专利名称：一种电容式索力传感器的制作方法
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cx，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Cx 随索力和索截面形状而变化；通过公式测量出两个串联电容上的总电压，即输入电压和两个半圆柱形状电容极板上的电压，即输出电压Uout,即得出电容Cx的实际值；然后根据电容Cx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 Cx ；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 其中，C = ^ ‘ ‘ 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Cx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Cx成线性关系，即Vtxit = -VinXCx/(Cf+C0)；其中，V0ut为输出电动势，Vin为输入电动势，Cf为反馈电容。据此可以计算出Cx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Cx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Cx充电至一定值Ua后，将开关掷于右端，待测电容Cx通过右端负载放电而形成电压Ub ；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1\、T2分别驱动两个开关，另外将电容Cx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U。将正比于待测电容Cx，即U0 = (Cx/Cf)Uc ； 式中 为参考电压，Cf为反馈电容。据此可以计算出Cx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
5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。


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3为实施例1中的测试原理图4为实施例2中的测试原理图5为实施例3中的测试原理图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。
具体实施例方式如图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Cx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其中，Cx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， er = 1.000585, ε。为真空介电常数，ε。= 8. 85 X 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Cx计算方法。实际上，两个半圆柱形状电容极板之间的电容Cx，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
权利要求
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Cx，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Cx随索力和索截面形状而变化；通过公式
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Cx ；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苴由
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Cx成线性关系，即Vtxit = -VinXCx/ (Cf+C0)；其中，Vait为输出电动势，Vin为输入电动势，CfS反馈电容，据此可以计算出Cx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Cx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Cx充电至一定值Ua后，将开关掷于右端，待测电容Cx通过右端负载放电而形成电压Ub ；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1\、T2分别驱动两个开关，另外将电容Cx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CxJP队=(cx/cf)%;式中 为参考电压，Cf为反馈电容，据此可以计算出Cx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。
全文摘要
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。
文档编号G01L5/10GK102252795SQ20111011574
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者吴明长, 王启明 申请人:中国科学院国家天文台