CN112326079A - 检测物流车辆弯矩的e型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法 - Google Patents

检测物流车辆弯矩的e型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法 Download PDF

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Abstract

检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，装置包括绝缘体、面积为A2的长方形电容极板、面积为A3的中轴长方形电容极板、面积为A4的长方形电容极板、两两电容极板间的电解介质、长方体粘胶胶板、输出信号线、接线盒、信号通道、多选开关、变送器、显示仪表，三个电容极板分别通过绝缘体与长方体粘胶胶板连接，电容极板还分别通过输出信号线连接到接线盒，通过信号通道分别连接多选开关，通过多选开关再经变送器连接到显示仪表。适用于弯矩变化大、系统测量精度高且灵敏度不受弯矩变化的特殊工程应用场合，传感器总灵敏度为常数，与弯矩的变化无关，具备双信号、双灵敏度两种特殊性能，使之在使用和性能上提升到一个新的高度。

Description

检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和 方法
技术领域
本发明涉及检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，特别是传感器灵敏度高且稳定的检测物流车辆弯弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法。
背景技术
检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，尤其适用于针对弯矩变化却要求传感器灵敏度高且为常数时的工程受力状况。在复杂的工程结构设计或物流车辆的动态称重中，如焊接板块的结构设计，在系统震动、热胀冷缩等外界因素的影响下，系统的受力变形难以检测，尤其当弯矩变化大，要求系统测量精度高且系统灵敏度不受弯矩变化影响的特殊工程应用场合。
发明内容
本发明解决了在复杂的工程结构设计中，如焊接板块的结构设计，在系统震动、热胀冷缩等外界因素的影响下，系统的受力变形难以检测的问题，尤其当弯矩变化大，要求系统测量精度高且系统灵敏度不受弯矩变化影响的特殊工程应用场合。
本发明专利的目的是这样实现的：检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，其特征是：电容传感器装置包括：绝缘体（1）、面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）、两两电容极板间的电解介质（5）、长方体粘胶胶板（6）、输出信号线（7）、接线盒（8）、信号通道（9）、信号通道（10）、信号通道（11）、多选开关（12）、变送器（13）、显示仪表（14）。
其特征是：面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）分别通过绝缘体（1）与长方体粘胶胶板（6）连接，面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）分别通过输出信号线（7）连接到接线盒（8），分别通过信号通道（9）、信号通道（10）或信号通道（11）连接多选开关（12），通过多选开关（12）再经过变送器（13）连接到显示仪表（14）。
其特征是：面积为A2的长方形电容极板（2）或面积为A4的长方形电容极板（4）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的距离H，长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用变形后，长方形电容极板（2）的面积A2、长方形电容极板（4）的面积A4的最大移动位置投影在中轴长方形电容极板（3）的面积A3之内，A2=A4＜A3。
有益效果：检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器测定方法，其特征是：长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用，以面积为A3的中轴长方形电容极板（3）为中心，左右弯曲，面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A4的长方形电容极板（4）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的距离分别同时减小或增大，因而引起电容量的变化：
dC=│C-C 0│，C 0=εA/H
其中：
dC-长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用后的电容变化量；
C-长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用后的电容量；
C 0-长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时的电容量；
ε-长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间电解介质的介电常数；
H-长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时，长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的距离；
A-长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的覆盖面积。
