位套(tao)、金屬空心o形(xing)密封環(huan)和反射器；

3、所述芯軸的兩端(duan)通過外螺紋與安裝基礎固定連接(jie)；

4、所(suo)述(shu)芯軸的外側設置有承載(zai)(zai)套(tao)(tao)，所(suo)述(shu)承載(zai)(zai)套(tao)(tao)用(yong)于(yu)承受(shou)加載(zai)(zai)裝置的二(er)維徑向載(zai)(zai)荷；

5、所(suo)述(shu)芯(xin)軸(zhou)(zhou)(zhou)的(de)(de)左端(duan)設(she)置(zhi)(zhi)有壓緊(jin)螺母(mu)(mu)，所(suo)述(shu)芯(xin)軸(zhou)(zhou)(zhou)的(de)(de)外表(biao)面(mian)設(she)置(zhi)(zhi)有帶孔(kong)軸(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)定(ding)(ding)位套(tao)(tao)和(he)軸(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)定(ding)(ding)位套(tao)(tao)，所(suo)述(shu)壓緊(jin)螺母(mu)(mu)用于配合芯(xin)軸(zhou)(zhou)(zhou)右端(duan)的(de)(de)軸(zhou)(zhou)(zhou)肩一起(qi)將帶孔(kong)軸(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)定(ding)(ding)位套(tao)(tao)和(he)軸(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)定(ding)(ding)位套(tao)(tao)軸(zhou)(zhou)(zhou)向(xiang)(xiang)壓緊(jin)；

6、所述(shu)芯(xin)軸與(yu)承載套之間設置有金屬空(kong)(kong)心o形密封(feng)環，所述(shu)金屬空(kong)(kong)心o形密封(feng)環具有一定(ding)的(de)彈性變(bian)形能力；

7、所述芯(xin)軸的外側還設(she)置(zhi)有四個(ge)反射(she)器。

8、進(jin)一(yi)步(bu)地，所(suo)述承(cheng)載套包括外圓柱面(mian)(mian)和鼓形彈(dan)性(xing)環(huan)，所(suo)述外圓柱面(mian)(mian)與加(jia)載裝(zhuang)置的(de)孔的(de)內(nei)圓柱面(mian)(mian)相連，所(suo)述承(cheng)載套在(zai)徑(jing)向上通過(guo)(guo)鼓形彈(dan)性(xing)環(huan)與芯軸過(guo)(guo)盈配合，所(suo)述承(cheng)載套的(de)內(nei)壁設置有鼓形彈(dan)性(xing)環(huan)，所(suo)述鼓形彈(dan)性(xing)環(huan)用于承(cheng)受(shou)二維徑(jing)向力(li)。

9、進一步(bu)地，所(suo)述鼓形(xing)彈(dan)性環在(zai)軸(zhou)(zhou)向上(shang)通過帶孔軸(zhou)(zhou)向定(ding)位套(tao)和軸(zhou)(zhou)向定(ding)位套(tao)實現定(ding)位。

10、進一(yi)(yi)步地，所述承載套內部安裝(zhuang)有四個反(fan)射式(shi)強度(du)調(diao)制型收(shou)發一(yi)(yi)體光纖探(tan)頭，所述反(fan)射式(shi)強度(du)調(diao)制型收(shou)發一(yi)(yi)體光纖探(tan)頭兩個一(yi)(yi)組(zu)并按90°周向間隔布置。

11、進(jin)一(yi)(yi)步地(di)，四(si)個所述反射式強度調(diao)制(zhi)型收(shou)發一(yi)(yi)體光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)按照應用(yong)區分(fen)(fen)為第一(yi)(yi)光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)、第二光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)、第三光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)和(he)(he)(he)第四(si)光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)，所述第一(yi)(yi)光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)和(he)(he)(he)第二光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)分(fen)(fen)別測量(liang)芯軸(zhou)左側(ce)截面圓(yuan)心偏(pian)移分(fen)(fen)量(liang)x1和(he)(he)(he)y1，所述第三光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)和(he)(he)(he)第四(si)光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)分(fen)(fen)別測量(liang)芯軸(zhou)右側(ce)截面圓(yuan)心偏(pian)移分(fen)(fen)量(liang)x2和(he)(he)(he)y2。

12、進(jin)一步地，所(suo)述第(di)(di)一光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)探頭、第(di)(di)二光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)探頭、第(di)(di)三光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)探頭和第(di)(di)四光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)探頭均由輸(shu)入光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)、輸(shu)出光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)和金(jin)屬鋼管(guan)組成，所(suo)述金(jin)屬鋼管(guan)的內側設置有輸(shu)入光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)和輸(shu)出光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)。

13、進(jin)一步地，四(si)(si)個所(suo)述反(fan)射(she)(she)器(qi)均為(wei)鍍有反(fan)射(she)(she)膜(mo)的金屬(shu)塊，所(suo)述反(fan)射(she)(she)器(qi)透(tou)過(guo)帶孔軸(zhou)向定(ding)位(wei)套上的缺(que)口與芯軸(zhou)固定(ding)連接，四(si)(si)個所(suo)述反(fan)射(she)(she)器(qi)分(fen)別編號為(wei)第(di)一反(fan)射(she)(she)器(qi)、第(di)二反(fan)射(she)(she)器(qi)、第(di)三反(fan)射(she)(she)器(qi)和第(di)四(si)(si)反(fan)射(she)(she)器(qi)。

