CN102252795A - 一种电容式索力传感器 - Google Patents

Abstract

一种电容式索力传感器，所述传感器包括圆柱式电容、测量电路和终端处理装置；圆柱式电容的包括两个半圆柱形极板；测量电路用于测量圆柱式电容的变化，并将所测量得到的数据传输至用于存储数据和处理数据的终端处理装置中；测量时将圆柱式电容的两极套在索外，圆柱式电容与待测索同心；当索力发生变化时，所述索的截面积将发生相应的微小变化，所述索截面积的变化将导致与其同轴圆柱式电容器的电容发生变化；所述电容变化将导致相应的输出电压的变化；使用测量电路测量圆柱式电容的输入电压和输出电压，通过计算即可得到索力的值。

Description

一种电容式索力传感器

技术领域

本发明涉及一种索力传感器，特别涉及一种电容式索力传感器。

背景技术

在桥梁等大跨度建筑工程中，钢索或碳纤维索有着重要的用途。索的内力的测量在施工阶段和建成后的状态监测方面具有重要意义。

目前测量索力的方法有压力表法，压力传感器法，电阻应变片法，频率法，磁通量法，光纤光栅法等。

频率法通过对索振动信号的频域分析，得出索的基频，通过索力与基频，索单位长度重量，索长度的关系计算出索力。这种方法简单易行，但是其缺点是需要外界激励，在实际应用中索的有效长度不易确定，因此常常导致误差很大。对于索网系统，索的有效长度根本无法确定。

磁通量法是将钢索作为线圈的铁芯，通过初级线圈的激励，在铁芯内产生磁场。当索力发生变化时，钢索铁芯的导磁性质发生变化，因而在次级线圈内激励出的电流也发生相应变化，测量此电流的变化，即可得出索力。这种方法准确度较高，但是缺点是电磁干扰大(激励电流一般需要几个安培)，只能在索制造时安装或者现场绕制线圈，无法拆卸、更换和重复利用，另外，其受温度的影响也较大，常常在测量的同时需要测量温度以进行温度校正。

光纤光栅法是利用索的变形对光信号的调制作用测量索力的。虽然测量准确度较高，但是其受温度影响较大，设备成本很高，难以大量使用。

电阻应变片法原理较为成熟，通过惠斯通电桥测量应变片的电阻在索发生变形时的变化。但是这种方法的测量效果与应变片的粘贴效果关系较大，不便于长期使用。

压力表法简单粗糙，精度难以控制，读数误差较大，主要用于施工阶段索力的定性掌握。

压力传感器法的缺点是设备沉重，价格较贵，难以重复使用，可用于施工阶段的索力测量，难以大量应用。

发明内容

针对上述现有技术中索力传感器所存在的缺点，本发明提供一种通过使用电容器电极随钢索截面形状变化而改变的原理，测量索力变化的传感器。一种电容式索力传感器，所述传感器包括圆柱式电容、测量电路和终端处理装置；圆柱式电容的包括两个半圆柱形极板；测量电路用于测量圆柱式电容的变化，并将所测量得到的数据传输至用于存储数据和处理数据的终端处理装置中；测量时将圆柱式电容的两极套在索外，圆柱式电容与待测索同心；当索力发生变化时，所述索的截面积将发生相应的微小变化，所述索截面积的变化将导致与其同轴圆柱式电容器的电容发生变化；所述电容变化将导致相应的输出电压的变化；使用测量电路测量圆柱式电容的输入、输出电压或电动势，通过计算或标定即可得到索力的值。

进一步，所述圆柱式电容的电容极板的材质为铜。

进一步，所述电容极板半圆柱面可根据被测对象的尺寸规格，制作不同的尺寸系列。

进一步，所述测量电路为直流分压电路；所述直流分压电路包括串联在一起的固定参考电容C₁和两个半圆柱形状电容极板之间的电容C_x，通过测量两个串联电容上的总电压和两个半圆柱形状电容极板上的电压；。其中，两个半圆柱形状电容极板之间的电容C_x随索力和索截面形状而变化；通过公式

$\frac{U_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{in}}}=\frac{C_1}{\mathrm{Cx}+C_1}$

测量出两个串联电容上的总电压，即输入电压U_in和两个半圆柱形状电容极板上的电压，即输出电压U_out，即得出电容C_x的实际值；然后根据电容C_x实际值与拉力之间的标定关系，即可得出实际拉力。

进一步，所述测量电路为基于振荡回路振荡频率测量的电容测量电路；该测量电路包括串联在一起的电感线圈L、固定参考电容C₁和两个半圆柱形状电容极板之间的电容C_x；采用LC振荡器的振荡原理，LC振荡器选择L和C₁参数为固定值。通过LC的组合，振荡器起振。LC振荡器的频率计算公式：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

