一种测量变形的软体传感器并联装置

1.本发明涉及软传感器领域，尤其涉及一种测量变形的软体传感器并联装置。


背景技术：

2.弹性轴承多应用于高架桥、大型桥梁与桥墩之间的连接中，具有弹性变形、质轻、便于携带等特点，起着重要隔振作用，同时也意味着其在发生变形时，桥墩与高架桥、桥梁之间会发生相对移位。相比于传统刚性轴承，弹性轴承能够减小桥墩顶部与高架桥或桥梁的路面之间的振动幅度。然而，弹性轴承也存在固有缺陷，其弹性材料本身的频繁形变会造成材料疲劳损伤甚至疲劳断裂，会减少其服役年限，增加桥墩与高架桥之间的相对运动趋势。鉴于此，定期检查弹性轴承的健康状态对高架桥或桥梁的正常运营是很一项必不可少的任务。
3.现有的检查技术一般为人工作业，在高架桥关闭期间，工人需要爬上数十米高的桥梁柱，通过肉眼和相机检测并记录每个轴承可能存在的缺陷。这种检测手段显然无法实时反映车辆运行的正常时段和高峰时段的轴承动态行为，并且由于技术人员的技术熟练程度不同，检测准确性会因人而异。此外，工人处于高空作业时，安全性无法得到很好的保障。因此，当前的检查流程既冗长又有风险，需要有大规模的预防性措施，甚至需要维修或更换大量的故障轴承，无法节省时间和劳动力成本。
4.南澳大利亚大学，unisa stem和未来工业研究所(university of south australia,unisa stem and future industries institute)在《今日材料通信》(materials todaycommunications)(第26卷、102023条)于2021年提出了一种由弹性纳米复合介质制成的柔性电容应变传感器，以实现静态压缩下的高灵敏度测量。该传感器采用双辊铣削工艺有效地分散导电碳黑纳米颗粒，并通过控制介电介质中纳米颗粒的比例来调整灵敏度。在3wt.％的纳米颗粒下，电容式纳米复合材料传感器显示出较高灵敏度，能够测量高达30％的压缩应变(如图1所示)。然而，这种传感器在进行轴承检测时，不仅应用范围少、不能长时间实时监测、易受到损伤、造价昂贵，而且制造过程异常困难、对设备要求高。另外，现有的刚性传感器应用范围受限，难以应用于轴承动态行为检修，而且，其内部构造复杂，在出现问题时维修人员很难维修或更换其内部组件。


技术实现要素：

5.为了克服上述技术问题，本发明的主要目的是提供一种测量变形的软体传感器并联装置，其主体主要由上下底座、伸缩杆、活塞套筒、软体传感器等部件组成。其中，上下底座、伸缩杆、活塞套筒可由常见的3d打印材料通过3d打印技术快速成型，中间无需任何刚性部件连接，可大幅减少制造时间、节约成本，整个并联装置稳定性好、灵巧性高、精度高。另外，与传统刚性传感器不同，软体传感器可由诸如介电高弹体等软材料做成，其在机械外力作用下可产生伸缩变形、弹性恢复性好、性价比高。整个并联装置方便安装在桥梁与桥墩之间的空隙处，可实时检测桥梁与桥墩之间的相对移位。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种测量变形的软体传感器并联装置，包括圆筒状软体传感器、伸缩连接件、上底座和下底座；若干个伸缩连接件的两端分别与上底座和下底座铰接，所述的圆筒状软体传感器以预拉伸状态安装在伸缩连接件内部，能够随着伸缩连接件的拉伸-压缩而产生拉伸-压缩形变，并产生电容变化响应。
8.作为本发明的优选，所述的圆筒状软体传感器是由带导电层的片状软材料卷成圆筒状得到的，通过外部电路与导电层连接，读取电容变化响应。
9.作为本发明的优选，所述伸缩连接件的数量为3-6，相邻两个伸缩连接件等间隔分布。
10.作为本发明的优选，所述的伸缩连接件包括伸缩杆、杆球节和筒球节；杆球节和筒球节分别安装在伸缩杆的顶部和底部，且杆球节用于与上底座铰接，筒球节用于与下底座铰接。
11.作为本发明的优选，所述的伸缩杆包括活塞杆、活塞筒和弹簧，所述的活塞杆和弹簧套接于活塞筒内，活塞筒的顶部设有防止活塞杆滑出的限位结构；活塞杆的内部中空，用于安装圆筒状软体传感器；所述的活塞杆的顶部伸出活塞筒并用于与杆球节连接；活塞筒的底部用于与筒球节连接。
