CN104990716A - 一种轮胎均匀性检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮胎均匀性检测装置,包括负荷轮、传感器和传感系统信号处理器，负荷轮作为轮胎的从动轮曲面靠近轮胎，传感器作为负荷轮的两端支撑点设在负荷轮的上下两端，传感器采集负荷轮与测试轮胎之间的径向力和侧向力并发送给传感系统信号处理器，传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构。本发明的轮胎均匀性检测装置测量轮胎和负荷轮之间的径向力和侧向力，通过这两个参数分析径向力波动、侧向力波动、锥度、跑偏、径向偏差(顶部、中央、底部)、侧向偏差(顶部、底部)等参数，科学地定标轮胎的不均匀性。

Description

一种轮胎均匀性检测装置

技术领域

本发明属于汽车设备检测技术领域，具体涉及一种轮胎均匀性检测装置。

背景技术

轮胎均匀性是指轮胎在受径向负荷并高速旋转的情况下轮胎圆周力波动特征既不均匀性。根据力学原理及机械运动原理，汽车轮胎在高速行驶旋转情况下会由于内部材料的组织不均匀、尺寸外形的不均匀以及在装配尺寸上的误差等导致轮胎产生交变波动的径向力和侧向力，从而引起汽车上下的振动、左右跑偏、噪声等，影响汽车的操纵性、舒适度或平稳度。严重的会损坏汽车零部件，甚至会引发交通事故。

通过测量轮胎均匀性检测装置得到的径向力和侧向力，通过这两个参数分析径向力波动、侧向力波动、锥度、跑偏、径向偏差(顶部、中央、底部)、侧向偏差(顶部、底部)等参数，科学地定标轮胎的不均匀性，并指导对轮胎的不均匀性校正，使轮胎的不均匀性达到最小值，从而达到改善、提高轮胎质量的目的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种轮胎均匀性检测装置，将二维力传感器设置在负荷轮的上下端点处，测量轮胎给负荷轮的侧向力和径向力，通过分析径向力和侧向力的锥度效应、角度效应、径向力波动、侧向力波动等参数来分析轮胎的均匀性。

本发明的技术方案是：一种轮胎均匀性检测装置，包括负荷轮、传感器和传感系统信号处理器，负荷轮作为轮胎的从动轮曲面靠近轮胎，传感器作为负荷轮的两端支撑点设在负荷轮的上下两端，传感器采集负荷轮与测试轮胎之间的径向力和侧向力并发送给传感系统信号处理器，所述传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块是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，所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

本发明检测装置还包括主轴和上、下轮辋，上、下轮辋与主轴的轴线重合，下轮辋与主轴一体，上轮辋为上下可自由运动，负荷轮轴线与主轴的轴线平行，轮胎夹持在上、下轮辋之间。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＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。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_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与传感系统信号处理器之间分别设有中间变换器，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。

本发明有如下积极效果：本发明的轮胎均匀性检测装置测量主动轮轮胎和从动轮负荷轮之间的径向力和侧向力，通过这两个参数分析径向力波动、侧向力波动、锥度、跑偏、径向偏差(顶部、中央、底部)、侧向偏差(顶部、底部)等参数，科学地定标轮胎的不均匀性，并指导对轮胎的不均匀性校正，使轮胎的不均匀性达到最小值，从而达到改善、提高轮胎质量的目的。另外，本发明的传感器灵敏度高，并且通过驱动电极两端预留差位解决力间耦合，具有较好的动态性能。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的条状电容单元及其坐标系。

