專利名稱：一種電容式索力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種索力傳感器，特別涉及一種電容式索力傳感器。
背景技術(shù)：
在橋梁等大跨度建筑工程中，鋼索或碳纖維索有著重要的用途。索的內(nèi)力的測量在施工階段和建成后的狀態(tài)監(jiān)測方面具有重要意義。目前測量索力的方法有壓力表法，壓力傳感器法，電阻應(yīng)變片法，頻率法，磁通量法，光纖光柵法等。頻率法通過對索振動信號的頻域分析，得出索的基頻，通過索力與基頻，索單位長度重量，索長度的關(guān)系計算出索力。這種方法簡單易行，但是其缺點是需要外界激勵，在實際應(yīng)用中索的有效長度不易確定，因此常常導(dǎo)致誤差很大。對于索網(wǎng)系統(tǒng)，索的有效長度根本無法確定。磁通量法是將鋼索作為線圈的鐵芯，通過初級線圈的激勵，在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生磁場。當索力發(fā)生變化時，鋼索鐵芯的導(dǎo)磁性質(zhì)發(fā)生變化，因而在次級線圈內(nèi)激勵出的電流也發(fā)生相應(yīng)變化，測量此電流的變化，即可得出索力。這種方法準確度較高，但是缺點是電磁干擾大(激勵電流一般需要幾個安培)，只能在索制造時安裝或者現(xiàn)場繞制線圈，無法拆卸、更換和重復(fù)利用，另外，其受溫度的影響也較大，常常在測量的同時需要測量溫度以進行溫度校正。光纖光柵法是利用索的變形對光信號的調(diào)制作用測量索力的。雖然測量準確度較高，但是其受溫度影響較大，設(shè)備成本很高，難以大量使用。電阻應(yīng)變片法原理較為成熟，通過惠斯通電橋測量應(yīng)變片的電阻在索發(fā)生變形時的變化。但是這種方法的測量效果與應(yīng)變片的粘貼效果關(guān)系較大，不便于長期使用。壓力表法簡單粗糙，精度難以控制，讀數(shù)誤差較大，主要用于施工階段索力的定性掌握。壓力傳感器法的缺點是設(shè)備沉重，價格較貴，難以重復(fù)使用，可用于施工階段的索力測量，難以大量應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中索力傳感器所存在的缺點，本發(fā)明提供一種通過使用電容器電極隨鋼索截面形狀變化而改變的原理，測量索力變化的傳感器。一種電容式索力傳感器， 所述傳感器包括圓柱式電容、測量電路和終端處理裝置；圓柱式電容的包括兩個半圓柱形極板；測量電路用于測量圓柱式電容的變化，并將所測量得到的數(shù)據(jù)傳輸至用于存儲數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的終端處理裝置中；測量時將圓柱式電容的兩極套在索外，圓柱式電容與待測索同心；當索力發(fā)生變化時，所述索的截面積將發(fā)生相應(yīng)的微小變化，所述索截面積的變化將導(dǎo)致與其同軸圓柱式電容器的電容發(fā)生變化；所述電容變化將導(dǎo)致相應(yīng)的輸出電壓的變化；使用測量電路測量圓柱式電容的輸入、輸出電壓或電動勢，通過計算或標定即可得到索力的值。進一步，所述圓柱式電容的電容極板的材質(zhì)為銅。進一步，所述電容極板半圓柱面可根據(jù)被測對象的尺寸規(guī)格，制作不同的尺寸系列。進一步，所述測量電路為直流分壓電路；所述直流分壓電路包括串聯(lián)在一起的固定參考電容C1和兩個半圓柱形狀電容極板之間的電容cx，通過測量兩個串聯(lián)電容上的總電壓和兩個半圓柱形狀電容極板上的電壓；。其中，兩個半圓柱形狀電容極板之間的電容Cx 隨索力和索截面形狀而變化；通過公式測量出兩個串聯(lián)電容上的總電壓，即輸入電壓和兩個半圓柱形狀電容極板上的電壓，即輸出電壓Uout,即得出電容Cx的實際值；然后根據(jù)電容Cx實際值與拉力之間的標定關(guān)系，即可得出實際拉力。進一步，所述測量電路為基于振蕩回路振蕩頻率測量的電容測量電路；該測量電路包括串聯(lián)在一起的電感線圈L、固定參考電容C1和兩個半圓柱形狀電容極板之間的電容 Cx ；采用LC振蕩器的振蕩原理，LC振蕩器選擇L和C1參數(shù)為固定值。通過LC的組合，振蕩器起振。LC振蕩器的頻率計算公式 其中，C = ^ ‘ ‘ C1為固定參考電容，對于固定的電感L，通過對頻率f的精確測