12.作为本发明的优选，所述的活塞杆的顶部设有外圆直径小于活塞杆外径的第一外螺纹，活塞杆的底部设有直径大于活塞杆外径、小于活塞筒内径的圆台，圆台与活塞筒间隙配合；所述的活塞筒底部设有第二外螺纹，顶部设有内径大于活塞杆直径、小于活塞杆底部圆台外径的孔台；所述的孔台与圆台构成限位结构，保证活塞杆不会从活塞筒脱落。
13.作为本发明的优选，所述的杆球节和筒球节均包括球头、球节限位座和固定球头帽；所述的球头由球体和连接部构成，连接部设有第三外螺纹；所述的球节限位座内壁设有用于连接上底座或下底座的第一内螺纹以及与球头相匹配的内弧面；所述的固定球头帽一端敞开，另一端设有安装孔，敞开端的内壁设有用于连接伸缩杆端部的第二内螺纹，安装孔内设有用于连接球头连接部的第三内螺纹；
14.所述的杆球节的固定球头帽直径小于筒球节的固定球头帽直径。
15.作为本发明的优选，所述的圆筒状软体传感器的两端分别与杆球节和筒球节中的固定球头帽粘合或者螺钉连接。
16.作为本发明的优选，所述的上底座和下底座分别设有数量相同的上铰接孔和下铰接孔；所述的上铰接孔和下铰接孔由带有外螺纹的半球形腔室构成，所述的上铰接孔用于容纳杆球节中的球头形成铰接结构，下铰接孔用于容纳筒球节中的球头形成铰接结构，球节限位座中的第一内螺纹分别与上铰接孔、下铰接孔的外螺纹连接。
17.作为本发明的优选，所述的软体传感器并联装置与高架桥轴承并排安装于高架桥与桥墩之间的空隙处，上底座上表面和下底座下表面分别抵接桥梁和桥墩，当桥梁和桥墩发生相对运动时，上底座和下底座分别跟随桥梁和桥墩发生相对运动，若干个伸缩连接件适应性伸缩或倾斜，同时带动不同方向上的圆筒状软体传感器发生伸缩变形，从而产生电容变化，通过读取电容变化值即可检测出高架桥轴承的实时移位情况。
18.与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：
19.1.与现有的传感器结构相比，本发明将软体传感器封闭于一个密闭的伸缩连接件
内部，在保护软体传感器不受外界影响的同时可从六个自由度监测轴承变形；能够实时测量车辆运行的正常时段和高峰时段的轴承动态行为，获得损伤轴承的位移数据，作为评估和更换轴承的重要依据；运行稳定可靠、不易疲劳损坏、测量稳定性高，从根源上取代了人工检测操作，减少了检修时间和人工操作误差率，大大降低了工人在检修过程中存在的潜在危险。
20.2.本发明可通过3d打印快速制作出各个零部件，体积小巧、结构紧凑灵活，适于大批量生产并广泛应用于高架桥和桥墩之间的移位检测，检测范围和应用范围广，克服了传统的刚性传感器结构复杂、笨重、成本高的缺陷。
21.3.本发明可灵活设计软传感器的数量，以及设计伸缩杆的长度和大小。利用软传感器伸缩变形后导致电容变化的原理，安装不同方向上的软传感器来测量不同方向的变形，通过变形量即可反求出垂直、水平位移及偏转角度，适用于不同的气候条件与地理环境。
附图说明
22.图1是传统技术提出的由弹性纳米复合介质制成的柔性电容应变传感器示意图；
23.图2是本发明实施例示出的测量变形的软体传感器并联装置的结构示意图；
24.图3是本发明实施例示出的测量变形的软体传感器并联装置的局部剖视图；
25.图4是平行板电容器的原理示意图；
26.图5是圆筒状软体传感器的结构示意图；
27.图6是伸缩连接件的结构示意图；
28.图7是伸缩杆的结构示意图；
29.图8是伸缩杆的结构剖视图；
30.图9是球头结构示意图；
31.图10是球节限位座结构示意图；
32.图11是固定球头帽结构示意图，a-正面，b-反面；
33.图12是杆球节和筒球节的示意图；
34.图13是装配完成的伸缩连接件的结构剖视图；
35.图14是上底座结构示意图；
36.图15是下底座结构示意图；
37.图16是本发明实施例示出的测量变形的软体传感器并联装置的装配过程示意图；
38.图17是软体传感器并联装置安装于高架桥与桥墩间隙处的示意图。