其中，

C₁为固定参考电容，对于固定的电感L，通过对频率f的精确测量，就能够计算出待测的电容C_x的数值及其变化，进而得出索力的数值。

进一步，所述测量电路为基于电荷放大原理的微弱电容测量电路；所述测量电路中被测电容的左侧极板为激励电极，右侧极板为检测电极；通过在待测电容的两极均设置杂散电容的等效电容；则该测量电路中电荷注入效应不会对输出电压产生影响，输出电压与待测电容C_x成线性关系，即V_Out＝-V_in×C_x/(C_f+C₀)；其中，V_Out为输出电动势，V_in为输入电动势，C_f为反馈电容。据此可以计算出C_x的值，进而得出索力的数值。

进一步，所述测量电路为基于充放电原理的微电容测量电路；所述测量电路具体为开关电容电路，待测电容C_X通过开关K交替的接通两个端子，设最初开关掷于左端，输入电压给电容C_X充电至一定值U_a后，将开关掷于右端，待测电容C_X通过右端负载放电而形成电压U_b；如果用电子开关置上述开关K，并用两相同频率反向的脉冲T₁、T₂分别驱动两个开关，另外将电容C_X的接地端改接到运放A的虚地端，便可得最简单的基于充放电原理的微电容测量电路；充放电时间足够长，输出端电压U₀将正比于待测电容C_X，即U₀＝(C_x/C_f)U_C；式中：U_C为参考电压，C_f为反馈电容。据此可以计算出C_x的值，进而得出索力的数值。

一种测量索力的方法，所述方法通过在待测索外设置与其同轴的圆柱形电容，当待测索上的索力发生变化时，索的截面积也会相应的发生变化，将导致与其同轴圆柱式电容器的电容发生微小变化；通过测量圆柱式电容的变化，再通过数值计算或标定电容与索受力之间的关系，得到索的受力值。

本发明所公开的电容式索力传感器，利用电容器的电极及其相对位置关系随索截面形状变化的原理，阐述了一种全新的索力测量方法，以此方法可以制成一种索力测量卡钳设备。其主要优点有：

1)方便拆卸和重复使用。

2)成本低，研制及试验很简单。

3)不依赖于索的材料。

4)电磁干扰小。

5)不需要敲击索。

6)不需要电流激励。

7)可以对单根索进行即时标定。

附图说明

图1为本发明中索力传感器结构示意图；

图2为图1中A-A截面图；

图3为实施例1中的测试原理图；

图4为实施例2中的测试原理图；

图5为实施例3中的测试原理图；

图6为实施例4中的开关电容电路；

图7为实施例4中的充放电电路。

具体实施方式

如图1、2中所示，本发明中的索力传感器，主要包括：圆柱式电容1、测量电路3和终端处理装置4。圆柱式电容1包括两个半圆柱形极板；这两个半圆柱形的极板可方便地扣合在一起或分开；电容极板的材质一般为铜，半圆柱面可根据被测对象的尺寸规格；制作不同的尺寸系列。在测量时，将圆柱式电容1的两极套在待测索2外，并扣合在一起。当索力发生变化时，索2截面积发生相应的微小变化，索2截面积的变化将导致与其同轴圆柱式电容器1的电容发生微小变化。电容的微小变化将导致相应的输出电压的变化。使用测量电路3测量圆柱式电容的输入电压和输出电压或电动势，以及两个半圆柱形状电容极板之间的电容，及待测电容C_x和索力之间的关系；通过数值计算或标定，即可得到实际测量中索力的值。

为了定性表述其原理，可参考圆柱形同轴电容器的电容：

$\mathrm{Cx}=2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}L\frac{1}{\mathrm{Ln}(R_1/R_2)}$

其中，C_x为待测电容，L为电容器沿索长度方向的长度，ε_r为空气相对介电常数，ε_r＝1.000585，ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.85×10^-12F/m。R₁表示圆柱极板的内径，R₂表示中间圆形导电介质的外半径。这个公式表示的是索为连续导电介质时，索和电容极板之间的电容量。

上式表示了两个半圆柱形电容极板之间的电容C_x计算方法。实际上，两个半圆柱形状电容极板之间的电容C_x，不仅与这两个极板之间的相对位置有关，还与索截面形状有关。对于终端测量来说，二者不必加以区分。

