r>[0049] (4)切向应力TjPTy激励下的电容变化
[0050] 切向应力TjPT￥并不改变极板的几何尺寸参数b。和a。，对介质厚度d。也不产 生影响。然而TJPTy改变了平行板电容器的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了 错位偏移。现以OX方向为例，极板在Tx作用下的错位偏移Sx。
[0051] 在图2中当T零时，a。上=a。下是正对的，基板之间有效截面At =a。?b。;在 图3中，在Tx右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移Sx，从而使上下 极板之间在计算电容时的有效面积At = (a。_ 5 x) ?b。;图4中，当T 左向时，错位偏移 SJlJ向左，而At=(afSJ*b。，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：
[0060] 公式（9)-(12)类似的分析同样适用与TAcTy的特性与技术指标，只不过式中 条状电容单元的长边b。应设置于OX轴方向，而其短边a。则在OY方向。
[0061] (5)差动电容单元的引进
[0062] 图3和图4所示的电容器结构性变化，只说明电容输出与切向应力±Tx输入的关 系，电容增量都是负的，因此这种初始电容结构不适宜作为对±Tx得到增减电容的响应。 为此本发明对电容器上下极板的初始结构进行调整，构成一对差动电容对（(^与CR)，具体 如图5所示。
[0063] 图5中，一对电容CjPCR%极尺寸&。、13。、(1。均相同，初始错位偏移 5。也相同，区 别在于左边电容器CJl层S。尖角的指向为+〇X，而右边电容器Cr上层S。尖角指向-ox。
[0070]2、接触式平行板电容设计
[0071] (1)平行板电容的平面设计
[0072] 参见图7、图8和图9中的电极平面布置，在一个IOXIOmm2的基板中心作十字分 隔，形成四个象限I、II、III、IV，其中I、II象限为对T 出响应的差动电容单元组合，而 III、IV象限为对T￥做出响应的差动电容单元组合。外围线为IOXIOmm2的PCB板四根边 缘线，对PCB基板应精确切割以保证形状和尺寸上的精准。影线部分表示失蜡铸造工艺的 外模截面，其几何形状和尺寸也应在机械成型时保持精准，为脱模方便并可拼拆，更应维持 尺寸精度，最终以保证消除三维力对电容响应的相互干扰。
[0073] 电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容 单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。由公式（12)a。愈小，切向应力响应的 灵敏度越大，故单个电容均为长条状。设每根条状电容单元宽为a。，两条状电容单元之间 的槽宽为a5，则每根条状电容单元的节距为a(]+a5。为了充分利用方形基板的平面空间， 使M(a(]+a5)b产1方形基板表面积，M为4个象限内的条状电容单元数，则有M(a(]+a5)= 2*10mm，式中，槽宽&5不宜过大，否则不利于使用基板上的有效平面空间，也不宜过小，要 受到失蜡铸造工艺的约束。为使法向灵敏度Sn和切向灵敏度ST相同，按公式（7)和（12)， 令a。*G=d。*E，当d。= 0?Imm时，则a。= 0? 15mm，若令a5 = 0? 05mm，则M= 100,每个象 限有25个条状电容单元。
[0074] 为了实现^和T#刀向响应之间不相互产生影响，驱动电极长度两端预留S。，
[0075] 为了实现TJPTy不对法向电容响应产生任何影响，每个条状电容单元的驱动电 极与感应电极在各象限中的平面布置应保证一定的错位偏移，通过差动消除影响，取感应 电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基 板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准。而置他们与几何基 准线差距均为S。(〇.Imm)，以保证T,在I、II象限电容单元产生差动电容输出响应，而在 III、IV象限电容单元则产生对T,的差动电容响应，设置一个初始错位偏移Sx。，其取值应
证四个象限中的电容单元在TJPTy切向激励下能产生两组差动电容对。这样在计算法 向电容输出响应时已能保证TJPTy不对法向电容响应产生任何影响。在图6中Ctx1 = 心和CTxII=q为转换Tx的差动电容对，而CTxIII=CJPCTxIV=Cr则为转换Ty的差动 电容对。
[0076] (2)法向应力计算
[0077] 由公式（6)可改写单个电容器的法向响应电容
[0079] 其中，i=I、II、III、IV，因每个象限中，N是指每个象限的条状电容单元的数量，N个条状电容单元是并联。
[0081] 上式即为〇 "的电容总响应。
[0082] 尽管单个电容的求和可通过电极引线的并联连接实现。但一旦并接好，就不再能 实现求差组合，故实际的求和组合要通过中间变换器的输出再求和，见图10,求和的信号流 程框图
[0083] 图中，中间变换器K可以是电压对电容或频率对电容的传输系数，从而完成对法 向响应的合成。
[0085] (3)切向应力计算
[0086] (^对C"和Cm对CIV可以实现两对差动组合，见图11，经差动技术处理，差动输出 的总响应
[0088] 上式中，无论是法向激励Fn或切向激励Fy均不对0。产生影响。即自动消除了 〇 "和T,对T^勺总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合 的电容变化都自动消除。而FdPFJt〇n的干扰可通过上层电极在b。方向增加几何长度 2 8。消除，0Ty同理可求。
[0089] (4)主要材料选择及其特性参数