当长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用向右弯曲时，dC=│C-C 0│=C-C 0，长方体粘胶胶板（6）在弯矩作用下引起面积为A2的长方形电容极板（2）及面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的位移量dH，可得：
C=εA/(H-dH)
当A2=A4＜A3，且长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用变形后A2、A4的最大移动位置投影在A3之内，故面积为A2的长方形电容极板（2）或面积为A4的长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的覆盖面积分别为常数A2或A4；且长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时，面积为A2的长方形电容极板（2）或面积为A4的长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的距离H为常数，故方程C 0=εA/H中C 0与H之间的关系为双曲线（见附图2）。
由附图2所示，对dC与dH进行线性化处理：在该曲线上任取一点g，做g点的切线，在点g附近的切线上取切线线段dg，并分别向轴H及轴C进行投影，其投影值分别为dH及dC；
因为dC=C-C 0=εA/(H-dH)-εA/H
从图中可以看出，dH/H＜1，故上式可以按级数形式展开：
Figure RE-759121DEST_PATH_IMAGE001
在实际应用中，长方体粘胶胶板（6）贴在弹性变形体上，允许弹性变形体的变形量很小，故长方体粘胶胶板（6）在弯矩作用下引起长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的位移量dH很微小，故dH/H<<1，略去高次项得：
Figure RE-635810DEST_PATH_IMAGE002
即电容变化量dC与长方体粘胶胶板6在弯矩作用下引起电容极板2或4与中轴电容极板3之间的位移量dH成线性关系。
灵敏度的计算：面积为A2的长方形电容极板（2）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）电容传感器的灵敏度为
s 2=dC/dH=εA/H 2
同理，面积为A4的长方形电容极板4与面积为A3的中轴长方形电容极板3电容传感器的灵敏度为
s 4=εA/H 2
传感器总灵敏度：s=s 2+s 4=2εA/H 2
其中，ε为常数，A=A 2或A 4为常数，H为常数，故传感器总灵敏度s为常数，与弯矩M的变化无关。
通过以上推导，弯矩M的变化引起dH变化，进而造成电容变化的信号dC线性改变，该信号通过输出信号线（7）传输到接线盒（8），传输到信号通道（9）（即测量面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的信号）、信号通道（10）（即测量面积为A4的长方形电容极板（4）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的信号）或信号通道（11）（即测量面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的信号和），分别进入多选开关（12），经过变送器（13）最终变化数据在显示仪表（14）上显示。
同理，当长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用向左弯曲时，dC=│C-C 0│=C 0-C，推导过程同上，传感器总灵敏度s=2εA/H 2为常数，与弯矩M的变化无关，从而具备两种特殊性能，即双信号、双灵敏度，使之在使用和性能上提升到一个新的高度。
优点：提供了检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，适用于弯矩变化大，要求系统测量精度高且系统灵敏度不受弯矩变化影响的特殊工程应用场合，传感器总灵敏度为常数，与弯矩M的变化无关。
附图说明
附图1为本发明的结构图；
附图2为本发明的长方体粘胶胶板的电容量C与电容极板间距H的关系；
图中：1、绝缘体；2、面积为A2的长方形电容极板；3、面积为A3的中轴长方形电容极板；4、面积为A4的长方形电容极板；5、两两电容极板间的电解介质；6、长方体粘胶胶板；7、输出信号线；8、接线盒；9、信号通道；10、信号通道；11、信号通道；12、多选开关；13、变送器；14、显示仪表。
具体实施方式
实施例1：检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，其特征是：电容传感器装置包括：绝缘体（1）、面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）、两两电容极板间的电解介质（5）、长方体粘胶胶板（6）、输出信号线（7）、接线盒（8）、信号通道（9）、信号通道（10）、信号通道（11）、多选开关（12）、变送器（13）、显示仪表（14）。
其特征是：面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）分别通过绝缘体（1）与长方体粘胶胶板（6）连接，面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）分别通过输出信号线（7）连接到接线盒（8），分别通过信号通道（9）、信号通道（10）或信号通道（11）连接多选开关（12），通过多选开关（12）再经过变送器（13）连接到显示仪表（14）。
