At:二- Tt^ - 2RlClx - 2心心，由此產生的電容為：
[0055] 由公式（10)可以看出切向靈敏度和R1-R2有關，即切向靈敏度和圓環的寬度成反 比，寬度越小靈敏度越高。
[0056] 2平板電容器的設計
[0057] 2. 1平板電容器的設計
[0058] 參見圖3中的圓環電容單元組的電極平面布置圖，在一個IOXIOmm2的基板上的 一種接觸式平行板三維力壓力傳感器，傳感器包括傳感系統信號處理器、與傳感系統信號 處理器分別連接的圓環電容單元組和條狀電容單元組，圓環電容單元組用于測切向力和法 向力的大小，條狀電容單元組用于測量切向力的方向，條狀電容單元組設置在基板圓環電 容單元組的中心位置或者平行板的四個角落，這樣可以有效的使用平行板的面積，圓環電 容單元組鋪滿整個平行板，在測量三維力時，都起作用，而條狀電容單元組有效利用了圓環 電容單元組鋪設后，平行板四角或者中心的空間，用于測量三維力切向力的方向。圓環電容 單元組的驅動電極和感應電極都是由n個同心圓環組成，n為偶數，則形成n/2圓環電容單 元對。影線部分表示失蠟鑄造工藝的外模截面，其幾何形狀和尺寸也應在機械成型時保持 精準。
[0059] 圖4條狀電容單元組的極板結構圖，條狀電容單元組是由多個條狀電容單元組成 的梳齒狀結構，每個條狀電容單元包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極，極板在平 面位置布置上沿寬度方向有一定的偏移Sxci。設每根條狀電容單元寬為a。，兩條狀電容單
d。為介質厚度，E為彈性介質的楊氏模量，G為彈性介質的抗剪模量。
[0060] 2. 2激勵信號和坐標系
[0061] 將圓環型的平行板電容器置于直角坐標系中，三維激勵施加于電容極板的外表 面，產生的接觸式作用力具有Fx、Fy和Fz三個方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X軸和Y 軸，Fz的作用方向沿OZ軸即IK:方向，法向和切向應力均為一種應力張量，從電極的引線間 即可輸出電容的響應；法向應力〇 n=Fn/A，其中A=Tl(Rf-RP為極板法向受力面，Fn =Fz為法向分量；兩側表面上產生成對的切向應力T=Ftt /A。
[0062] 根據彈性力學中的虎克定律，〇 "和Tx，Ty都將使彈性體產生相應的變形。其中，
[0065] 式中，E為彈性介質的楊氏模量GN/m2,G為彈性介質的抗剪模量GN/m2,Sn為彈性 介質的法向位移（單位：ym)，而5x和5y為電容器上下兩極板的相對錯位（單位：ym)， 其正負號由坐標軸指向決定。
[0066] 2. 3法向力和切向力大小的計算
[0067] 選取第n個電容和第n/2個電容，通過建立圓環電容單元對組成方程組進行計算， 如圖5所示。設電極板受到法向和切向激勵作用后，設第n個圓環電容單元的輸出電容為 C1,n/2個圓環電容單元輸出電容為C2，切向的位移為^，法向的電容極距為dn，S1。為外環 初始的正對面積，S2。為內環初始的正對面積，Sl為外圓環的錯位面積，S2內圓環的錯位面 積。
[0079] 2. 4切向力的方向判定
[0080] 2. 4. 1條狀電容單元組狀結構和參數設計
[0081] 為了求解切向力的方向，在本實用新型中由于切向力只沿著X軸的正負方向，設 計了如圖4所示的條狀電容單元組，條狀電容單元組是由多個條狀電容單元組成的梳齒狀 結構，每個條狀電容單元包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極，極板在平面位置布 置上沿寬度方向有一定的偏移Sx。。設每根條狀電容單元寬為a。，兩條狀電容單元之間的槽 寬為a5，則每根條狀電容單元的節距為a(]+a5。為了避免Y向的微小擾動驅動電極長度兩
設置Sxc= 0. 01mm，以保證切向激勵對條狀電容單元組的電容響應出現增減效果，根據增 減效果就可以判斷切向激勵的方向。
此基礎上，如在條狀電容單元組上施加一個切向和法向激勵，產生±Sx的錯位偏移，則條 狀電容單元組輸出為：
[0084] 其中九為受法向激勵后條狀電容單元組的極板間距，由于受切向和法向激勵作用 后，條狀電容單元組合圓環電容單元組的電極間距相同，因此，可以通過圓環電容單元組求
正對面積增加，在圖4中是向右偏移，如果Sx〈〇,則說明上下極板的正對面積減小，在圖4 中是向左偏移。確定了風向在水平方向上的方向，通過求解出的圓環電容單元組的切向力 與法向力的比值及可以判斷出風向。
[0085] 2. 5主要材料選擇及其特性參數
[0086] 平行板電容器的結構剖面圖類似于三明治結構如圖6所示。由圖6可知，1和2為 上下PCB基板，5為膠貼于PCB基板上的驅動電極銅箱，6下層基板上的感應電極銅箱。極 板距d。= 0. 1mm，上下基板內側空間除銅箱電極外，均為用失蠟鑄造法充填的PDMS(聚二甲 基硅氧烷）超彈絕緣介質。其機械和物理特性參數為楊氏模量E= 6. 2MPa，而其抗剪彈性 模量為G= 4.IMPa，介質極化時相對介電常數eY = 2. 5。由于介質的E和G遠小于銅的 彈性模量Ef0= 103GPa，故電容器內部介質在應力狀態下的變形遠大于極板的變形。
[0087] 2. 6電極引線設計
