固定，上PCB板與截齒1 接觸但是不固定。傳感器可以測(cè)量三個(gè)方向x，y，z的力，每個(gè)信號(hào)通道均有獨(dú)立的信號(hào)獲 取電路，每個(gè)通道的信號(hào)相互不影響，傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器主要包括avr單片機(jī)最小系統(tǒng)、 信號(hào)調(diào)理放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及電源模塊，采樣頻率不低于100Hz。各通 道信號(hào)由信號(hào)調(diào)理電路和放大電路處理后，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊接入avr單片機(jī)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn) 行存儲(chǔ)操作。avr單片機(jī)接有數(shù)據(jù)采集/串口通信切換開(kāi)關(guān)和SD卡讀寫(xiě)模塊。該裝置支持 FAT文件系統(tǒng)，單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換是具有FAT文件系統(tǒng)功能的模式， 即SD卡在單片機(jī)工作過(guò)程中可以得到數(shù)據(jù)，然后直接將SD卡通過(guò)USB接口與上位機(jī)進(jìn)行 文件的讀取、復(fù)制與存儲(chǔ)等文件操作。該裝置自帶電源模塊，可以在無(wú)外接電源的情況下正 常工作。電源電壓輸入調(diào)節(jié)電路對(duì)輸入的直流電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。通信電路用于數(shù)字信號(hào)的傳 輸和實(shí)現(xiàn)嵌入式測(cè)量裝置與上位機(jī)直接的數(shù)據(jù)交互。
[0023] 以下詳述本發(fā)明的三向力傳感器的測(cè)量原理：本發(fā)明的傳感器包括圓環(huán)電容單元 組和條狀電容單元組，所述圓環(huán)電容單元組用于測(cè)切向力和法向力的大小，所條狀電容單 元組用于測(cè)量切向力的方向，所述條狀電容單元組設(shè)置在基板圓環(huán)電容單元組外的四角。 圓環(huán)電容單元組包括兩組以上圓環(huán)電容單元對(duì)，所述圓環(huán)電容單元對(duì)包括兩個(gè)圓環(huán)電容單 元，所述條狀電容單元組包括X方向差動(dòng)電容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組，X方向差動(dòng) 電容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組均包括兩個(gè)以上相互形成差動(dòng)的電容單元模塊，所述 電容單元模塊采用由兩個(gè)以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)圓環(huán)電容單元和條 狀電容單元均包括上極板的驅(qū)動(dòng)電極和下極板的感應(yīng)電極。所述每個(gè)圓環(huán)電容單元的感 應(yīng)電極和驅(qū)動(dòng)電極正對(duì)且形狀相同，所述每個(gè)條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極寬度相 同，條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度大于感應(yīng)電極長(zhǎng)度，條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度兩端 分別預(yù)留左差位S左和右差位S右，b0驅(qū)=b0感+S右+S左，其中b0驅(qū)為條狀電容單元的驅(qū)動(dòng) 電極長(zhǎng)度，bg為條狀電容單元的感應(yīng)電極長(zhǎng)度。所述條狀電容單元的左差位右差位 ，且5/|: 2dtr 其中屯為介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，T胃x為最大應(yīng)力 值。所述兩組相互形成差動(dòng)的電容單元模塊的條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極沿寬度 方向設(shè)有初始錯(cuò)位偏移，錯(cuò)位偏移大小相同、方向相反。所述圓環(huán)電容單元組包括n個(gè)同心 圓環(huán)電容單元，其中n= ，其中，aT為平行板的長(zhǎng)度，為圓環(huán)電容單元圓環(huán)的寬 度，asH相鄰兩圓環(huán)電容電容之間的電極間距。所述電容單元模塊采用梳齒狀結(jié)構(gòu)，X方向 差動(dòng)電容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組均包括m個(gè)條狀電容單元，(0-1)a^p/ (a0+as^，其中，為平行板的長(zhǎng)度，as$為相鄰兩條狀電容單元之間的電極間距，a。條 狀電容單元的寬度。所述同心圓環(huán)電容單元的寬度1^和條狀電容單元的寬度％相等；條 狀電容單元電極間距as #和圓環(huán)電容單元電極間距asH相等，所述條狀電容單元的寬度 % = 其中，屯為介質(zhì)厚度，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。