CN102140758B - 一种静电容式测力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种静电容式测力传感器，包含：悬臂；联接件，与悬臂通过粘胶粘接；三角星型膜片，具有内圈和外圈，内圈与联接件采用激光焊接的方式相连接；基板，外圈通过铆钉与基板固定联接，基板上与三角星型膜片相接触的一个面上设置第一电极和第二电极，另一个面上设置电路。

Description

一种静电容式测力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种测力传感器。 

背景技术

在纺织设备中，采用电机转动带动滚筒转动来卷绕丝，在卷绕的过程中，电机的转速稳定性和设备的机械传动都对丝的拉力有影响，因此丝受到的拉力大小有变化。 

丝受到的拉伸力越稳定，成品的质量越稳定。相反，如果拉伸力忽大忽小，则成品不够平整，质量较差。例如在化纤丝和棉纺丝的处理过程中，丝的伸展度，柔软度和加工丝的设备的稳定性有很大的关系。 

因此需要一个设备对丝上面受到的拉力的大小进行检测。 

发明内容

本发明的目的是提供一种静电容式测力传感器，检测丝织物拉力大小，本发明的技术方案如下： 

一种静电容式测力传感器，其特征在于，包含： 

悬臂； 

联接件，与该悬臂通过粘胶粘接； 

三角星型膜片，具有内圈和外圈，该内圈与该联接件采用激光焊接的方式相连接； 

基板，该外圈通过铆钉与该基板固定联接，该基板上与该三角星型膜片相接触的一个面上设置第一电极和第二电极，另一个面上设置电路；该第一电极与该内圈形成第一电容；该第二电极与该内圈形成第二电容；该第一电容和该第二电容互为呈相反变化的联调电容； 

该电路包含： 

第一延时电路，由第一电阻与该第一电容串联组成，该第一电容接地； 

第二延时电路，由第二电阻与该第二电容串联组成，该第二电容接地，该第一延时电路与该第二延时电路并联； 

异或逻辑元件，该第一延时电路的输出端与第二延时电路的输出端接入该异或逻辑元件的输出端。 

本发明的优点是： 

(1)与纺织物接触的悬臂的材质为陶瓷，其硬度足够适合织物的高速摩擦、切削，不致损坏。 

(2)适合很小的力的测量，适合纺织行业。 

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式的详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。 

图1为本发明测力传感器的剖面图； 

图2为本发明中测力电路的电路图； 

图3为测力电路输入时钟信号的波形图； 

图4为本发明中电容充电时实际电压的波形图； 

图5为本发明中电容放电时实际电压的波形图； 

图6为本发明中信号X1、信号X2的时钟信号示意图； 

图7为本发明中T0的时钟信号波形图； 

图8为载荷F与电压U之间的关系图； 

图9为本发明三角星型膜片的一个实施例； 

图10为本发明三角星型膜片的另一个实施例。 

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。 

图1为本发明的结构示意图。本发明由悬臂101、联接件102、三角星型膜片103、基板104组成。 

三角星型膜片103具有内圈107和外圈108。内圈107和外圈108之间设置孔109，以使得当内圈107受到力的作用时，容易产生弹性相对变形。(详细技术内容请见图9与图10) 

悬臂101通过联接件102与三角星型膜片103的内圈107粘接式刚性联接，具体方法是：联接件102与悬臂101之间采用粘胶粘接，联接件102和内圈107之间采用激光焊接。 

悬臂101的材质为陶瓷，联接件102为钢，三角星型膜片103为弹性较好的高强度钢。陶瓷硬度高，可以经受纺织物高速的切削。弹性较好的高强度钢能够保证三角星型膜片103内圈107的变形。 