[0088] 無論是驅動電極或感應電極都需備有引出線，考慮各個驅動電極在信號電平上都 是接地的，故驅動電極只需共用同一個引出線。圓環電容單元組和條狀電容單元組的驅動 電極通過一個引出線與傳感系統信號處理器連接，所述圓環電容單元組的每個圓環單獨引 線與傳感系統信號處理器連接，傳感系統信號處理器根據每個圓環的輸出值自由組合進行 計算，之后進行求平均得出切向力的大小和法向力大小，在精度要求不高的情況下，圓環電 容單元組可以只選擇兩個最優圓環引出2根引線，通過這兩個圓環求出ClJPdn，從而得出 切向力的大小和法向力大小；條狀電容單元組的感應電極可以共用一根引線，與傳感系統 信號處理器連接，用于計算切向力的方向。所述傳感系統信號處理器和電容單元之間設有 中間變換器，如圖7,中間變換器用于設置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數。整個電容 組件共有至少4個管腳從平面封裝的側面引出，以便整個組件頂部與底部外表面能方便地 與測量對象接觸。
[0089] 上面結合附圖對本實用新型進行了示例性描述，顯然本實用新型具體實現并不受 上述方式的限制，只要采用了本實用新型的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改 進，或未經改進將本實用新型的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本實用新型 的保護范圍之內。本實用新型的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種線纜計米器牽引力監測裝置，包括計米輪和線纜牽引機，其特征在于，還包括二 維力傳感器和傳感系統信號處理器，二維力傳感器設置在計米輪的曲面采集線纜與計米輪 之間的正壓力和靜摩擦力并發送給傳感系統信號處理器，傳感系統信號處理器將正壓力和 靜摩擦力反饋給線纜牽引機，二維力傳感器包括圓環電容單元組合條狀電容單元組，所述 條狀電容單元組設置在基板圓環電容單元組外的四角或者圓心，所述圓環電容單元組包括 至少一組圓環電容單元對，圓環電容單元對包括兩個相互圓環電容單元，所述條狀電容單 元組是由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結構，每個圓環電容單元和條狀電容單元 均包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極。2. 根據權利要求1所述的線纜計米器牽引力監測裝置，其特征在于，所述圓環電容單 元的感應電極和驅動電極正對且形狀相同，條狀電容單元的驅動電極和感應電極寬度相 同，驅動電極長度兩端分別預留左差位S左和右差位δ右，b 0驅=b0感+δ右+ δ左，其中b05g 為條狀電容單元的驅動電極長度，Wig為感應電極長度。3. 根據權利要求2所述的線纜計米器牽引力監測裝置，其特征在于，所述條狀電容單 元的左差位δ左和右差位有δ左=其中d0為介質厚度，G為彈 性介質的抗剪模量，τ_為最大應力值。4. 根據權利要求2所述的線纜計米器牽引力監測裝置，其特征在于，所述條狀電容單 元的驅動電極和感應電極沿寬度方向設有初始偏移δ χ。。5. 根據權利要求1所述的線纜計米器牽引力監測裝置，其特征在于，所述圓環電容單 元組包括η個同心圓環電容單元，其中，其中，aT為平行板的長度，為圓環電 容單元圓環的寬度，a5 0相鄰兩圓環電容單元之間的電極間距。6. 根據權利要求2所述的線纜計米器牽引力監測裝置，其特征在于，所述條狀電容單 元的寬度，其中，d。為條狀電容單元介質厚度，E為彈性介質的楊氏模量，G為彈性 介質的抗剪模量。7. 根據權利要求1所述的線纜計米器牽引力監測裝置，其特征在于，所述圓環電容單 元組和條狀電容單元組的驅動電極通過一個引出線與傳感系統信號處理器連接，所述圓環 電容單元組的每個圓環的感應電極單獨引線與傳感系統信號處理器連接，條狀電容單元組 的感應電極設一根引線。8. 根據權利要求2所述的線纜計米器牽引力監測裝置，其特征在于，所述圓環電容單 元、電容單元模塊與傳感系統信號處理器之間分別設有中間變換器，中間變換器用于設置 電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數。
【專利摘要】本實用新型涉及一種線纜計米器牽引力監測裝置，包括計米輪、線纜牽引機、二維力傳感器和傳感系統信號處理器，二維力傳感器設置在計米輪的曲面采集線纜與計米輪之間的正壓力和靜摩擦力并發送給傳感系統信號處理器，再反饋給線纜牽引機，傳感器包括圓環電容單元組合條狀電容單元組，條狀電容單元組設置在基板圓環電容單元組外的四角或者圓心，圓環電容單元組包括至少一組圓環電容單元對，圓環電容單元對包括兩個相互圓環電容單元，條狀電容單元組是由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結構。監測裝置對計米輪與線纜之間的正壓和靜摩擦力實時監測，避免正壓過小提供的最大靜摩擦力不足，也避免牽引力過大導致滑動摩擦，造成計米誤差。
【IPC分類】G01L5/16, G01B21/06
【公開號】CN204788309
【申請號】CN201520563817
【發明人】強俊, 李心源, 趙全
【申請人】安徽工程大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月28日