其特征是：面积为A2的长方形电容极板（2）或面积为A4的长方形电容极板（4）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的距离H，长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用变形后，长方形电容极板（2）的面积A2、长方形电容极板（4）的面积A4的最大移动位置投影在中轴长方形电容极板（3）的面积A3之内，A2=A4＜A3。
有益效果：检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器测定方法，其特征是：长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用，以面积为A3的中轴长方形电容极板（3）为中心，左右弯曲，面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A4的长方形电容极板（4）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的距离分别同时减小或增大，因而引起电容量的变化：
dC=│C-C 0│，C 0=εA/H
其中：
dC-长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用后的电容变化量；
C-长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用后的电容量；
C 0-长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时的电容量；
ε-长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间电解介质的介电常数；
H-长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时，长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的距离；
A-长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的覆盖面积。
当长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用向右弯曲时，dC=│C-C 0│=C-C 0，长方体粘胶胶板（6）在弯矩作用下引起面积为A2的长方形电容极板（2）及面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的位移量dH，可得：
C=εA/(H-dH)
当A2=A4＜A3，且长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用变形后A2、A4的最大移动位置投影在A3之内，故面积为A2的长方形电容极板（2）或面积为A4的长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的覆盖面积分别为常数A2或A4；且长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时，面积为A2的长方形电容极板（2）或面积为A4的长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的距离H为常数，故方程C 0=εA/H中C 0与H之间的关系为双曲线（见附图2）。
由附图2所示，对dC与dH进行线性化处理：在该曲线上任取一点g，做g点的切线，在点g附近的切线上取切线线段dg，并分别向轴H及轴C进行投影，其投影值分别为dH及dC；
因为dC=C-C 0=εA/(H-dH)-εA/H
从图中可以看出，dH/H＜1，故上式可以按级数形式展开：
Figure RE-458273DEST_PATH_IMAGE001
在实际应用中，长方体粘胶胶板（6）贴在弹性变形体上，允许弹性变形体的变形量很小，故长方体粘胶胶板（6）在弯矩作用下引起长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的位移量dH很微小，故dH/H<<1，略去高次项得：
Figure RE-725306DEST_PATH_IMAGE002
即电容变化量dC与长方体粘胶胶板6在弯矩作用下引起电容极板2或4与中轴电容极板3之间的位移量dH成线性关系。
灵敏度的计算：面积为A2的长方形电容极板（2）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）电容传感器的灵敏度为
s 2=dC/dH=εA/H 2
同理，面积为A4的长方形电容极板4与面积为A3的中轴长方形电容极板3电容传感器的灵敏度为
s 4=εA/H 2
传感器总灵敏度：
s=s 2+s 4=2εA/H 2
其中，ε为常数，A=A 2或A 4为常数，H为常数，故传感器总灵敏度s为常数，与弯矩M的变化无关。
通过以上推导，弯矩M的变化引起dH变化，进而造成电容变化的信号dC线性改变，该信号通过输出信号线（7）传输到接线盒（8），传输到信号通道（9）（即测量面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的信号）、信号通道（10）（即测量面积为A4的长方形电容极板（4）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的信号）或信号通道（11）（即测量面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的信号和），分别进入多选开关（12），经过变送器（13）最终变化数据在显示仪表（14）上显示。
同理，当长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用向左弯曲时，dC=│C-C 0│=C 0-C，推导过程同上，传感器总灵敏度s=2εA/H 2为常数，与弯矩M的变化无关，从而具备两种特殊性能，即双信号、双灵敏度，使之在使用和性能上提升到一个新的高度。