外圈108通过铆钉与基板104固定联接，使三角星型膜片103固定在基板104上。 

基板104上设置电极105、电极106和电路。电极105与内圈107形成电容C1，电极106与内圈107形成电容C2。 

当在悬臂101作用有外力载荷F时，通过联接件102将力载荷传递于三角星型膜片103，引起内圈107变形，从而使得电容C1和C2的值发生变化。 

C1和C2互为呈相反变化的联调电容，即C1充电时，C2放电；C1放电时，C2充电。 

图2为测力电路的电路图的实施例，它设置在基板104上。电路包含：由第一电阻R1与 第一电容C1串联组成的第一延时电路，C1接地；由第二电阻R2与第二电容C2串联组成的第二延时电路，C2接地；第一延时电路与第二延时电路并联。异或逻辑元件201，第一延时电路的输出端与第二延时电路的输出端接入异或逻辑元件201的输入端。 

Ti为输入时钟信号，X1为经过第一延时电路R1C1后得到的信号，X2为经过第二延时电路R2C2后得到的信号，T0为信号X1和X2通过异或逻辑元件201后得到的信号。 

输入一个时钟信号Ti，其波形图如图3所示。 

当C1或C2充电时，实际电压 

波形如图4所示。其中，τ为时间常数，xτ＝RC。因此，τ不同，充电的快慢不同。U(∞)为充电电压。 

当C1，C2放电时，实际电压 

波形如图5示。其中，τ为时间常数，τ＝RC。因此，τ不同，放电的快慢也不同。U_c(0⁺)为放电开始时电压。 

输入时钟信号Ti经R1C1电路后，得到信号X1；经R2C2电路后，得到信号X2。 

信号X1、信号X2的时钟信号示意图如图6所示。由于R1C1的值与R2C2不相等，X1，X2两路信号到达高低电平临界点的时刻也不同。即，信号X1和X2为不同步信号。 

电平逻辑上的不同步信号X1和X2通过异或逻辑元件201，得到不同占空比的方波信号T0，如图7所示。 

载荷F和高电平的占空比成比例关系。即，传感器悬臂201的载荷F越大，在输出信号中高电平的占空比越大。 

采用通用的D/A转换电路将方波信号T0转换为模拟量U。 

理论分析结合试验研究表明，当载荷F较小时，载荷F和模拟量U之间近似呈线形关系。 

理论依据方面分析如下： 

1.平行板电容器的电容C＝εS/4πkd(S：两极板正对面积，d：两极板间的垂直距离，ω：介电常数)，可以得知电容C与两极板间的距离d成反比。 

2.悬臂101通过联接件102与三角星型膜片103的内圈107刚性联结；三角星型膜片103的外圈108与基板104刚性联结；这样就可以近似认为悬臂101上的力F导致三角星型膜片103的内圈107和外圈108之间相对变形为线形变化。线形变化导致电极105、106的极板间的距离d相对于力F进行线性变化。 

3.RC充放电函数反映的实际上是电压Uc和电容C之间的关系，结合上述原因1和2可知，电容C与两极板间的距离d成反比的关系，而d和力F为线性关系。所以将充放电函数 转换为电压Uc和力F之间的关系，即 

充电：U_c(t)＝U(∞)(1-e^-kFt)                                (1) 

放电：U_c(t)＝U_c(0⁺)e^-kFt                                   (2) 

*注k为一常量。 

根据泰勒公式对上述2式进行展开，得到 

$U_c\left(t\right)=U(\∞)(1-e^{-\mathrm{kFt}})=U(\∞)[\mathrm{kFt}-\frac{{\left(\mathrm{kF}\right)}^2}{2}{t}^2+...]---\left(3\right)$

$U_c\left(t\right)=U_c\left(0^{+}\right)e^{-\mathrm{kFt}}=U_c\left(0^{+}\right)[1-\mathrm{kFt}+\frac{{\left(\mathrm{kF}\right)}^2}{2}{t}^2+...]---\left(4\right)$

由于时间t极小(当我们采用30MHz的时钟频率时，其所对应的时间周期为0.03us)故这里我们略去2阶项，故上面公式变为： 

U_c(t)＝U(∞)(1-e^-kFt)＝U(∞)[kFt]                          (5) 