[0090] 梳齿状平行板电容器的极板距d。= 0. 1mm，上下基板内侧空间除铜箱电极外，均 为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷）超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为 杨氏模量E= 6. 2MPa，而其抗剪弹性模量为G= 4.IMPa，介质极化时相对介电常数eY = 2. 5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量Ef0= 103GPa。故电容器内部介质在应力状态 下的变形远大于极板的变形。
[0091] (5)电极引线设计
[0092] 无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都 是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个电容单元模块感应电极则需用 各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，以便整 个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。
[0093] 本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设 计，在IOXIOmm2的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个 单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有 4个，对4个电容求和可得到法向Fn的信息，即整个电极板都对求F"做出贡献，同时将两对 电容组合组成差动系统，又可获得匕和Fy的信息，从而完整描述一个三维力。
[0094] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发 明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种线缆计米器，包括计米轮和线缆牵引机，其特征在于，还包括二维力传感器和传 感系统信号处理器，二维力传感器设置在计米轮的曲面采集线缆与计米轮之间的正压力和 静摩擦力并发送给传感系统信号处理器，传感系统信号处理器将正压力和静摩擦力反馈给 线缆牵引机，二维力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述 X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容 单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿结构，每个条状 电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述X方向差动电容单元组合和Y 方向差动电容单元组合的电容值求和计算传感器的法向力且消除切向力影响。2. 根据权利要求1所述的线缆计米器，其特征在于，所述每个条状电容单元的驱动电 极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留 左差位δ左和右差位δ右，b 0驱=b0感+δ右+ δ左，其中，b0驱为条状电容单元的驱动电极长 度，bg为条状电容单元的感应电极长度。3. 根据权利要求2所述的线缆计米器，其特征在于，所述差位δ δ φ，且?其中d。为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ _为最大应力值。4. 根据权利要求1所述的线缆计米器，其特征在于，所述两组相互形成差动的电容单 元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大 小相同、方向相反。5. 根据权利要求1所述的线缆计米器，其特征在于，所述梳齿状结构包括20个以上条 状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间 距a g 〇6. 根据权利要求5所述的线缆计米器，其特征在于，所述平行板面积S = Mfefajb。， 其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单元的宽度。7. 根据权利要求1所述的线缆计米器，其特征在于，所述电容单元模块的每个条状电 容单元的引线通过并联或者独立方式连接到传感系统信号处理器。8. 根据权利要求1所述的线缆计米器，其特征在于，所述条状电容单元的宽度其中，d。为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。9. 根据权利要求1所述的线缆计米器，其特征在于，所述传感系统信号处理器和电 容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系 数。
【专利摘要】本发明涉及一种线缆计米器，包括计米轮、线缆牵引机、二维力传感器和传感系统信号处理器，二维力传感器设置在计米轮的曲面采集线缆与计米轮之间的正压力和静摩擦力并发送给传感系统信号处理器，再反馈给线缆牵引机，传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构。监测装置对计米轮与线缆之间的正压和静摩擦力实时监测，避免正压过小提供的最大静摩擦力不足，也避免牵引力过大导致滑动摩擦，造成计米误差。
【IPC分类】G01B21/06
【公开号】CN105066931
【申请号】CN201510460799
【发明人】王军, 李小牛, 端黎明
【申请人】芜湖科创生产力促进中心有限责任公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月28日