[发明专利]基于超弹记忆合金丝的平面三自由度位移与力传感器

说明书

本专利公开了基于超弹记忆合金丝的平面三自由度位移与力传感器，其主要是由外部框架结构、内部平面三自由度可动结构、超弹记忆合金丝、电阻测量装置及数据分析装置组成。传感器内外结构之间通过超弹记忆合金丝连接，内部结构与被测构件通过螺钉连接，外部结构通过螺钉固定。被测构件的运动带动内部构件做相同的运动，内部构件的运动引起合金丝长度的变化，合金丝长度的变化引起电阻的变化。电阻测量装置将合金丝的实时电阻信息反馈到数据分析装置，数据分析装置基于合金丝自感知特性得到丝的实时长度及受力，经过算法计算得被测构件的直线与转角位移、力与力矩及加速度。该发明专利对超弹记忆合金丝的研究和应用具有先进的指导意义与实用价值。

技术领域

本发明专利涉及平面三自由度位移与力传感器领域，特别是涉及基于超弹记忆合金丝的平面三自由度位移与力传感器。

背景技术

超弹记忆合金丝具有自感知特性，可以通过测算在受力状态下的超弹记忆合金丝的电阻，得到该超弹记忆合金丝的长度及受力大小。

在平面三自由度位移与力传感器领域，有多种方法实现对被测构件的位移和受力的感知。比较常见的有通过电涡流的作用实现位移感知效果的传感器，一些通过激光实现位移感知效果的传感器，利用弹性变形或应变片测力的力传感器。还有很多其他的位移传感器、力传感器等，不在此不一一列举。这些传感器在成本上都比较高而且不够轻巧方便，只能得到位移大小或者受力大小，功能单一。

在此背景下，综合上述传感器的缺点及问题，本发明专利采用新型材料——超弹记忆合金丝的自感知特性，通过测量超弹记忆合金丝的电阻得到丝实时的长度与受力。基于本专利提出的模型解算获得被测构件的直线与转角位移、力与力矩，并进一步可得到构件的加速度和角加速度。

综上所述，与传统的传感器相比，基于超弹记忆合金丝的传感器拥有以下多种优点：功能十分强大，同时可测得被测构件的直线和转角位移、力和力矩以及线加速度和角加速度且成本较低、结构简单、易于安装、小巧轻便。将超弹记忆合金丝运用到直线与转角位移、力与力矩传感器，对超弹记忆合金丝的研究与应用具有先进的指导意义与实用价值。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种通过测量超弹记忆合金丝的电阻得到丝实时的长度与受力，利用数学模型解算获得被测构件的直线与转角位移、力与力矩，利用牛顿第二定律，进一步计算可得到构件的线加速度和角加速度。对于测算位移的功能，被测构件的位移由构件绕自身几何中心逆时针旋转的角度α，以及水平、竖直方向上的位移Δx、Δy表示。由各根丝的实时长度推导出α、Δx、Δy的数值，从而得到被测构件的直线与转角位移。对于测算力和力矩的功能，每根丝的受力大小通过超弹记忆合金丝的特性得到。在求得被测构件直线与转角位移的情况下可得每根丝的受力方向，通过力的合成得到被测构件的合力矩以及水平、竖直方向上的合力。对于测算加速度的功能，在已知合力和合力矩后根据牛顿第二定律进一步计算可得到被测构件的线加速度及角加速度。通过超弹记忆合金丝的特性得到每根丝的实时长度与受力，结合传感器的结构设计进而推导被测构件的直线和转角位移、力和力矩以及线加速度和角加速度是本专利需要解决的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明专利采用如下方案：

有关传感器的结构设计：传感器主要分为外部框架结构、内部平面三自由度可动结构、电阻测量装置、数据分析装置、超弹记忆合金丝。外部框架结构采用内侧为圆形的中空设计，外侧的形状为矩形。内部平面三自由度可动结构的外侧形状为圆形与外部框架结构的内侧圆构成同心圆，内部结构的内侧为正方形均布的螺纹孔用于连接被测构件，内外构件之间通过超弹记忆合金丝连接。外部框架结构上安装有电阻测量装置，电阻测量装置与数据分析装置相连接。