图2是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。

图3是本发明的具体实施方式的条状电容单元右向偏移示意图。

图4是本发明的具体实施方式的条状电容单元左向偏移示意图。

图5是本发明的具体实施方式的宽度为a₀和ka₀的电容对受力偏移图。

图6是本发明的具体实施方式的平行板三维力压力传感器结构图。

图7是本发明的具体实施方式的单元电容对的信号示意图。

图8是本发明的具体实施方式的轮胎均匀性测试装置的结构图。

图9是本发明的具体实施方式的轮胎均匀性测试受力分析图。

其中，1主轴、2下轮辋、3上轮辋、4轮胎、5负荷轮、6传感器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明的主要思路是：轮胎是一种圆环形筒状断面的挠性旋转体，子午胎是由多层带有钢丝帘线的橡胶预制材料、复合橡胶预制材料经贴合、成型以及硫化定性而成，这样就产生材料的不均匀或者质量偏心等导致不均匀性。根据相关力学原理，存在一定程度不均匀的轮胎，在动态运动过程中会表现出很多运动特征，如轮胎与地面的各方向上的存在摩擦、轮胎承受负载的变化、导致轮胎变型的锥度效应、角度效应等特性。

锥度效应是指不因轮胎旋转方向改变而改变符号的侧向力偏移。角度效应是指随着轮胎旋转方向改变而改变符号的侧向力偏移。为了计算出锥度效应和角度效应，必须求出轮胎在正转、反转情况下的侧向力平均值，即正转侧向力偏移和反转侧向力偏移，这两项指标是求出锥度效应和角度效应的中间数据结果，同样也将作为均匀性的一个尺度。对轮胎的径向力波动、侧向力波动的分析还要具体到正转情况和反转情况，同时，由于径向力波动、侧向力波动的1～10次谐波是构成径向力波动侧向力波动的主要成分，而且各谐波所占分量的大小(幅值)也将反映轮胎的特质，同样是均匀性考察的参数。对于径向力波动和侧向力波动的各次谐波中，一次谐波分量更具有代表性，它的幅值大小极大的影响了力波动的大小。

径向力波动是指轮胎在正转或反转的一个或多个转动周期内径向受力的峰峰值(单位：N)；径向力1～10次谐波(RFH1～RFH10)是指由力波动试验得到的轮胎径向力与轮胎旋转角度的关系曲线是一条谐振曲线，对轮胎正转或反转的一个或多个转动周期内的径向力受力波形用傅里叶分析把它们分解成1次到10次谐波，其中原波的1次成分叫做一次谐波(RFH1)或者叫基波(单位：N)；侧向力波动(LFV)是指轮胎在正转或反转的一个或多个转动周期内侧向受力的峰峰值(单位：N)；侧向力1～10次谐波(LFH1～LFH10)是指由力波动试验得到的轮胎侧向力与轮胎旋转角度的关系曲线是一条谐振曲线，对轮胎正转或反转的一个或多个转动周期内的侧向力受力波形用傅里叶分析把它们分解成1次到10次谐波，其中原波的1次成分叫做一次谐波(RFH1)或者叫基波(单位：N)；侧向力偏移(LSFT)是指轮胎在正转或反转的一个或多个转动周期内侧向受力积分的平均值(单位：N)。

如图8所示，为本发明的轮胎均匀性检测装置的结构示意图，上、下轮辋2与主轴1的轴线重合，下轮辋2与主轴1一体，上轮辋3为上下可自由运动。负荷轮5轴线与主轴1的轴线平行，测试前上轮辋3、负荷轮5远离主轴1，分别处于各自的原点位置。测试时，轮胎加载到下轮辋2上，上轮辋3下降，上下轮辋相对位置被锁定并夹持轮胎4，轮胎4充气，并使轮胎4内部压力保持恒定。轮胎4依靠充气压力与上下轮辋固定，这样在主轴1旋状过程中不会发生轮胎4与上下轮辋的相对错位。负荷轮5水平向左靠近并接触轮胎4，对轮胎4施加恒定压力，轮胎4与负荷轮5通过摩擦力保持恒定转速转动，主轴1与轮胎4的相对位置不变，则主轴1与轮胎4以相同角速度转动。