39.图中：1-圆筒状软体传感器；2-伸缩杆，21-活塞杆，2101-第一外螺纹，2102-圆台，22-活塞筒，2201-第二外螺纹，2202-孔台，23-弹簧；3-上底座，31-上铰接孔；4-下底座，41-下铰接孔；5-球节结构，51-球头，5101-球体，5102-连接部，5103-第三外螺纹，52-球节限位座，5201-第一内螺纹，5202-内弧面，53-固定球头帽，5301-第二内螺纹，5302-第三内螺纹。
具体实施方式
40.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
其中，附图仅用于示例性说明，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、或者以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
42.图2和图3为本发明实施例示出的一种测量变形的软体传感器并联装置，包括圆筒状软体传感器1(图5)、伸缩连接件(图6)、上底座3(图14)和下底座4(图15)组成，圆筒状软体传感器1安装在伸缩连接件内部，能够随着伸缩连接件的拉伸-压缩而产生拉伸-压缩形变。
43.所述的上底座3和下底座4上分别设有一一对应的上铰接孔31和下铰接孔41，每一对铰接孔用于与一根带有圆筒状软体传感器1的伸缩连接件进行铰接安装，形成具有多边形结构的软体传感器并联装置。本实施例中，图2所示为等边三边形结构的软体传感器并联装置，每一个圆筒状软体传感器1安装在伸缩连接件内部，自然状态下无褶皱。在测量过程中，上底座3受垂直或水平方向的力后驱动伸缩连接件实现上下运动或倾斜运动，带动圆筒状软体传感器1发生拉伸或收缩变形，从而产生电容变化响应；可通过每一个伸缩连接件内部的圆筒状软体传感器1的电容变化响应得到对应方向受力情况，结合多边形结构即可得到整体受力情况。本发明中的三边形软体传感器并联装置还可以替换成四边形、六边形等结构。
44.本发明采用的圆筒状软传感器1由片状软材料和位于片状软材料两侧的导电层卷成圆筒状得到的，通过外部电路与导电层连接，读取电容变化响应。与使用铁、铝等金属刚性传感器和硅芯片等半导体传感器不同，软传感器是一种软传感系统，其使用灵活、可伸缩的柔软性聚合物材料(例如，介电弹性体、硅橡胶、水凝胶等)制成，实质上是一种基于存储、释放电荷的电容。如图4所示，基于平行板电容器的原理，本发明采用的软传感器是一种夹层结构(在两侧柔性电极之间夹一层软材料)，这类柔软性材料是灵活且可伸缩的，适用于测量受力和压缩变形。在传感器受力时，通过读取电容及其应变变化，即可测量或计算出传感器的变形。与热敏、磁敏等其他类型的传感机制相比，这类软体传感器的传感机制以电容变化作为判断依据，具有数据可视化、灵敏度和测量精度高、能耗与成本低等优势。
45.本发明在制备圆筒状软体传感器1时，首先取一段片状长方形软材料；然后在软材料的两面均匀地涂抹上炭黑或导电金属粉末作为导电层，使用化纤材料将涂抹炭黑的软材料完全紧致包裹，防止炭黑侧漏，并保证炭黑在片状软材料上均匀分布；最后，将片状长方形软材料卷成圆筒状，得到圆筒状软体传感器1(如图5所示)。
46.如图6所示为本实施例示出的伸缩连接件的结构示意图，伸缩连接件的上下两端部采用球节结构5与上下底座进行铰接，所述的伸缩连接件包括伸缩杆2、杆球节和筒球节；杆球节和筒球节分别安装在伸缩杆2的顶部和底部。
47.如图7和图8所示为本实施例示出的伸缩杆2的结构示意图，由活塞杆21、活塞筒22、弹簧23构成，所述的活塞杆21和弹簧23套接于活塞筒22内，活塞筒22的顶部设有防止活
塞杆21滑出活塞筒22的限位结构，活塞杆21的顶部伸出活塞筒22并用于与杆球节连接；活塞筒22的底部用于与筒球节连接，弹簧23顶部抵接在活塞杆21的底部，弹簧23底部由筒球节限位，防止弹簧23滑出活塞筒22。
48.所述的活塞杆21的内部为中空结构，用于安装圆筒状软体传感器1，中空伸缩杆2可避免软体传感器与外界直接接触，有效保护软体传感器免受外界环境的污染和干扰。此外，软体传感器的两端固定，其长度随着活塞杆21的拉伸-收缩而产生形变。