14、與現有技術(shu)相比，本發明(ming)的有益效果是(shi)：

15、1、本(ben)發明通過兩個方面(mian)的技術創新實現二維徑向力測量無維間耦合(he)；

16、其中(zhong)一個方(fang)(fang)面為(wei)：本發明的(de)(de)彈性元(yuan)件(承(cheng)載(zai)(zai)(zai)套(tao)內(nei)部(bu)的(de)(de)鼓形彈性環)為(wei)周向(xiang)360°對(dui)稱結(jie)(jie)構，其徑(jing)向(xiang)剛(gang)度(du)在各個方(fang)(fang)向(xiang)上(shang)均相(xiang)同，因此芯軸截面圓心的(de)(de)偏移量與(yu)徑(jing)向(xiang)載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)的(de)(de)幅值一一對(dui)應，偏移方(fang)(fang)向(xiang)與(yu)徑(jing)向(xiang)載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)的(de)(de)方(fang)(fang)向(xiang)一致，即傳感(gan)器輸出信號與(yu)輸入載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)之間(jian)的(de)(de)轉(zhuan)化(hua)關(guan)系簡單，從機械結(jie)(jie)構的(de)(de)角度(du)為(wei)維間(jian)解耦奠定(ding)了基礎(chu)。而(er)傳統由(you)筋、梁(liang)結(jie)(jie)構組(zu)成的(de)(de)彈性元(yuan)件，各個方(fang)(fang)向(xiang)剛(gang)度(du)不(bu)等，輸出信號與(yu)輸入載(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)(he)轉(zhuan)化(hua)關(guan)系復(fu)雜(za)，理論(lun)上(shang)解耦矩陣中(zhong)的(de)(de)元(yuan)素不(bu)為(wei)常(chang)數(shu)，為(wei)實現算法解耦帶來(lai)極大(da)困(kun)難；

17、另一個方(fang)面為：本發明采用(yong)非接觸式位移(yi)(yi)測量來(lai)獲得彈性元件(jian)的(de)變(bian)形大(da)小，從轉換元件(jian)的(de)角度直接實現(xian)了維間(jian)解耦，非接觸式測量可以避免摩(mo)擦力影響測量結果，位移(yi)(yi)測量可以避免傳統(應變(bian))測量產生(sheng)的(de)維間(jian)耦合。

18、2、本(ben)發明使用的(de)反射(she)式強度(du)調制型收發一(yi)體光纖探(tan)頭利用光反射(she)原理進行測距(ju)，該轉換元件的(de)測量(liang)結(jie)果對溫(wen)度(du)不敏感，無需專(zhuan)門設計溫(wen)度(du)補償裝置，減少了(le)測量(liang)誤差的(de)引入，從而(er)解決了(le)現(xian)有多維力(li)傳感器使用的(de)測量(liang)應變(bian)的(de)電阻(zu)應變(bian)片或光纖光柵均對溫(wen)度(du)敏感的(de)問(wen)題(ti)。

技術特征：

1.一種(zhong)無維(wei)間(jian)耦合的(de)反射式光(guang)纖二維(wei)徑(jing)向(xiang)(xiang)(xiang)力測力銷軸(zhou)，包括安裝(zhuang)基礎、定位(wei)套(tao)和加載裝(zhuang)置，所述加載裝(zhuang)置處(chu)開設有孔，其特征在于：還包括芯(xin)軸(zhou)(1)、承載套(tao)(2)、壓緊(jin)螺母(mu)(3)、帶(dai)孔軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)定位(wei)套(tao)(4)、軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)定位(wei)套(tao)(5)、金屬空心o形密封環(6)和反射器(8)；

2.根據權利(li)要求(qiu)1所(suo)(suo)(suo)述(shu)的(de)(de)一(yi)種無維間耦合(he)(he)的(de)(de)反射式光纖二維徑向力測力銷(xiao)軸(zhou)，其(qi)特征(zheng)在(zai)于：所(suo)(suo)(suo)述(shu)承載(zai)(zai)(zai)套(2)包括(kuo)外圓柱面(201)和鼓形(xing)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)環(huan)(202)，所(suo)(suo)(suo)述(shu)外圓柱面(201)與加載(zai)(zai)(zai)裝置(zhi)的(de)(de)孔的(de)(de)內圓柱面相連(lian)，所(suo)(suo)(suo)述(shu)承載(zai)(zai)(zai)套(2)在(zai)徑向上通過(guo)鼓形(xing)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)環(huan)(202)與芯(xin)軸(zhou)(1)過(guo)盈配合(he)(he)，所(suo)(suo)(suo)述(shu)承載(zai)(zai)(zai)套(2)的(de)(de)內壁設置(zhi)有鼓形(xing)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)環(huan)(202)，所(suo)(suo)(suo)述(shu)鼓形(xing)彈(dan)(dan)性(xing)(xing)環(huan)(202)用于承受二維徑向力。