对轮胎4和负荷轮5之间的受力进行分析，包括径向力、侧向力和切向摩擦力，由于摩擦力是负荷轮5的驱动力，所以这里不研究，因为径向力、主轴1轴线、负荷轮5轴线、力传感器6平面以及轮胎4与负荷轮5的接触面中心都在同一平面内，所以建立了如图的二维的正交力系来做力分析。

二维正交测力传感器6设置在图中负荷轮5的两个端点处，是负荷轮5中轴的两端支撑点，负荷轮5向轮胎4施加负载且二者轴线平行，传感器6与轮胎4受力如图9所示，轮胎4的径向力F_r等于上下测力传感器6的X方向力之和，也即F₃+F₅，侧向力F₁等于上下传感器6的Y方向力之和，也即F₂+F₄。

在若干个转动周期之后，负荷轮5和轮胎4停止转动，轮胎4放气，上轮辋3和负荷轮5水平退回到复位位置，传感系统信号处理器将采集到的所有数据进行计算，得到被测轮胎的各项均匀性指标，完成均匀性的测试。

以下详述本发明的传感器的测量原理：如图4-6为本发明压力传感器的极板结构图，传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀条状电容单元组成的第二条状电容单元组。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＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。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_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与传感系统信号处理器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。

1、条状电容单元的转换特性

(1)激励信号和坐标系

将条状电容单元置于图1所示的直角坐标系中，极板平面长度b₀、宽度a₀、介质厚度d₀。三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴即方向，法向和切向应力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容响应；法向应力σ_n＝Fn/A，其中A＝a₀·b₀为极板法向受力面，Fn＝Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ_x＝Fx/A，τ_y＝Fy/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

${\mathrm{\σ}}_n=E\·{\mathrm{\ϵ}}_n=E\·{\mathrm{\δ}}_n/d_0=\frac{F_n}{A}---\left(1\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_x=\±{\mathrm{\γ}}_x\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_x/d_0=\±\frac{F_x}{A}---\left(2\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_y=\±{\mathrm{\γ}}_y\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_y/d_0=\±\frac{F_y}{A}---\left(3\right)$

式中，E为弹性介质的杨氏模量(单位：GN/m²)，G为弹性介质的抗剪模量(单位：GN/m²)，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为电容器上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。

(2)电容公式及其输入输出特性

矩形平行板电容器的初始电容为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·a_0\·b_0}{d_0}---\left(4\right)$

式中，ε₀真空介质电常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n/E，代入(4)得到输入输出特性

$C_n={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_n)}={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-\frac{F_n}{AE})}---\left(5\right)$

(3)法向应力作用下的线性度和灵敏度

a、法向线性度

在(5)式中F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的，因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中ε_n＜＜1，将(5)按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小，(5)式可简化为：

$C_n=C_0(1+\mathrm{\ϵ})=C_0(1+\frac{F_n}{A\·E})---\left(6\right)$

可见在C_n与F_n的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。

b、灵敏度

按法向灵敏度的定义

按(6)式可得线性灵敏度，

S_n1＝C₀/AE＝ε₀ε_r/d₀E    (7)

而按(5)式则

$S_{n2}=\frac{{\mathrm{dC}}_n}{{\mathrm{dF}}_n}=C_0\·\frac{1}{1-2\mathrm{\ϵ}}=C_0\·\frac{1}{1-2\frac{F_n}{A\·E}}---\left(8\right)$

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

(4)切向应力τ_x和τ_y激励下的电容变化

切向应力τ_x和τ_y并不改变极板的几何尺寸参数b₀和a₀，对介质厚度d₀也不产生影响。然而τ_x和τ_y改变了条状电容单元的空间结构，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τ_x作用下的错位偏移δ_x。

在图2中当τ_x为零时，a_0上＝a_0下是正对的，基板之间有效截面A_τ＝a₀·b₀；在图3中，在τ_x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δ_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀；图4中，当τ_x为左向时，错位偏移δ_x则向左，而A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀，τ_x在左向和右向时，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：