49.在本发明的一项具体实施中，使用3d打印一体化成型技术制作活塞杆21和活塞筒22。3d打印时，可采用常规的树脂材料，例如abs、pla、petg等，首先在建模软件中把各部分零件以相应的尺寸进行建模，特别要注意各螺纹之间的配合，保证打印成型的零件各螺纹之间能够完美配合，然后把所需零件的建模文件导入到3d打印机中进行打印。由于对装置的耐久度要求较高，在打印零件时，本实施例把3d打印机的填充率设为100％、模型层高设为0.12mm。最后把3d打印成型的各部分零件从3d打印机中取出，检查各部分零件的完整性以及各零件尺寸的准确性。不合格的零件需要重新打印，直到制造出合适的零件为止。
50.打印制备的活塞杆21的顶部设有外圆直径小于活塞杆21外径的第一外螺纹2101，活塞杆21的底部设有直径大于活塞杆21外径、小于活塞筒22内径的圆台2102，圆台2102与活塞筒22间隙配合；所述的活塞筒22底部设有第二外螺纹2201，顶部设有内径大于活塞杆21直径、小于活塞杆21底部圆台2102外径的孔台2202；所述的孔台2202与圆台2102构成限位结构，孔台2202可以卡住圆台2102，保证活塞杆21不会从活塞筒22脱落。弹簧23可以通过有心卷制弹簧机制作成型。
51.所述的杆球节和筒球节均包括球头51、球节限位座52和固定球头帽53组成。球头结构如图9所示，包括球体5101和连接部5102，所述的连接部5102设有第三外螺纹5103；球节限位座52如图10所示，其内壁设有第一内螺纹5201和内弧面5202；固定球头帽53如图11所示，从图11中的(a)可见，其一端敞开，从图11中的(b)可见，其另一端设有安装孔，敞开端的内壁设有第二内螺纹5301，安装孔内设有第三内螺纹5302。
52.装配时，如图12中的(a)所示，首先将球头51的连接部5102从球节限位座52的内弧面5202伸出，球体5101与球节限位座的内弧面5202相匹配，且内弧面5202直径小于球头51直径，所以会阻挡整个球头51穿过球节限位座。如图12中的(b)和(d)所示，伸出的连接部5102上的第三外螺纹5103与固定球头帽53安装孔中的第三内螺纹5302进行螺纹配合，拧紧，实现球节安装。
53.需要说明的是，杆球节和筒球节的基本结构是相同的，不同之处在于两种球节的固定球头帽敞开端的尺寸不同，这是由于杆球节用于连接伸缩杆2中的活塞杆21端部，筒球节用于连接伸缩杆2中的活塞筒22端部，活塞杆21直径小于活塞筒22直径，因此杆固定球头帽的第二内螺纹5301直径小于筒固定球头帽的第二内螺纹5301直径。如图12中的(b)用于示意杆球节的连接过程，得到的杆球节如图12中的(c)所示；如图12中的(d)用于示意筒球节的连接过程，得到的筒球节如图12中的(e)所示。
54.在本发明的一项具体实施中，杆球节和筒球节使用3d打印一体化成型技术制作，与活塞杆21和活塞筒22的3d打印过程类似，此处不再赘述。
55.在装配得到如图6所示的伸缩连接件时，首先将圆筒状软体传感器1的一端固定在杆球节的固定球头帽内，然后将杆球节的固定球头帽的第二内螺纹5301与伸缩杆2中的活
塞杆21顶部的第一外螺纹2101进行螺纹配合，拧紧；然后将圆筒状软体传感器1的另一端固定在筒球节的固定球头帽内，将筒球节的固定球头帽的第二内螺纹5301与伸缩杆2中的活塞筒22底部的第二外螺纹2201进行螺纹配合，拧紧，实现将装配好的杆球节和筒球节固定在伸缩杆2的两端。此时，弹簧两端分别由活塞杆21和筒球节的固定球头帽限位。上述装配过程还可以先将筒球节与伸缩杆2中的活塞筒22配合，再将杆球节与伸缩杆2中的活塞杆21配合，装配顺序不限。
56.在本发明的一项具体实施中，圆筒状软体传感器1的端部与固定球头帽的固定方式可以通过胶水粘合，也可以通过在圆筒状软体传感器1两端设置圆台2102的形式，将圆台2102通过螺钉安装在固定球头帽的内部，安装方式不限。
