【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于傳感器，具體涉及一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器。
技術介紹
1、近年來，振動傳感器在工業故障診斷領域的重要性日益凸顯，它們正在逐步替代傳統故障檢測手段，成為機械故障診斷研究的新焦點。振動傳感器能夠捕捉力信息和振動信號，適用于多種場景，特別是在汽車制造、車身焊接與涂裝、電子工業、航空航天以及發動機研發等關鍵行業顯示出巨大的應用潛力。但是由于傳統振動傳感器往往只能監測單一方向的振動，在面對復雜力刺激或外部干擾時，難以準確識別多維力和力矩的方向，這限制了它們在多軸運動應變檢測和彎曲形變檢測中的應用。
2、目前基于振動信號的故障診斷系統，缺乏識別多方位振動信號的能力，還不能夠檢測不同負荷狀態復雜工業環境中的大多數振動信號都是六維信號，包括 x， y和 z方向上的力和力矩。對于多維傳感器，如六維力傳感器，可以同時感知三維空間的六維力和力矩信息：沿著 x， y， z三個坐標軸的力分量和繞著坐標軸的三個力矩分量，能夠同時識別復雜振動環境下的振動信號，并提供更為精細的數據，但是現有的六維力解耦方式主要有結構解耦和軟件解耦兩大類：結構解耦存在加工誤差、理論間隙和摩擦轉矩等問題，加工裝配難度過大，測量精度也不理想，導致仍存在維間耦合，軟件解耦對信號線性關系要求較高，即便面對非線性變量采用機器學習算法，但運算復雜，易出現病態矩陣，導致精度降低。
3、公開號為cn114235230a的專利文獻中公開了一種基于榫卯結構的柔性六維力傳感器，包括由上至下依次設置的柔性凸臺、ptfe薄膜、fpcb柔性印刷電路板和柔性底座，用于在不同外部刺激下，互鎖結構的獨立變形機制使得本傳感器能夠在x、y和z方向上解耦平移力和扭轉力矩，應用于機器手指尖、可穿戴醫療器件。但是，該傳感器在結構上無法適應多種環境因素和多種安裝方式的復雜工業環境，在極端溫度、強電磁干擾、高濕度等惡劣條件下難以確保精確測量，在自動化生產線、化工監測、環境監測等領域，對傳感器的穩定性、安裝位置和方式、供電要求提出了嚴峻挑戰。
技術實現思路
1、為了解決
技術介紹
中的問題，本專利技術提出了一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，有效克服了工業環境下傳統單維度振動傳感器的局限性。該振動傳感器具備高度的精準度，能夠準確測定應力變化的方向，實現振動信號監測。借助于其專有的榫卯互鎖結構和各元件間的形變傳遞能力，本專利技術在三個空間維度（
x、
y、
z軸）上實現了對線性位移力和旋轉扭矩的精確解耦。此外，本專利技術的一個顯著特點是在六維力振動傳感器中使用了mems工藝實現集自供能與信號測量于一體，該工藝和所采用的榫卯結構增強了振動傳感器在復雜工業環境下的適應性，突破了安裝環境的限制。
2、為了實現上述目的，解決技術問題，本專利技術采用的技術方案如下：
3、本專利技術為基于振動信號的故障檢測提供的一種自供能式六維力振動傳感器，特點是：所述振動傳感器是由多向榫卯型彈性體、電阻應變片和榫卯型基座聯接構成。
4、所述多向榫卯型彈性體是一種三維多向榫卯結構，八個邊角處設置為矩形凸體，六面構成與榫卯型基座適配的十字架構，為使用榫卯型基座封裝傳感器提供多種互鎖方式，構成多向榫卯結構。
5、所述電阻應變片是用于測量應變的元件，共有六個電阻應變片分別粘貼于榫卯型彈性體六個面的中間部位，用以獲得三維力和力矩信息。
6、所述榫卯型基座是一種三維多向榫卯結構，其特征在于，表面分布有包含mems工藝元件的自供能集成電路或信號檢測集成電路，其中包含mems工藝元件的自供能集成電路具有將機械能轉換為電能的功能，信號檢測集成電路具有信號放大及測量輸出功能。
7、作為進一步的技術方案，本專利技術為基于振動信號的故障檢測提供的一種自供能式六維力振動傳感器，特點也在于：所述多向榫卯型彈性體采用柔性硅膠材料，采用更具耐久性的彈性材料，在硅膠中添加增強劑，加熱固化后脫模而成。
8、作為進一步的技術方案，本專利技術為基于振動信號的故障檢測提供的一種自供能式六維力振動傳感器，特點也在于：所述分布有包含mems工藝元件的自供能集成電路或信號檢測集成電路的榫卯型基座，本體由硅膠材料制成，表面粘貼由fpc軟板工藝制作的電路。
9、本專利技術使用的榫卯型基座外表面均可與不同安裝環境下工件表面進行適配。
10、作為進一步的技術方案，本專利技術為基于振動信號的故障檢測提供的一種自供能式六維力振動傳感器，特點也在于：所述的mems自供能集成電路，包含可以感知外界振動信號的加速度傳感器，將感知到的信號轉換為電信號，然后通過電子電路進行處理和傳輸，實現對機械能的收集。
11、作為進一步的技術方案，本專利技術為基于振動信號的故障檢測提供的一種自供能式六維力振動傳感器，特點也在于：所述多向榫卯型基座分為兩種，僅含有通孔的榫卯型基座，含有通孔并分布有集成電路的榫卯型基座。
12、通孔為電阻應變片、元件、電路之間連接提供通路。
13、僅含有通孔的榫卯型基座在傳感器封裝時起支撐作用。
14、含有通孔并分布有集成電路的榫卯型基座在傳感器封裝時不僅在基座互鎖時提供支撐作用，且為振動信號采集提供電路支撐。
15、作為進一步的技術方案，本專利技術為基于振動信號的故障檢測提供的一種自供能式六維力振動傳感器，特點也在于：每一片電阻應變片粘貼在多向榫卯型彈性體六面中間位置，在每個電阻應變片對應位置處鍍有兩個金屬電極，所有電極都通過一條導線與集成電路進行連接。