以直杆为例，直杆在拉力作用下的变形

$\frac{\mathrm{\Δl}}{l}=\frac{F_N}{\mathrm{EA}}$

其中，F_N为杆内正应力，E为杆材料的弹性模量，A为杆的截面积。

假设拉伸直杆体积不变，则其截面积将发生变化。假设拉杆半径由R₂变为R’₂，则待测电容C_x变为C’_x。

因此可以确定，两个半圆柱形电容极板之间的电容值变化与拉力之间存在一定关系，具体可根据数值模拟或者试验进行标定。索是由多根钢丝组成，实际情况复杂很多，难以定量计算，但是对于信号处理来说，其效果和直杆是相同的。

关于电容量变化的测量电路：

实施例1：基于直流分压原理的电容测量电路

如图3中所示方基于直流分压电路的电容测量电路图。将两个电容：固定参考电容C₁和两个半圆柱形状电容极板之间的电容，即待测电容C_x串联，并测量两个串联电容上的总电压，及输入电压U_in和两个半圆柱形状电容极板上的电压，即输出电压U_out。其中，C_x为两个半圆柱形状电容极板之间的电容，随索力和索截面形状而变化。

容易得到：

$\frac{U_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{in}}}=\frac{C_1}{\mathrm{Cx}+C_1}$

测量出输入电压U_in和输出电压U_out，即可得出待测电容C_x的实际值。

根据待测电容C_x实际值与拉力之间的标定关系，即可得出实际拉力。

这种方式的优点是电能消耗量小，原理简单；其缺点是需要有效的信号放大电路。

实施例2：基于振荡回路振荡频率原理的电容测量电路

图4中所示基于振荡回路振荡频率测量的电容测量电路图；该测量电路由串联在一起的电感线圈L、固定参考电容C₁和两个半圆柱形状电容极板之间的电容，即待测电容C_x。采用LC振荡器的振荡原理，LC振荡器选择L和C₁参数为固定值。通过LC的组合，振荡器起振。LC振荡器的频率计算公式：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

其中， $C=\frac{\mathrm{Cx}{C}_1}{\mathrm{Cx}+C_1}$

C₁为固定参考电容，对于固定的电感L，通过对频率f的精确测量，就可以计算出待测电容C_x的数值及其变化，进而得出索力的数值。

实施例3：基于电荷放大原理的微弱电容测量电路

这种微弱电容测量电路基于电荷放大原理，利用时序和差动式设计，消除了电子开关的电荷注入效应等干扰因素对测量结果的影响。该电路具有较好的测量线性度，灵敏度和飞法级分辨率。

图5中，C_x为两个半圆柱形电容极板之间的电容，即待测电容，它的左侧极板为激励电极，右侧极板为检测电极。C_as和C_bs分别表示待测电容C_x的两个电极所有杂散电容的等效电容，C_as由激励源驱动，它的存在对流过被测电容的电流无影响。电容C_bs在检测过程中始终处于虚地状态，C_bs的两端无电压差，因而它也对电容测量无影响，因而整个电路对杂散电容的存在不敏感，即该电路具有较强的抗杂散电容的性能。

由于测量的是飞法级的微弱电容，要求电路具有很高的分辨率。影响该电路分辨率的主要因素是电子开关的电荷注入效应。图4示出了CMOS开关电荷注入效应的原理图。栅极-漏极与栅极-源极间的寄生电容用虚线表示。电荷注入效应的影响主要是在电子开关关断时，有不期望的电荷注入电路所引起，这种影响引入的误差远大于要测量的飞法级电容值；另一方面在电子开关关断后，开关的输出电容C₀也会引入误差。一般认为电荷注入效应的机制主要有两方面，一方面是由于沟道电荷造成，在关断时这些沟道电荷分别从漏极和源极流出，流入测量电路。另一方面是由栅极与漏、源极间的寄生电容存储的电荷释放流入测量电路造成的。

电荷注入效应不会对输出产生影响，输出电压与待测电容C_X成线性关系，即V_Out＝-V_in×C_x/(C_f+C₀)。其中，V_Out为输出电动势，V_in为输入电动势，C_f为反馈电容，该反馈电容用于在放大器输出端和反相输入端之间反馈交流分量，避免自激，使放大器能够稳定地工作。据此可以计算出C_x的值，进而得出索力的数值。

实施例4：基于充放电原理的微电容测量电路

将充放电原理引入微电容测量电路从理论上可消除分布电容对传感器的影响，从而可减小测量误差，并简化测量电路，实现提高测量精度的目的。

图6中所示的开关电容电路，两个半圆柱形电容极板之间的电容，即待测电容C_X通过开关K交替的接通两个端子，设最初开关掷于左端，输入电压给电容C_X充电至一定值U_a后，将开关掷于右端，待测电容C_X通过右端负载放电而形成电压U_b。如果用电子开关置换图6中的开关，并用两相同频率反向的脉冲T₁，T₂分别驱动两个开关，另外将电容C_X的接地端改接到运放A的虚地端，便可得到图7所示的最简单的基于充放电原理的微电容测量电路。