57.例如，在使用胶水粘合时，可以在杆球节和筒球节的固定球头帽内设置环状凹槽(如图13所示)，由于圆筒状软体传感器1具有可拉伸性，先将其一端插入在杆球节或筒球节的固定球头帽的凹槽处并涂抹胶水，固定后再将圆筒状软体传感器1拉伸并伸出伸缩杆2另一端，将圆筒状软体传感器1另一端插入在筒球节或杆球节的固定球头帽的凹槽处并涂抹胶水，固定后，可同时将杆球节或筒球节通过螺纹连接在伸缩杆2的一端，在进行螺纹设计时，杆球节和筒球节中的固定球头帽应按照相同的方向拧紧，且拧紧的圈数一定，避免拧紧过程中会使得圆筒状软体传感器1产生麻花状扭曲。
58.同理，在使用螺钉安装时，由于圆筒状软体传感器1具有可拉伸性，先将其一端固定在杆球节或筒球节的固定球头帽上，再将圆筒状软体传感器1拉伸并伸出伸缩杆2另一端，将另一端固定在筒球节或杆球节的固定球头帽上，最后同时拧紧杆球节或筒球节。
59.上述两种方式均可实现杆球节和筒球节的装配，并保证圆筒状软体传感器1在装配过程中不发生褶皱，并存在一定的预拉伸量。
60.如图14和图15所示，本实施例的上底座3和下底座4分别设有三个球节孔，分别作为上铰接孔31和下铰接孔；每一个球节孔由带有外螺纹的半球形腔室构成，所述的半球形腔室用于容纳球头51，使得上下球头均能够在半球形腔室内转动，外螺纹用于和球节限位座的第一内螺纹5201匹配。本发明以三边形结构的软体传感器并联装置为例，整体结构呈圆台状，上底座3的面积小于下底座4的面积，上下底座上的三个球节孔呈120度对称。
61.在装配过程中，顺序将三根伸缩连接件与上下底座上的一对球节孔进行螺纹安装，例如，如图16中的(a)和(b)所示，将图6中杆球节的球节限位座的内螺纹与上底座球节孔的外螺纹通过螺纹连接，包裹具有转向功能的上球头，再将筒球节的球节限位座的内螺纹与下底座球节孔的外螺纹通过螺纹连接，包裹具有转向功能的下球头，完成单个伸缩杆2与上下底座的连接。如图16中的(c)和(d)所示，所示重复上述步骤，直至三根伸缩连接件安装完毕，得到软体传感器并联装置，三根伸缩杆2可以反映不同自由度上的位移变形。
62.本实施例中，上下底座可以采用柔软性聚合物(例如，tpu、橡胶等)制作，这可使整体装置起到缓冲作用，减少来自底部振动的影响。
63.使用上述软体传感器并联装置测量高架桥轴承的移位情况时，将本发明的软体传感器并联装置紧密安装于高架桥和桥墩之间的空隙处，与高架桥轴承在同一水平面上，如图17所示。当装置处于未工作状态时，上底座3的上表面和下底座4的下表面分别抵接桥梁和桥墩。
64.高架桥在车辆行驶过程中受力后，在垂直方向上会对上底座3的顶部造成向下的
压力，三根伸缩杆2的内置弹簧23受压，迫使伸缩杆2产生向下的位移，故圆筒状软体传感器1会在初始拉伸状态的基础上产生一定收缩变形，收缩变形量与受力大小有关；收缩变形导致电容变化，通过电容变化可以检测出高架桥轴承的垂直位移情况。
65.当高架桥相对桥墩发生水平位移时，在水平方向上会对上底座3的顶部造成水平方向上的摩擦力，带动球节发生一定范围内的转动，甚至也会带动上底座3产生相应的水平位移。同理，上底座3的转动或者水平位移会带动圆筒状软体传感器1运动，三个软传感器将会发生不同程度的拉伸或收缩，通过电容变化可以检测出高架桥轴承的水平位移或转角。
66.因此，通过实时检测不同方向上的圆筒状软体传感器1的拉伸与收缩变形，即可反求出垂直、水平位移及偏转角度，以检测弹性轴承六个自由度(即3个位移和3个转角)上的实时位移变化和偏转角度，实时反馈弹性轴承的健康状况，对任意时间段高架桥轴承的移位情况进行监控，为评估和更换弹性轴承提供重要依据，及时发现损伤轴承，便于轴承维护和更换。
67.显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域技术人员还可以对上述实施例进行适应性修改，例如，将三边形更改为四边形、六边形等，或者将球节铰接方式替换为其他类型的铰接方式，或者将3d打印制造的零部件替换为传统制造加工得到的铁、铝等硬质材料，这些适应性修改均应该理解为是在本发明的技术启示下获得的常规替换。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。