一种线缆计米器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于线缆制造业技术领域，涉及到一种线缆计米器，具体涉及到一种线缆 计米器。
【背景技术】
[0002] 计米器是线缆制造必备的设备之一，随着设备和产品的不断改进和提高，计米装 置的合理、精准也越来越为制造商和研究单位所关注和重视。有关计米器减小计米误差方 面的工作是线缆行业制造商十分关注的一项工作，尤其是对价值（附加值）高的产品，如截 面积大的电力电缆、控缆、矿用电缆、交联电缆和通信电缆等更是如此。线缆在不同的张力 状态下（即在绷紧和松弛状态下）计米测量值是不同的，故在这种情况下测量会产生一定 的误差（偏差）。因此，在生产过程中需要线缆自身尽可能保持一定的张力。计米器的张紧 轮、机械压轮的张力和色带计米器导轮在生产制造中是否打滑，也是影响计米精度的一个 重要因素。在实际的生产使用过程中，线缆牵引机的卷取速度，直接影响到计米轮或者计米 履带与线缆的摩擦力大小，在线缆计米的过程中，牵引机带动线缆向前运动，两个计米轮紧 压着线缆，通过计米轮与线缆之间的静摩擦力带动计米轮转动，实现计米功能。
[0003] 如果计米轮与线缆的压力过小，会导致提供的最大静摩擦力不能平衡牵引机的牵 引力，计米轮与线缆之间由原来的静摩擦变成滑动摩擦，导致计米误差。如果压力过大，则 牵引机必须提供足够大的牵引力才能带动线缆运动，增加牵引机的能源损耗。因此，必须对 计米器与线缆之间的正压和静摩擦力进行监测，确保牵引力也即静摩擦力不超过计米轮与 线缆之间的最大静摩擦力，防止线缆与计米轮之间出现滑动摩擦，造成计米误差。
【发明内容】
[0004] 为了克服以上现有技术的不足，本发明提供一种线缆计米器，通过在计米轮上设 置二维力传感器，监测计米轮与线缆之间的正压和切向的牵引力，防止线缆与计米轮之间 出现滑动摩擦，造成计米误差。
[0005] 本发明的技术方案是：一种线缆计米器，包括计米轮和线缆牵引机，还包括二维力 传感器和传感系统信号处理器，二维力传感器设置在计米轮的曲面采集线缆与计米轮之间 的正压力和静摩擦力并发送给传感系统信号处理器，传感系统信号处理器将正压力和静摩 擦力反馈给线缆牵引机，二维力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单 元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形 成差动的电容单元模块，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X方向差动电容 单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向 力影响。
[0006] 本发明线缆计米器的传感器的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S^和右差位 S右，b0驱=b0感+S右+S左，其中，b0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b0感为条状电容单元
性介质的抗剪模量，为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电 容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相 反。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a5。所述平行板面积S=M(afa5)b。，其中，M为条 状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单元的宽度。所述电容单元模块 的每个条状电容单元的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
抗剪模量。所述传感系统信号处理器和电容单元模块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。
[0007] 本发明的有益效果是：本发明在通过电容测量三维力的基础上，有效使用平板有 效面积，并且通过驱动极板两端预留长度等方法有效解决三维力间耦合，从而使法向与切 向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。另外，对计米轮与线缆之间的正压和静摩擦力实 时监测，避免正压过小提供的最大静摩擦力不足，也避免牵引力过大导致滑动摩擦，造成计 米误差。
【附图说明】
[0008] 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。
[0009] 图2是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 图5是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对的初始错位图。
[0013] 图6是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对受力后偏移图。
[0014] 图7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。
[0015] 图8是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器驱动电极结构图。
[0016] 图9是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器感应电极结构图。
[0017] 图10是本发明的【具体实施方式】的通过相同传递系数K实现输出响应求和。
[0018] 图11是本发明的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。
[0019] 图12是本发明的【具体实施方式】的平行板电容器剖面结构。
[0020] 其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驱动电极，4、感应电极，5、弹性介质。
【具体实施方式】
[0021] 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。
[0022]本发明的主要思路是：线缆在计米的过程中，由牵引机牵引，线缆从两个计米轮或 者履带中间穿过，计米轮给线缆施加压力，线缆与计米轮之间的静摩擦力带动计米轮转动， 实现长度计量。如果计米轮和线缆之间的压力过小，则最大静摩擦力较小，线缆与计米轮 之间容易出现滑动摩擦，造成计米误差，如果压力过大，会增大线缆与计米轮之间的静摩擦 力，计米轮给线缆的静摩擦力方向与牵引力方向相反，影响牵引机的工作效率，也会使整个 生产线的效率降低。因此，本发明在计米轮与线缆接触的曲面上设置二维力传感器，监测计 米轮与线缆的正压和切向静摩擦力，合理设置计米轮与线缆的正压大小，以及线缆牵引机 的牵引速度。在二维力传感器的外表面设置一层柔性薄膜，起到保护传感器的作用，二维力 传感器连接传感系统信号处理器，传感系统信号处理器对数据进行分析处理，给出计米轮 与线缆之间的切向力和法向力，本发明的二维力传感器为圆环型的电容式压力传感器。线 缆牵引机根据传感系统信号处理器反馈的静摩擦力和正压力数值，调节牵引力。
[0023] 以下说明本发明三维力传感器的测量原理：本发明传感器包括X方向差动电容单 元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合通过电容值相减计算X 方向的切向力且消除Y方向切向力影响，所述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减计 算Y方向的切向力且消除X方向切向力影响，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动 电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。所述X方向差动 电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块， 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Ss 和右差位S右，b0驱=b0感+5右+S左，其中，b0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b0感为条
厚度，G为弹性介质的抗剪模量，为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模 块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相 同、方向相反。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--对应连 接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a5。所述平行板面积S=M(a(]+a5)b。，其 中，条M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单元的宽度。所述电 容单元模块的每个条状电容单元的引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。所
介质的抗剪模量。所述传感系统信号处理器和电容单元模块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。
[0024] 1、条状电容单元的转换特性
[0025] (1)激励信号和坐标系
[0026] 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b。、宽度a。、弹性介 质厚度d。。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:S: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的响应；法向应力〇 n=Fn/A， 其中A=a。^b。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 TX=Fx/A，Ty=Fy/A〇
[0027] 根据弹性力学中的虎克定律，〇 "和Tx，Ty都将使弹性体产生相应的变形。其中，
[0031] 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)，Sn为弹性介质的法向位移（单位：ym)，而SX和Sy为条状电容单元上下两极 板的相对错位（单位：ym)，其正负号由坐标轴指向决定。
[0032] (2)电容公式及其输入输出特性
[0033] 矩形平行板电容器的初始电容为：
[0035]式中，￡。真空介质电常数为8. 85PF/m，er= 2. 5为电介质的相对介电常数。d。 受〇n的激励产生相对变形en=Sn/d。= 〇n/E，代入⑷得到输入输出特性
[0037] (3)法向应力作用下的线性度和灵敏度
[0038]a、法向线性度
[0039] 在（5)式中？"在分母中，故Cn=f(Fn)的关系是非线性的，因转换量程中的最大 值〇n_与介质弹性常数E相比，en是个很小的量，即分母中en<< 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：
[0041] 可见在(；与Fn的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。
[0042]b、灵敏度
[0048]Sn2?Fn而变，Fn愈大，Sn2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。