16、對電阻應變片因形變產生的信號采用惠斯通電橋方式進行采集，采用三對非平衡半橋式電路，其中三個維度（ x、 y、 z）上粘貼的電阻應變片分別作為一組非平衡半橋式惠斯通電橋的兩個電阻臂，其余兩個電阻為精密電阻。
17、作為進一步的技術方案，電阻應變片產生電壓信號進入信號檢測集成電路后，經過硬件信號濾波和噪聲抑制機制后輸出。
18、所述六維力具體為：以榫卯型彈性體中心為原點構建三維坐標系，六維力分別為 fx、 fy、 fz、 mx、 my、 mz， fx、 fy分別為榫卯型彈性體在 x軸和 y軸方向上受到的橫向力， fz本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：所述六維力振動傳感器是多向榫卯型彈性體（1）、電阻應變片（2）、多向榫卯型基座（3）由內而外按照榫卯結構聯接而成；
2.根據權利要求1所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：多向榫卯型彈性體（1）采用合金鋼制成，整體外輪廓成正方體。
3.根據權利要求1所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：榫卯型彈性體（1）和電阻應變片（2）組成力感應彈性體，力感應彈性體與榫卯型基座（3）之間通過互鎖的方式進行固定。
4.根據權利要求1所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：榫卯型基座（3）均含有通孔（4），且分布有集成電路；任何一個榫卯型基座（3）均可與工件表面進行適配，可以采用不同形態以適應不同安裝面。
5.根據權利要求4所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：集成電路包含MEMS自供能集成電路和信號檢測集成電路。
6.根據權利要求5所述的一種基于多向榫卯結構的自供能
7.根據權利要求5所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：信號檢測集成電路中每個電阻應變片（2）鍍有兩個電極，由兩條引線通過帶有通孔的榫卯型基座（3）接入信號檢測集成電路。
8.根據權利要求7所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：信號檢測集成電路采用惠斯通電橋對信號進行檢測，所使用的惠斯通電橋采用非平衡半橋式，榫卯型彈性體表面的每一維度上的平行電阻應變片（2）作為惠斯通電橋的兩個臂。
9.根據權利要求1所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：以粘貼在工件表面的榫卯型基座（3）中心為原點構建三維坐標系，六維力分別為Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，其中Fx、Fy指振動傳感器分別在x軸和y軸方向上受到的橫向力，Fz指振動傳感器在z軸方向上受到的正壓力，My、Mz指振動傳感器分別在x軸和y軸方向上受到的橫向扭矩力，Mx指振動傳感器在z軸方向上受到的縱向扭矩力。
10.根據權利要求1所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：所述六維力振動傳感器應用于工業機械發動機、風力發電齒輪箱、航空航天發動機。
...【技術特征摘要】
1.一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：所述六維力振動傳感器是多向榫卯型彈性體（1）、電阻應變片（2）、多向榫卯型基座（3）由內而外按照榫卯結構聯接而成；
2.根據權利要求1所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：多向榫卯型彈性體（1）采用合金鋼制成，整體外輪廓成正方體。
3.根據權利要求1所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：榫卯型彈性體（1）和電阻應變片（2）組成力感應彈性體，力感應彈性體與榫卯型基座（3）之間通過互鎖的方式進行固定。
4.根據權利要求1所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：榫卯型基座（3）均含有通孔（4），且分布有集成電路；任何一個榫卯型基座（3）均可與工件表面進行適配，可以采用不同形態以適應不同安裝面。
5.根據權利要求4所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：集成電路包含mems自供能集成電路和信號檢測集成電路。
6.根據權利要求5所述的一種基于多向榫卯結構的自供能式六維力振動傳感器，其特征在于：mems自供能集成電路包含可以利用mems工藝制成的感知外界振動信號的加速度傳感器元件和外圍電路，將感知到...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李念強，劉世騰，岳炳臣，侯明朝，王士坤，葉耀恒，金家興，王碩，
申請(專利權)人：濟南大學，
類型：發明
國別省市：
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