充放电时间足够长，输出端电压U₀将正比于待测电容C_X，即U₀＝(C_x/C_f)U_C。式中：U_C为参考电压，C_f为反馈电容，其作用同实例3中的反馈电容。据此可以计算出C_x的值，进而得出索力的数值。

Claims (8)

1.一种电容式索力传感器，其特征为，所述传感器包括圆柱式电容、测量电路和终端处理装置；圆柱式电容的包括两个半圆柱形极板；测量电路用于测量圆柱式电容的变化，并将所测量得到的数据传输至用于存储数据和处理数据的终端处理装置中；测量时将圆柱式电容的两极套在索外，圆柱式电容与待测索同心；当索力发生变化时，所述索的截面积将发生相应的微小变化，所述索截面积的变化将导致与其同轴圆柱式电容器的电容发生变化；所述电容变化将导致相应的输出电压的变化；使用测量电路测量圆柱式电容的输入、输出电压或电动势，通过计算或标定即可得到索力的值。

2.根据权利要求1中电容式索力传感器，其特征为，所述圆柱式电容的电容极板的材质为铜。

3.根据权利要求1中电容式索力传感器，其特征为，所述电容极板半圆柱面可根据被测对象的尺寸规格，制作不同的尺寸系列。

4.根据权利要求1中电容式索力传感器，其特征为，所述测量电路为直流分压电路；所述直流分压电路包括串联在一起的固定参考电容C₁和两个半圆柱形状电容极板之间的电容C_x，通过测量两个串联电容上的总电压和两个半圆柱形状电容极板上的电压；。其中，两个半圆柱形状电容极板之间的电容C_x随索力和索截面形状而变化；

通过公式

$\frac{U_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{in}}}=\frac{C_1}{\mathrm{Cx}+C_1}$

测量出两个串联电容上的总电压，及输入电压U_in和两个半圆柱形状电容极板上的电压，即输出电压U_out，即可得出电容C_x的实际值；然后根据电容C_x实际值与拉力之间的标定关系，即可得出实际拉力。

5.根据权利要求1中电容式索力传感器，其特征为，所述测量电路为基于振荡回路振荡频率测量的电容测量电路；该测量电路包括串联在一起的电感线圈L、固定参考电容C₁和两个半圆柱形状电容极板之间的电容C_x；采用LC振荡器的振荡原理，LC振荡器选择L和C₁参数为固定值。通过LC的组合，振荡器起振。LC振荡器的频率计算公式：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

其中， $C=\frac{\mathrm{Cx}{C}_1}{\mathrm{Cx}+C_1}$

C₁为固定参考电容，对于固定的电感L，通过对频率f的精确测量，就能够计算出待测的电容C_x的数值及其变化，进而得出索力的数值。

6.根据权利要求1中电容式索力传感器，其特征为，所述测量电路为基于电荷放大原理的微弱电容测量电路；所述测量电路中被测电容的左侧极板为激励电极，右侧极板为检测电极；通过在待测电容的良机均设置有杂散电容的等效电容；所以该测量电路中电荷注入效应不会对输出产生影响，输出电压与待测电容C_X成线性关系，即V_Out＝-V_in×C_x/(C_f+C₀)；其中，V_Out为输出电动势，V_in为输入电动势，C_f为反馈电容，据此可以计算出C_x的值，进而得出索力的数值。

7.根据权利要求1中电容式索力传感器，其特征为，所述测量电路为基于充放电原理的微电容测量电路；所述测量电路具体为开关电容电路，待测电容C_X通过开关K交替的接通两个端子，设最初开关掷于左端，输入电压给电容C_X充电至一定值U_a后，将开关掷于右端，待测电容C_X通过右端负载放电而形成电压U_b；如果用电子开关置上述开关K，并用两相同频率反向的脉冲T₁、T₂分别驱动两个开关，另外将电容C_X的接地端改接到运放A的虚地端，便可得最简单的基于充放电原理的微电容测量电路；充放电时间足够长，输出端电压U₀将正比于待测电容C_X，即U₀＝(C_x/C_f)U_C；式中：U_C为参考电压，C_f为反馈电容，据此可以计算出C_x的值，进而得出索力的数值。

8.一种测量索力的方法，其特征为，所述方法通过在待测索外设置与其同轴的圆柱形电容，当待测索上的索力发生变化时，索的截面积也会相应的发生变化，将导致与其同轴圆柱式电容器的电容发生微小变化；通过测量圆柱式电容的变化，再通过数值计算或标定电容与索受力之间的关系，得到索的受力值。

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