量，就能夠計算出待測的電容Cx的數(shù)值及其變化，進而得出索力的數(shù)值。進一步，所述測量電路為基于電荷放大原理的微弱電容測量電路；所述測量電路中被測電容的左側(cè)極板為激勵電極，右側(cè)極板為檢測電極；通過在待測電容的兩極均設(shè)置雜散電容的等效電容；則該測量電路中電荷注入效應(yīng)不會對輸出電壓產(chǎn)生影響，輸出電壓與待測電容Cx成線性關(guān)系，即Vtxit = -VinXCx/(Cf+C0)；其中，V0ut為輸出電動勢，Vin為輸入電動勢，Cf為反饋電容。據(jù)此可以計算出Cx的值，進而得出索力的數(shù)值。進一步，所述測量電路為基于充放電原理的微電容測量電路；所述測量電路具體為開關(guān)電容電路，待測電容Cx通過開關(guān)K交替的接通兩個端子，設(shè)最初開關(guān)擲于左端，輸入電壓給電容Cx充電至一定值Ua后，將開關(guān)擲于右端，待測電容Cx通過右端負載放電而形成電壓Ub ；如果用電子開關(guān)置上述開關(guān)K，并用兩相同頻率反向的脈沖1\、T2分別驅(qū)動兩個開關(guān)，另外將電容Cx的接地端改接到運放A的虛地端，便可得最簡單的基于充放電原理的微電容測量電路；充放電時間足夠長，輸出端電壓U。將正比于待測電容Cx，即U0 = (Cx/Cf)Uc ； 式中 為參考電壓，Cf為反饋電容。據(jù)此可以計算出Cx的值，進而得出索力的數(shù)值。一種測量索力的方法，所述方法通過在待測索外設(shè)置與其同軸的圓柱形電容，當待測索上的索力發(fā)生變化時，索的截面積也會相應(yīng)的發(fā)生變化，將導(dǎo)致與其同軸圓柱式電容器的電容發(fā)生微小變化；通過測量圓柱式電容的變化，再通過數(shù)值計算或標定電容與索受力之間的關(guān)系，得到索的受力值。本發(fā)明所公開的電容式索力傳感器，利用電容器的電極及其相對位置關(guān)系隨索截
5面形狀變化的原理，闡述了一種全新的索力測量方法，以此方法可以制成一種索力測量卡
鉗設(shè)備。其主要優(yōu)點有
1)方便拆卸和重復(fù)使用。
2)成本低，研制及試驗很簡單。
3)不依賴于索的材料。
4)電磁干擾小。
5)不需要敲擊索。
6)不需要電流激勵。
7)可以對單根索進行即時標定。


圖1為本發(fā)明中索力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為圖1中A-A截面圖3為實施例1中的測試原理圖4為實施例2中的測試原理圖5為實施例3中的測試原理圖6為實施例4中的開關(guān)電容電路；
圖7為實施例4中的充放電電路。
具體實施例方式如圖1、2中所示，本發(fā)明中的索力傳感器，主要包括圓柱式電容1、測量電路3和終端處理裝置4。圓柱式電容1包括兩個半圓柱形極板；這兩個半圓柱形的極板可方便地扣合在一起或分開；電容極板的材質(zhì)一般為銅，半圓柱面可根據(jù)被測對象的尺寸規(guī)格；制作不同的尺寸系列。在測量時，將圓柱式電容1的兩極套在待測索2外，并扣合在一起。當索力發(fā)生變化時，索2截面積發(fā)生相應(yīng)的微小變化，索2截面積的變化將導(dǎo)致與其同軸圓柱式電容器1的電容發(fā)生微小變化。電容的微小變化將導(dǎo)致相應(yīng)的輸出電壓的變化。使用測量電路3測量圓柱式電容的輸入電壓和輸出電壓或電動勢，以及兩個半圓柱形狀電容極板之間的電容，及待測電容Cx和索力之間的關(guān)系；通過數(shù)值計算或標定，即可得到實際測量中索力的值。為了定性表述其原理，可參考圓柱形同軸電容器的電容其中，Cx為待測電容，L為電容器沿索長度方向的長度，ε r為空氣相對介電常數(shù)， er = 1.000585, ε。為真空介電常數(shù)，ε。= 8. 85 X 10_12F/m。R1表示圓柱極板的內(nèi)徑，R2 表示中間圓形導(dǎo)電介質(zhì)的外半徑。這個公式表示的是索為連續(xù)導(dǎo)電介質(zhì)時，索和電容極板之間的電容量。上式表示了兩個半圓柱形電容極板之間的電容Cx計算方法。實際上，兩個半圓柱形狀電容極板之間的電容Cx，不僅與這兩個極板之間的相對位置有關(guān)，還與索截面形狀有關(guān)。對于終端測量來說，二者不必加以區(qū)分。
以直桿為例，直桿在拉力作用下的變形
權(quán)利要求