Claims (4)

1.检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，其特征是：电容传感器装置包括：绝缘体（1）、面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）、两两电容极板间的电解介质（5）、长方体粘胶胶板（6）、输出信号线（7）、接线盒（8）、信号通道（9）、信号通道（10）、信号通道（11）、多选开关（12）、变送器（13）、显示仪表（14）。
2.根据权利要求1所述的检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，其特征是：面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）分别通过绝缘体（1）与长方体粘胶胶板（6）连接，面积为A2的长方形电容极板（2）、面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）分别通过输出信号线（7）连接到接线盒（8），分别通过信号通道（9）、信号通道（10）或信号通道（11）连接多选开关（12），通过多选开关（12）再经过变送器（13）连接到显示仪表（14）。
3.根据权利要求1所述的检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器装置和方法，其特征是：面积为A2的长方形电容极板（2）或面积为A4的长方形电容极板（4）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的距离H，长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用变形后，长方形电容极板（2）的面积A2、长方形电容极板（4）的面积A4的最大移动位置投影在中轴长方形电容极板（3）的面积A3之内，A2=A4＜A3。
4.检测物流车辆弯矩的E型双信号双灵敏度电容传感器测定方法，其特征是：长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用，以面积为A3的中轴长方形电容极板（3）为中心，左右弯曲，面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A4的长方形电容极板（4）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的距离分别同时减小或增大，因而引起电容量的变化：
dC=│C-C 0│
C 0=εA/H
其中：
dC-长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用后的电容变化量；
C-长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用后的电容量；
C 0-长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时的电容量；
ε-长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间电解介质的介电常数；
H-长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时，长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的距离；
A-长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的覆盖面积；
步骤1：当长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用向右弯曲时，dC=│C-C 0│=C-C 0，长方体粘胶胶板（6）在弯矩作用下引起面积为A2的长方形电容极板（2）及面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的位移量dH，可得：
C=εA/(H-dH)
当A2=A4＜A3，且长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用变形后A2、A4的最大移动位置投影在A3之内，故长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的覆盖面积分别为常数A2或A4；且长方体粘胶胶板（6）未受弯矩M作用时长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的距离H为常数，故在C 0=εA/H中C 0与H之间的关系为双曲线；
步骤2：在该双曲线上取任意一点，在该点附近的切线上取切线线段，对dC与dH进行线性化处理，并分别向轴H及轴C进行投影，其投影值分别为dH及dC，因为
dC=C-C 0=εA/(H-dH)-εA/H
因此dH/H＜1，故对上式进行级数形式展开，可得：
Figure 111263DEST_PATH_IMAGE001
步骤3：在实际应用中，长方体粘胶胶板（6）贴在弹性变形体上，允许弹性变形体的变形量很小，故长方体粘胶胶板（6）在弯矩作用下引起长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的位移量dH很微小，故dH/H<<1，略去高次项，可得：
Figure 28404DEST_PATH_IMAGE002
即电容变化量dC与长方体粘胶胶板（6）在弯矩作用下引起长方形电容极板（2）或长方形电容极板（4）与中轴长方形电容极板（3）之间的位移量dH成线性关系。
步骤4：针对灵敏度计算，面积为A2的长方形电容极板（2）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）电容传感器的灵敏度为
s 2=dC/dH=εA/H 2
同理，面积为A4的长方形电容极板（4）与面积为A3的中轴长方形电容极板（3）电容传感器的灵敏度为为
s 4=εA/H 2
因此，该传感器总灵敏度为：
s=s 2+s 4=2εA/H 2
其中，ε为常数，A=A 2或A 4为常数，H为常数，故传感器总灵敏度s为常数，与弯矩M的变化无关；
步骤5：根据上述推导，弯矩M的变化引起dH变化，进而造成电容变化的信号dC线性改变，该信号通过输出信号线（7）传输到接线盒（8），再分别传输到信号通道（9）（即测量面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的信号）、信号通道（10）（即测量面积为A4的长方形电容极板（4）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）的信号）或信号通道（11）（即测量面积为A2的长方形电容极板（2）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）、面积为A4的长方形电容极板（4）和面积为A3的中轴长方形电容极板（3）之间的信号和），进入多选开关（12），经过变送器（13）最终在显示仪表（14）上显示变化数据；
步骤6：同理，当长方体粘胶胶板（6）受弯矩M作用向左弯曲时，dC=│C-C 0│=C 0-C，推导过程同上，传感器总灵敏度s=2εA/H 2为常数，与弯矩M的变化无关，以此具备两种特殊性能即双信号、双灵敏度，使之在使用和性能上提升到一个新的高度。
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