3.根(gen)據權利(li)要求2所述的一種無維(wei)間(jian)耦合(he)的反射式光纖二維(wei)徑向力(li)測力(li)銷(xiao)軸，其特征在(zai)于：所述鼓形彈性(xing)環(202)在(zai)軸向上通過帶孔軸向定(ding)(ding)位套(4)和軸向定(ding)(ding)位套(5)實(shi)現(xian)定(ding)(ding)位。

4.根據權(quan)利要求1所述(shu)的一(yi)種無(wu)維(wei)間耦合的反(fan)射(she)式(shi)光纖二(er)維(wei)徑向力(li)測力(li)銷(xiao)軸，其(qi)特征在于：所述(shu)承載套(2)內部安裝有四個反(fan)射(she)式(shi)強(qiang)度調制(zhi)型收發一(yi)體光纖探(tan)頭(7)，所述(shu)反(fan)射(she)式(shi)強(qiang)度調制(zhi)型收發一(yi)體光纖探(tan)頭(7)兩個一(yi)組并(bing)按90°周向間隔布置。

5.根據(ju)權利要(yao)求(qiu)4所(suo)述的一種(zhong)無維間耦合的反射式光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)二維徑向力測(ce)(ce)力銷軸(zhou)，其特征在(zai)于：四(si)(si)個所(suo)述反射式強度調制型收發一體(ti)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(7)按照(zhao)應用區分(fen)為第(di)一光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(71)、第(di)二光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(72)、第(di)三光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(73)和第(di)四(si)(si)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(74)，所(suo)述第(di)一光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(71)和第(di)二光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(72)分(fen)別(bie)測(ce)(ce)量(liang)芯軸(zhou)左側截(jie)面圓心(xin)偏(pian)(pian)移分(fen)量(liang)x1和y1，所(suo)述第(di)三光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(73)和第(di)四(si)(si)光(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)探頭(tou)(tou)(74)分(fen)別(bie)測(ce)(ce)量(liang)芯軸(zhou)右(you)側截(jie)面圓心(xin)偏(pian)(pian)移分(fen)量(liang)x2和y2。

6.根據權利要求5所述(shu)的(de)一種(zhong)無維間耦合的(de)反射式(shi)光(guang)(guang)纖(xian)二維徑向力測力銷軸(zhou)，其(qi)特(te)征在于(yu)：所述(shu)第一光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)頭(71)、第二光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)頭(72)、第三光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)頭(73)和第四光(guang)(guang)纖(xian)探(tan)頭(74)均由輸(shu)入光(guang)(guang)纖(xian)(711)、輸(shu)出(chu)光(guang)(guang)纖(xian)(712)和金屬(shu)鋼管(guan)(713)組成(cheng)，所述(shu)金屬(shu)鋼管(guan)(713)的(de)內(nei)側(ce)設置有輸(shu)入光(guang)(guang)纖(xian)(711)和輸(shu)出(chu)光(guang)(guang)纖(xian)(712)。

7.根據(ju)權利要求(qiu)1所述的一種無(wu)維間耦合的反(fan)(fan)(fan)射(she)式光纖二維徑向力(li)測力(li)銷軸，其特征在于：四(si)個所述反(fan)(fan)(fan)射(she)器(qi)(qi)(8)均(jun)為鍍有反(fan)(fan)(fan)射(she)膜的金屬(shu)塊，所述反(fan)(fan)(fan)射(she)器(qi)(qi)(8)透過帶孔軸向定位套(tao)(4)上的缺口與芯軸(1)固定連接，四(si)個所述反(fan)(fan)(fan)射(she)器(qi)(qi)(8)分別編號為第(di)一反(fan)(fan)(fan)射(she)器(qi)(qi)(81)、第(di)二反(fan)(fan)(fan)射(she)器(qi)(qi)(82)、第(di)三反(fan)(fan)(fan)射(she)器(qi)(qi)(83)和第(di)四(si)反(fan)(fan)(fan)射(she)器(qi)(qi)(84)。

技術總結
本發明公開了一種無維間耦合的反射式光纖二維徑向力測力銷軸，涉及二維力測量及反射式光纖傳感技術領域。本發明創新設計了一種在徑向任意方向上剛度相同的多維力覺傳感器的彈性元件，該彈性元件具體為鼓形彈性環結構，幾何上具有周向360°對稱的特點，為簡化傳感器輸出信號與輸入載荷轉換關系、實現算法解耦奠定了機械結構基礎，且創新地將彈性元件的位移作為轉換元件的測量對象，其變形位移與輸入載荷之間的轉換關系簡單，且采用非接觸測量方式獲得彈性元件的變形大小，該方式具體選擇了反射式強度調制型收發一體光纖探頭，具有非接觸測量、測量精度高、對溫度不敏感、不受電磁干擾等優點。

技術研發人員：徐向陽,樊林放,李文軒,賈涵杰,王才,梁棟,周君
受保護的技術使用者：重慶交通大學
技術研發日：
技術公布日：2024/9/19