所述 圓環(huán)電容單元組和條狀電容單元組的驅(qū)動(dòng)電極通過(guò)一個(gè)引出線(xiàn)與傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器連 接，所述圓環(huán)電容單元組的每個(gè)圓環(huán)電容單元的感應(yīng)電極單獨(dú)引線(xiàn)與傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器 連接，所述X方向差動(dòng)電容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組的電容單元模塊感應(yīng)電極分別 各自通過(guò)一個(gè)引出線(xiàn)引出與傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器連接。所述圓環(huán)電容單元、電容單元模塊 和傳感系統(tǒng)信號(hào)處理器之間分別設(shè)有中間變換器，變換器用于設(shè)置電壓或頻率對(duì)電容的傳 輸系數(shù)。
[0024] 下面結(jié)合附圖1-9對(duì)本發(fā)明的推導(dǎo)和原理，對(duì)各部分形狀、構(gòu)造、各部分之間的相 互位置及連接關(guān)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(jìn)一步詳細(xì) 的說(shuō)明。
[0025] 1. 1電容公式及其輸入輸出特性
[0026] 平行板的初始電容為：
[0027]
[0028] 式中，eQ真空介質(zhì)電常數(shù)為8.85PF/m，e,= 2. 5為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，A。為 上下極板初始正對(duì)面積。屯受〇n的激勵(lì)產(chǎn)生相對(duì)變形en=Sn/dQ= 〇n/E，代入（1)式 得到輸入輸出特性
[0029]
[0030] 1. 2法向應(yīng)力作用下的線(xiàn)性度和靈敏度
[0031] 1.2.1法向線(xiàn)性度
[0032] (2)式中？"在分母中，故Cn=f(Fn)的關(guān)系是非線(xiàn)性的。因轉(zhuǎn)換量程中的最大值 與介質(zhì)彈性常數(shù)E相比，en是個(gè)很小的量，即分母中en〈〈l，將⑵式按級(jí)數(shù)展開(kāi)并 略去二次方以上的高階無(wú)窮小，可簡(jiǎn)化為：
[0033]
>
[0034] 可見(jiàn)在(；與Fn的轉(zhuǎn)換特性中的法向線(xiàn)性度的最大相對(duì)誤差接近于零。
[0035] L2. 2 靈敏度
[0036] 按法向靈敏度的定義.Sn =
[0037] 而按⑵式則
[0038]
[0039] 按（3)式可得線(xiàn)性靈敏度，
[0040]Snl=C〇/AE=e〇er/d〇E(5)
[0041] 而變，F(xiàn)n愈大，S&愈大，在整個(gè)轉(zhuǎn)換特性上呈輕微非線(xiàn)性。
[0042] 1. 3切向位移和圓環(huán)電容器有效面積之間的關(guān)系
[0043] 針對(duì)同心圓環(huán)電容對(duì)進(jìn)行分析，如圖1所示，&為外圓半徑，R2為內(nèi)圓半徑，r=圓 環(huán)寬度=大外圓半徑內(nèi)圓半徑R2。給驅(qū)動(dòng)電極一個(gè)切面上的力Fx，導(dǎo)致上下對(duì)應(yīng)的驅(qū) 動(dòng)電極和感應(yīng)電極產(chǎn)生一個(gè)剪切錯(cuò)位，設(shè)dx為切面位移，錯(cuò)位面積為S@和S#，電極板的初 始正對(duì)面積應(yīng)為Jr(R/-R/)。圖2為外同心圓環(huán)電容對(duì)外徑圓分析圖，移動(dòng)前后兩圓心距 離為dx，移動(dòng)前后兩圓心和兩圓的交點(diǎn)形成一個(gè)菱形，可以計(jì)算S#的面積：
[0044]
[0045] 上式中，有(^〈〈Ri，所以?。╚) 2=〇
[0046]由：'.. .
7R .. ZKi
[0047] 將a= arccosg的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，并略去高次項(xiàng)，a=^-g
[0048]
[0049] 同理，可以知道，S# = 2R2dx，所以同心圓環(huán)電容的錯(cuò)誤面積為S= 2RlClx+2R2dx。
[0050] 1.4切向應(yīng)力t激勵(lì)下的圓環(huán)電容單元組的電容變化
[0051] 切向應(yīng)力t并不改變極板的幾何尺寸參數(shù)A。，對(duì)介質(zhì)厚度士也不產(chǎn)生影響。然 而^和ty改變了平行板電容器的空間結(jié)構(gòu)，正向面對(duì)的上下極板之間發(fā)生了錯(cuò)位偏 移。極板在T作用下的錯(cuò)位偏移dx。當(dāng)T為零時(shí)，圓環(huán)電容單元的上下電極是正對(duì) 的，上下電極之間有效截面AT = 在圖2中，在tx右向的作用下，上極板相 對(duì)于下極板產(chǎn)生了向右的錯(cuò)位偏移dx，從而使上下極板之間在計(jì)算電容時(shí)的有效面積
，由此產(chǎn)生的電容為：
[0052]
[0053] 根據(jù)剪切胡克定律
[0054] tx= y x .〇= G ? 8 x/d〇(7)
[0055] 將（7)代入（6)可得
[0056]
[0057] (8)式即為切應(yīng)力下的輸入一輸出特性，(^與tx呈線(xiàn)性關(guān)系，其靈敏度
[0058]
[0059] 由公式（10)可以看出切向靈敏度和札-馬有關(guān)，即切向靈敏度和圓環(huán)的寬度成反