一種線纜計米器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于線纜制造業技術領域，涉及到一種線纜計米器，具體涉及到一種線纜 計米器。
【背景技術】
[0002] 計米器是線纜制造必備的設備之一，隨著設備和產品的不斷改進和提高，計米裝 置的合理、精準也越來越為制造商和研究單位所關注和重視。有關計米器減小計米誤差方 面的工作是線纜行業制造商十分關注的一項工作，尤其是對價值（附加值）高的產品，如截 面積大的電力電纜、控纜、礦用電纜、交聯電纜和通信電纜等更是如此。線纜在不同的張力 狀態下（即在繃緊和松弛狀態下）計米測量值是不同的，故在這種情況下測量會產生一定 的誤差（偏差）。因此，在生產過程中需要線纜自身盡可能保持一定的張力。計米器的張緊 輪、機械壓輪的張力和色帶計米器導輪在生產制造中是否打滑，也是影響計米精度的一個 重要因素。在實際的生產使用過程中，線纜牽引機的卷取速度，直接影響到計米輪或者計米 履帶與線纜的摩擦力大小，在線纜計米的過程中，牽引機帶動線纜向前運動，兩個計米輪緊 壓著線纜，通過計米輪與線纜之間的靜摩擦力帶動計米輪轉動，實現計米功能。
[0003] 如果計米輪與線纜的壓力過小，會導致提供的最大靜摩擦力不能平衡牽引機的牽 引力，計米輪與線纜之間由原來的靜摩擦變成滑動摩擦，導致計米誤差。如果壓力過大，則 牽引機必須提供足夠大的牽引力才能帶動線纜運動，增加牽引機的能源損耗。因此，必須對 計米器與線纜之間的正壓和靜摩擦力進行監測，確保牽引力也即靜摩擦力不超過計米輪與 線纜之間的最大靜摩擦力，防止線纜與計米輪之間出現滑動摩擦，造成計米誤差。
【發明內容】
[0004] 為了克服以上現有技術的不足，本發明提供一種線纜計米器，通過在計米輪上設 置二維力傳感器，監測計米輪與線纜之間的正壓和切向的牽引力，防止線纜與計米輪之間 出現滑動摩擦，造成計米誤差。
[0005] 本發明的技術方案是：一種線纜計米器，包括計米輪和線纜牽引機，還包括二維力 傳感器和傳感系統信號處理器，二維力傳感器設置在計米輪的曲面采集線纜與計米輪之間 的正壓力和靜摩擦力并發送給傳感系統信號處理器，傳感系統信號處理器將正壓力和靜摩 擦力反饋給線纜牽引機，二維力傳感器包括X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單 元組合，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩個以上相互形 成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒結 構，每個條狀電容單元包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極，所述X方向差動電容 單元組合和Y方向差動電容單元組合的電容值求和計算電容傳感器的法向力且消除切向 力影響。
[0006] 本發明線纜計米器的傳感器的每個條狀電容單元的驅動電極和感應電極寬度相 同，驅動電極的長度大于感應電極長度，驅動電極長度兩端分別預留左差位S^和右差位 S右，b0驅=b0感+S右+S左，其中，b0驅為條狀電容單元的驅動電極長度，b0感為條狀電容單元
性介質的抗剪模量，為最大應力值。所述兩組相互形成差動的電容單元模塊的條狀電 容單元的驅動電極和感應電極沿寬度方向設有初始錯位偏移，錯位偏移大小相同、方向相 反。所述梳齒狀結構包括20個以上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對應連接的引線， 相鄰兩條狀電容單元之間設有電極間距a5。所述平行板面積S=M(afa5)b。，其中，M為條 狀電容單元數量，b。為條狀電容單元的長度，a。條狀電容單元的寬度。所述電容單元模塊 的每個條狀電容單元的引線通過并聯或者獨立連接到傳感系統信號處理器。所述條狀電容
抗剪模量。所述傳感系統信號處理器和電容單元模塊之間設有中間變換器，中間變換器用 于設置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數。
[0007] 本發明的有益效果是：本發明在通過電容測量三維力的基礎上，有效使用平板有 效面積，并且通過驅動極板兩端預留長度等方法有效解決三維力間耦合，從而使法向與切 向轉換都達到較高的線性、精度與靈敏度。另外，對計米輪與線纜之間的正壓和靜摩擦力實 時監測，避免正壓過小提供的最大靜摩擦力不足，也避免牽引力過大導致滑動摩擦，造成計 米誤差。
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元及其坐標系。
[0009] 圖2是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0010] 圖3是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元右向偏移示意圖。
[0011] 圖4是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元左向偏移示意圖。
[0012] 圖5是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元對的初始錯位圖。
[0013] 圖6是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元對受力后偏移圖。
[0014] 圖7是本發明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器結構圖。
[0015] 圖8是本發明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器驅動電極結構圖。
[0016] 圖9是本發明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器感應電極結構圖。
[0017] 圖10是本發明的【具體實施方式】的通過相同傳遞系數K實現輸出響應求和。