1.一種電容式索力傳感器，其特征為，所述傳感器包括圓柱式電容、測量電路和終端處理裝置；圓柱式電容的包括兩個半圓柱形極板；測量電路用于測量圓柱式電容的變化，并將所測量得到的數(shù)據(jù)傳輸至用于存儲數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的終端處理裝置中；測量時將圓柱式電容的兩極套在索外，圓柱式電容與待測索同心；當索力發(fā)生變化時，所述索的截面積將發(fā)生相應(yīng)的微小變化，所述索截面積的變化將導(dǎo)致與其同軸圓柱式電容器的電容發(fā)生變化； 所述電容變化將導(dǎo)致相應(yīng)的輸出電壓的變化；使用測量電路測量圓柱式電容的輸入、輸出電壓或電動勢，通過計算或標定即可得到索力的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中電容式索力傳感器，其特征為，所述圓柱式電容的電容極板的材質(zhì)為銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中電容式索力傳感器，其特征為，所述電容極板半圓柱面可根據(jù)被測對象的尺寸規(guī)格，制作不同的尺寸系列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中電容式索力傳感器，其特征為，所述測量電路為直流分壓電路；所述直流分壓電路包括串聯(lián)在一起的固定參考電容C1和兩個半圓柱形狀電容極板之間的電容Cx，通過測量兩個串聯(lián)電容上的總電壓和兩個半圓柱形狀電容極板上的電壓；。其中，兩個半圓柱形狀電容極板之間的電容Cx隨索力和索截面形狀而變化；通過公式
5.根據(jù)權(quán)利要求1中電容式索力傳感器，其特征為，所述測量電路為基于振蕩回路振蕩頻率測量的電容測量電路；該測量電路包括串聯(lián)在一起的電感線圈L、固定參考電容C1 和兩個半圓柱形狀電容極板之間的電容Cx ；采用LC振蕩器的振蕩原理，LC振蕩器選擇L和 C1參數(shù)為固定值。通過LC的組合，振蕩器起振。LC振蕩器的頻率計算公式苴由
6.根據(jù)權(quán)利要求1中電容式索力傳感器，其特征為，所述測量電路為基于電荷放大原理的微弱電容測量電路；所述測量電路中被測電容的左側(cè)極板為激勵電極，右側(cè)極板為檢測電極；通過在待測電容的良機均設(shè)置有雜散電容的等效電容；所以該測量電路中電荷注入效應(yīng)不會對輸出產(chǎn)生影響，輸出電壓與待測電容Cx成線性關(guān)系，即Vtxit = -VinXCx/ (Cf+C0)；其中，Vait為輸出電動勢，Vin為輸入電動勢，CfS反饋電容，據(jù)此可以計算出Cx的值，進而得出索力的數(shù)值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中電容式索力傳感器，其特征為，所述測量電路為基于充放電原理的微電容測量電路；所述測量電路具體為開關(guān)電容電路，待測電容Cx通過開關(guān)K交替的接通兩個端子，設(shè)最初開關(guān)擲于左端，輸入電壓給電容Cx充電至一定值Ua后，將開關(guān)擲于右端，待測電容Cx通過右端負載放電而形成電壓Ub ；如果用電子開關(guān)置上述開關(guān)K，并用兩相同頻率反向的脈沖1\、T2分別驅(qū)動兩個開關(guān)，另外將電容Cx的接地端改接到運放A的虛地端，便可得最簡單的基于充放電原理的微電容測量電路；充放電時間足夠長，輸出端電壓U0 將正比于待測電容CxJP隊=(cx/cf)%;式中 為參考電壓，Cf為反饋電容，據(jù)此可以計算出Cx的值，進而得出索力的數(shù)值。
8. 一種測量索力的方法，其特征為，所述方法通過在待測索外設(shè)置與其同軸的圓柱形電容，當待測索上的索力發(fā)生變化時，索的截面積也會相應(yīng)的發(fā)生變化，將導(dǎo)致與其同軸圓柱式電容器的電容發(fā)生微小變化；通過測量圓柱式電容的變化，再通過數(shù)值計算或標定電容與索受力之間的關(guān)系，得到索的受力值。
全文摘要
一種電容式索力傳感器，所述傳感器包括圓柱式電容、測量電路和終端處理裝置；圓柱式電容的包括兩個半圓柱形極板；測量電路用于測量圓柱式電容的變化，并將所測量得到的數(shù)據(jù)傳輸至用于存儲數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的終端處理裝置中；測量時將圓柱式電容的兩極套在索外，圓柱式電容與待測索同心；當索力發(fā)生變化時，所述索的截面積將發(fā)生相應(yīng)的微小變化，所述索截面積的變化將導(dǎo)致與其同軸圓柱式電容器的電容發(fā)生變化；所述電容變化將導(dǎo)致相應(yīng)的輸出電壓的變化；使用測量電路測量圓柱式電容的輸入電壓和輸出電壓，通過計算即可得到索力的值。
文檔編號G01L5/10GK102252795SQ20111011574
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者吳明長, 王啟明 申請人:中國科學院國家天文臺