U_c(t)＝U_c(0⁺)e^-kFt＝U_c(0⁺)[1-kFt]                           (6) 

由上诉公式可知，在一个充放电周期内电压Uc和载荷F为近似线性关系。 

即，在图2所示电路中，X1，X2的电平在一个充放电周期内和载荷F成线性关系。 

在图3所示电路中，X1，X2电平信号实际上为近似规则的三角波信号。 

因此，X1和X2异或得到的T0信号的占空比和载荷F之间存在线性的关系。 

试验依据： 

用细绳将重量不同的砝码悬挂在传感器陶瓷棒上面，以形成力F，因此砝码等于作用在传感器上的力的大小。砝码重量与电压U的关系如下表所示： 

砝码重量(g)	0	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
												电压值(mv)	242	254	267	280	293	306	319	332	345	358	371

表中电压值U反映信号T0占空比的模拟量。 

图8表示了如上试验结果，表明电压U和载荷F基本为线性关系。 

同样道理，对任意一个按照本发明技术方案设计的传感器的实施例，我们均可以对输入的F和得到的U做标定。如输入值为F1时，得到U1，输入F2时得到U2，即可得到F与U的线形斜率。因此对任何时刻得到的U值，均可得知输入的F的大小。 

因此，通过基板104上的电路输出的方波信号T0，可以计算得到本发明的静电容式测力传感器悬臂101上所受到的纺织物的作用力F的大小。 

图9是三角星型膜片103的一个实施例。内圈107和外圈108之间设置两条弧形的孔109，使内圈107和外圈108之间有弹性相对变形。 

图10是三角星型膜片103的另一个实施例。三角星型膜片103的内圈107和外圈108之间设置三条弧形的孔109，使内圈107和外圈108之间有弹性相对变形。 

本发明主要用于10g-300g范围内的力的测量。 

应当理解的是，上述对实施例的详细说明仅为了理解本发明，对本领域普通技术人员而言，可以根据上述说明加以改进或变换，例如三角星型膜片103可以设计为圆形、椭圆形、方形等其他的形状；内圈107和外圈108之间的孔109可以是弧形，也可以是矩形，或不规则形状；三角星型膜片103与基板之间可以是铆钉连接，也可以是螺纹连接等；只要是达到此目的的所有改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 

Claims (7)

1.一种静电容式测力传感器，其特征在于，包含：

悬臂；

联接件，与该悬臂通过粘胶粘接；

三角星型膜片，具有内圈和外圈，该内圈与该联接件采用激光焊接的方式相连接；

基板，该外圈通过铆钉与该基板固定联接，该基板上与该三角星型膜片相接触的一个面上设置第一电极和第二电极，另一个面上设置电路；该第一电极与该内圈形成第一电容；该第二电极与该内圈形成第二电容；该第一电容和该第二电容互为呈相反变化的联调电容；

该电路包含：

第一延时电路，由第一电阻与该第一电容串联组成，该第一电容接地；

第二延时电路，由第二电阻与该第二电容串联组成，该第二电容接地，该第一延时电路与该第二延时电路并联；

异或逻辑元件，该第一延时电路的输出端与第二延时电路的输出端接入该异或逻辑元件的输出端。

2.根据权利要求1所述的静电容式测力传感器，其特征在于，该内圈和该外圈之间设置孔。

3.根据权利要求2所述的静电容式测力传感器，其特征在于，该孔为2条弧形孔。

4.根据权利要求2所述的静电容式测力传感器，其特征在于，该孔为3条弧形孔。

5.根据权利要求1所述的静电容式测力传感器，其特征在于，该悬臂的材质为陶瓷。

6.根据权利要求5所述的静电容式测力传感器，其特征在于，该联接件的材质为钢。

7.根据权利要求6所述的静电容式测力传感器，其特征在于，该三角星型膜片的材质为高强度钢。

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