[0018] 圖11是本發明的【具體實施方式】的單元電容對的信號差動示意圖。
[0019] 圖12是本發明的【具體實施方式】的平行板電容器剖面結構。
[0020] 其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驅動電極，4、感應電極，5、彈性介質。
【具體實施方式】
[0021] 下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發明的【具體實施方式】如所涉及的各構件 的形狀、構造、各部分之間的相互位置及連接關系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及 操作使用方法等，作進一步詳細的說明，以幫助本領域技術人員對本發明的發明構思、技術 方案有更完整、準確和深入的理解。
[0022]本發明的主要思路是：線纜在計米的過程中，由牽引機牽引，線纜從兩個計米輪或 者履帶中間穿過，計米輪給線纜施加壓力，線纜與計米輪之間的靜摩擦力帶動計米輪轉動， 實現長度計量。如果計米輪和線纜之間的壓力過小，則最大靜摩擦力較小，線纜與計米輪 之間容易出現滑動摩擦，造成計米誤差，如果壓力過大，會增大線纜與計米輪之間的靜摩擦 力，計米輪給線纜的靜摩擦力方向與牽引力方向相反，影響牽引機的工作效率，也會使整個 生產線的效率降低。因此，本發明在計米輪與線纜接觸的曲面上設置二維力傳感器，監測計 米輪與線纜的正壓和切向靜摩擦力，合理設置計米輪與線纜的正壓大小，以及線纜牽引機 的牽引速度。在二維力傳感器的外表面設置一層柔性薄膜，起到保護傳感器的作用，二維力 傳感器連接傳感系統信號處理器，傳感系統信號處理器對數據進行分析處理，給出計米輪 與線纜之間的切向力和法向力，本發明的二維力傳感器為圓環型的電容式壓力傳感器。線 纜牽引機根據傳感系統信號處理器反饋的靜摩擦力和正壓力數值，調節牽引力。
[0023] 以下說明本發明三維力傳感器的測量原理：本發明傳感器包括X方向差動電容單 元組合和Y方向差動電容單元組合，所述X方向差動電容單元組合通過電容值相減計算X 方向的切向力且消除Y方向切向力影響，所述Y方向差動電容單元組合通過電容值相減計 算Y方向的切向力且消除X方向切向力影響，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動 電容單元組合的電容值求和計算電容傳感器的法向力且消除切向力影響。所述X方向差動 電容單元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊， 所述電容單元模塊采用由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結構，每個條狀電容單元 包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極。所述每個條狀電容單元的驅動電極和感應電 極寬度相同，驅動電極的長度大于感應電極長度，驅動電極長度兩端分別預留左差位Ss 和右差位S右，b0驅=b0感+5右+S左，其中，b0驅為條狀電容單元的驅動電極長度，b0感為條
厚度，G為彈性介質的抗剪模量，為最大應力值。所述兩組相互形成差動的電容單元模 塊的條狀電容單元的驅動電極和感應電極沿寬度方向設有初始錯位偏移，錯位偏移大小相 同、方向相反。所述梳齒狀結構包括20個以上條狀電容單元、與條狀電容單元--對應連 接的引線，相鄰兩條狀電容單元之間設有電極間距a5。所述平行板面積S=M(a(]+a5)b。，其 中，條M為條狀電容單元數量，b。為條狀電容單元的長度，a。條狀電容單元的寬度。所述電 容單元模塊的每個條狀電容單元的引線通過并聯或者獨立連接到傳感系統信號處理器。所
介質的抗剪模量。所述傳感系統信號處理器和電容單元模塊之間設有中間變換器，中間變 換器用于設置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數。
[0024] 1、條狀電容單元的轉換特性
[0025] (1)激勵信號和坐標系
[0026] 將條狀電容單元置于圖1所示的直角坐標系中，極板平面長度b。、寬度a。、彈性介 質厚度d。。三維激勵施加于電容極板的外表面，產生的接觸式作用力具有Fx、Fy和Fz三 個方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X軸和Y軸，Fz的作用方向沿OZ軸，即:S:方向，法向和 切向應力均為一種應力張量，從電極的引線間即可輸出電容的響應；法向應力〇 n=Fn/A， 其中A=a。^b。為極板法向受力面，Fn=Fz為法向分量；兩側表面上產生成對的切向應力 TX=Fx/A，Ty=Fy/A〇
[0027] 根據彈性力學中的虎克定律，〇 "和Tx，Ty都將使彈性體產生相應的變形。其中，
[0031] 式中，E為彈性介質的楊氏模量（單位：GN/m2)，G為彈性介質的抗剪模量（單位：GN/m2)，Sn為彈性介質的法向位移（單位：ym)，而SX和Sy為條狀電容單元上下兩極 板的相對錯位（單位：ym)，其正負號由坐標軸指向決定。
[0032] (2)電容公式及其輸入輸出特性
[0033] 矩形平行板電容器的初始電容為：
[0035]式中，￡。真空介質電常數為8. 85PF/m，er= 2. 5為電介質的相對介電常數。d。 受〇n的激勵產生相對變形en=Sn/d。= 〇n/E，代入⑷得到輸入輸出特性
[0037] (3)法向應力作用下的線性度和靈敏度
[0038]a、法向線性度
[0039] 在（5)式中？"在分母中，故Cn=f(Fn)的關系是非線性的，因轉換量程中的最大 值〇n_與介質彈性常數E相比，en是個很小的量，即分母中en<< 1，將（5)按級數展 開并略去二次方以上的高階無窮小，（5)式可簡化為：
[0041] 可見在(；與Fn的轉換特性中的法向線性度的最大相對誤差接近于零。
[0042]b、靈敏度
[0048]Sn2?Fn而變，Fn愈大，Sn2愈大，在整個轉換特性上呈輕微非線性。