$C_{\mathrm{\τ}x}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·(a_0-{\mathrm{\δ}}_x)\·b_0}{d_0}---\left(9\right)$

根据剪切虎克定律

τ_x＝γ_x·G＝G·δ_x/d₀    (10)

将(10)代入(9)可得

$C_{\mathrm{\τ}x}=C_0-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·{\mathrm{\δ}}_x\·b_0}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·b_0{\mathrm{\τ}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(11\right)$

(11)式即为切应力下的输入-输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系。

而其灵敏度

$S_{\mathrm{\τ}x}=\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\τ}x}}{{\mathrm{dF}}_x}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(12\right)$

公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τ_y与C_τy的特性与技术指标，只不过式中条状电容单元的长边b₀应设置于OX轴方向，而其短边a₀则在OY方向。

2、接触式平行板电容设计

(1)平行板电容的平面设计

设定的原始指标法向最大接触应力σ_nmax为200Kpa，如果法向受力A为正方形10×10mm²，则最大法向力F_Zmax为σ_nmax·A＝20N。切向最大接触应力τ_max为70Kp，切向应力的受力分布面均为10×10mm²，则最大切向力分量F_xmax＝F_ymax＝τ_max·A＝7N。

图3和图4所示的条状电容单元结构性变化，只说明电容输出与切向应力±τ_x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±τ_x得到增减电容的响应。为此本发明对条状电容单元上下极板的初始结构进行调整，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)，具体如图5所示。

图5中，电容单元C_L和C_R电极尺寸b₀、d₀均相同，宽度一个为a₀，一个为ka₀，其中k为常数，优选大于1的整数。当τ_x＝0时，C_L＝C₀，C_R＝kC₀，在此基础上如在F_x激励下产生δ_x的错误偏移，将会形成如图3或4所示的偏移效果。

$C_L=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·b_0\·(a_0-{\mathrm{\δ}}_x)}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·b_0{\mathrm{\τ}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(13\right)$

$C_R=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·b_0\·({\mathrm{Ka}}_0-{\mathrm{\δ}}_x)}{d_0}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·b_0{\mathrm{\τ}}_x}{G}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(14\right)$

C_L和C_R电容单元对在同一个τ_x将产生δ_x和ΔC_τ的响应。

由此，公式(11)可修改为

$C_{\mathrm{\τ}x}=C_{\mathrm{\τ}0}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}{F}_x$

式中，为切应力为零时的初始电容，上式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_x是线性关系，而其灵敏度

参见图6的电极平面布置，在一个10×10mm²的基板中心作十字分隔，形成四个象限，右上第一象限I、左上第二象限II、左下第三象限III、右下第四象限IV，其中I、III象限为对τ_x做出响应的电容单元组合，而II、IV象限为对τ_y做出响应的电容单元组合。外围线为10×10mm²的PCB板四根边缘线，影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面。将感应电极在下层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，置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)。

电容单元模块采用梳齿结构，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)a₀愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故单个电容单元均为长条状。设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为ka₀+a₀+2a_δ。为了充分利用方形基板的平面空间，M(ka₀+a₀+2a_δ)b₀/2≈1方形基板表面积，M为条状电容数量，则有M(ka₀+a₀+2a_δ)＝20mm，式中，槽宽a_δ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S_n和切向灵敏度S_τ相等，按公式(7)和(12)，令a₀·G＝d₀·E，当d₀＝0.1mm，k＝1.5时，从而可以求出M。

为了实现τ_x和τ_y之间切向响应不相互产生影响，条状电容单元的驱动电极长度两端预留差位δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留差位理论上应保证其计算值为 ${10}^{-5}\&times;\frac{70\&times;{10}^3}{2.4\&times;{10}^6}=2.9\&times;{10}^{-8}m={10}^{-2}um<<1um,$ 故在工艺上应保证b_0驱-b_0底≥0.01mm。这样在计算法向电容输出响应时，保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应不产生任何影响，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)进行公示推算消除相互之间的影响。保证τ_x在I、III象限电容单元产生对τ_x的电容响应，而在II、IV象限电容单元则产生对τ_y的电容响应，以保证四个象限中的电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。

(2)法向应力和切向力的计算

设图6中宽度为a₀的条状电容单元在受到切向力τ_x，产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₁，宽度为ka₀的条状电容单元在受到切向力τ_x，产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₂，则有：

$C_1=\frac{\mathrm{\&epsiv;}(a_0-d_x)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(15\right)$

$C_2=\frac{\mathrm{\&epsiv;}({\mathrm{ka}}_0-d_x)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(16\right)$

由(15)-(16)得到：

$C_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}$ 计算得到：

$d_n=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0(1-k)}{C_1-C_2}---\left(17\right)$

由(15)*k-(16)得到：

${\mathrm{kC}}_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;kd}}_x{b}_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0(1-k)}{d_n},$ 将(17)代入上式，可以得到：

$d_x=\frac{a_0({\mathrm{kC}}_1-C_2)}{C_1-C_2}---\left(18\right)$

根据 $d_n=d_0-\mathrm{\&Delta;}d=d_0(1-\frac{F_n}{E\&CenterDot;S_0})$

可知： $F_n=\frac{(d_n-d_0)E\&CenterDot;S_0}{d_0}$

由 $\frac{d_x}{d_0}=\mathrm{\&gamma;}=\frac{\mathrm{\&tau;}}{G}=\frac{F_{\mathrm{\&tau;}}}{G\&CenterDot;S_0},$ 所以 $F_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{GS}}_0{d}_x}{d_0}.$

上式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τ产生影响。即自动消除了σ_n和τ_y对τ_x的总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符号的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ₀消除。同理可以求出F_τy。

(4)主要材料选择及其特性参数

梳齿状平行板电容器的极板间距d₀＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，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＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数ε_γ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E_铜＝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。

(5)电极引线设计

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。而四个第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的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，四个感应电极是指X方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以及Y方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，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。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10×10mm²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，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成系统，又可获得F_x和F_y的信息，从而完整描述一个三维力。

本发明截齿三向力测量装置可测出旋转截割工况下单个截齿1截割不同煤岩的受力信号，具有较高的采样频率，减少了信号的损失以及干扰信号的影响。嵌入式镐齿旋转截割测力装置克服了传统装置非智能化、应用现场难以调节及不便与上位机通信等缺点。为深入研究煤炭截割机理、定量评价煤炭截割特性、合理选择和使用采煤机、优化设计采煤机和截齿1提供依据。

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。

Claims (9)

1.一种轮胎均匀性检测装置，其特征在于，包括负荷轮、传感器和传感系统信号处理器，负荷轮作为轮胎的从动轮曲面靠近轮胎，传感器作为负荷轮的两端支撑点设在负荷轮的上下两端，传感器采集负荷轮与测试轮胎之间的径向力和侧向力并发送给传感系统信号处理器，所述传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块是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，所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

2.根据权利要求1所述的轮胎均匀性检测装置，其特征在于，检测装置还包括主轴和上、下轮辋，上、下轮辋与主轴的轴线重合,下轮辋与主轴一体，上轮辋为上下可自由运动，负荷轮轴线与主轴的轴线平行，轮胎夹持在上、下轮辋之间。

3.根据权利要求1所述的轮胎均匀性检测装置，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＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。

4.根据权利要求3所述的轮胎均匀性检测装置，其特征在于，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

5.根据权利要求1所述的轮胎均匀性检测装置，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_δ。

6.根据权利要求5所述的轮胎均匀性检测装置，其特征在于，所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。

7.根据权利要求2所述的轮胎均匀性检测装置，其特征在于,所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。

8.根据权利要求2所述的轮胎均匀性检测装置，其特征在于,所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，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2所述的轮胎均匀性检测装置，其特征在于,所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与传感系统信号处理器之间分别设有中间变换器，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。