CN104964140A - 一种基于三维压力检测的三角架装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维压力检测的三角架装置，三脚架装置还包括传感单元和显示屏，传感单元中包括处理器和多个三维压力传感器，三维压力传感器均匀安装在机座内部用以监测机座上设置的气泡给机座的压力值，处理器连接三维压力传感器根据传感器测量的压力值计算出各个传感器内部驱动极板的位移和传感器之间的位移差值，处理器的计算结果显示在处理器连接的显示屏上，显示屏安装在支腿的上端部，三维压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组。本发明中通过增设传感器监测气泡压力输出支腿需要偏移量数据值，解决了人工实验调节三脚架平衡凭借经验的问题，具有调节精度高，调节方便的优点。

Description

一种基于三维压力检测的三角架装置

技术领域

本发明涉及一种三角架装置，具体涉及一种能够微调的基于三维压力检测的三角架装置。

背景技术

三角架包括支承测量设备(水平仪、测量用觇标板(target)、经纬仪或全站仪等)、望远镜、照相机或照明设备等这样的各种设备的顶板(工作台)和摆动自如地与该顶板相连结的三个能伸缩的支腿。在各支腿的下端设置有尖端部，从而能够易于将三角架定位于地面等。

三角架摆放水平过程中，顶板机座内的气泡易偏离难处于中心位置，对于初学者来说，困难很大，不利于学习的积极性和，对于使用者来说，不能快速简单的架设好基础工具三角架也很是占用工作时间。此外，三角架的支腿通常很长，初学者调节使用时，按照常规要领，先固定两只架腿，调节第三只架腿，使得气泡大致居中，但是由于架腿的高度，需要两人相互配合完成，一人观察气泡，一人调节架腿，两人相互配合才能更好的完成工作占有了人力资源，不利于初学者自学研究。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种基于三维压力检测的三脚架装置，通过增设传感器监测气泡压力输出支腿需要偏移量数据值，解决了人工实验调节三脚架平衡凭借经验的问题，具有调节精度高，调节方便的优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于三维压力检测的三脚架装置，所述三脚架包括机座和连结在机座底端可伸缩的支腿，三脚架装置还包括传感单元和显示屏，传感单元中包括处理器和多个三维压力传感器，三维压力传感器均匀安装在机座内部用以监测机座上设置的气泡给机座的压力值，处理器连接三维压力传感器根据传感器测量的压力值计算出各个传感器内部驱动极板的位移和传感器之间的位移差值，处理器的计算结果显示在处理器连接的显示屏上，显示屏安装在支腿的上端部，所述三维压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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，控制单元连接传感单元的处理器。

上述装置中，所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。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δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。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a_δ，所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。

上述装置中，所述三维压力传感器的安装数量等于支腿的数量，三维压力传感器的安装是根据支腿的分布区间安装的，每个三维压力传感器对应于每个支腿。所述三脚架装置得支腿包括微调支腿、伸缩支腿和支撑脚，微调支腿位于伸缩支腿上端部部位，支撑脚连结在伸缩支腿的底端，微调支腿上设有微调支腿长度的曲柄，曲柄控制是手动或电动控制。所述微调支腿开设有螺杆内腔，螺杆内腔内安装有螺纹丝杠，螺纹丝杠与螺杆内腔间隙配合，螺纹丝杠在螺杆内腔内滑动连接式的间隙配合，微调支腿上设置有传动箱,传动箱内设置有传动螺母，传动螺母通过螺纹旋设在螺纹丝杠上，传动箱内腔与螺杆内腔相通，曲柄前端穿入到传动箱内啮合连接传动螺母，曲柄的后端位于传动箱外部。所述微调支腿开设有螺杆内腔，螺杆内腔内安装有螺纹丝杠，螺纹丝杠与螺杆内腔间隙配合，螺纹丝杠在螺杆内腔内滑动连接式的间隙配合，微调支腿上设置有传动箱,传动箱内设置有传动螺母，传动螺母通过螺纹旋设在螺纹丝杠上，传动箱内腔与螺杆内腔相通，曲柄前端穿入到传动箱内啮合连接传动螺母，曲柄的后端位于传动箱外部，曲柄位于传动箱的部分连接三脚架装置中设置的马达，处理器中设有连接监测曲柄转动角度的角度传感器，处理器控制马达的工作状态。所述支撑脚包括铰球、铰球座、接地构件、尖端和支撑板，铰球设置在支撑脚底端，铰球设置在支撑脚的铰球座内，伸缩支腿底端和支撑腿通过铰球连接，支撑脚底端的铰球座通过接地构件链接尖端，接地构件外旋设支撑板，支撑板上设有一圈肋板，支撑板和肋板的厚度之和大于尖端的长度。

本发明有益效果是:本发明中在机座内的气泡下设置了中间层，中间层中安装了三维压力传感器，三维压力传感器用以监测气泡对机座的压力，本发明提供的三维压力传感器是经过改良的精准传感器，利用本发明提供的传感器能够有效解决三维力相互影响，从而使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。通过精确测量气泡施加的力，可以通过传感器的输出值计算出三维压力传感器驱动极板的偏移量以及计算出传感器对应支腿需要偏移量，所以支腿的需要移动距离一目了然，不需要多次重复及实验，节省了很多麻烦。此外，本发明中还设置了微调支腿，可以手动微调或者直接进行电动完成微调控制，微调支腿的设置，使得支腿长度调节更加精准，自动控制的设置更大程度上解放了人力。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的三角架装置的结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式的机座的结构示意图。

图3是本发明的具体实施方式的条状电容单元及其坐标系。

图4是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。

图5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。

图6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。

图7是本发明的具体实施方式的宽度为a₀和ka₀的电容对受力偏移图。

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结构图。

图9是本发明的具体实施方式的单元电容对的信号示意图。

图10是本发明的具体实施方式的平行板电容器剖面结构。

图11是本发明的具体实施方式的微调支腿的结构示意图。

图12是本发明的具体实施方式的支撑脚的结构示意图。

图中1为机座，2为支腿，3为气泡，4为上表层，5为中间层，6为下层，7为显示屏，8为微调支腿，9为伸缩支腿，10为支撑脚，11为卡合部，12为螺杆内腔，13为螺纹丝杠，14为传动箱，15为传动螺母，16为曲柄，17为铰球，18为铰球座，19为接地构件外，20为支撑脚尖端，21为支撑板，22为肋板，，23为上PCB基板，24为下PCB基板，25为驱动电极铜箔，26为感应电极铜箔。

具体实施方式

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。

本发明提供一种基于三维压力检测的三角架装置，本发明提供的三角架装置适用于多种地面，在不平整凸凹地面也能适应自如，同时还能通过微调辅助调节水平横，本发明中的微调是通过三维压力传感器精准测量从而显示出需要调节距离值，通过电器元件测量提高三角架的水平安放速度和时间效率。

一种基于三维压力检测的三角架装置，其结构示意图如图1所示，该装置包括机座1和与机座向连结的三个能伸缩的支腿2，机座1内设有一个气泡3，气泡3的位置代表了三角架的平衡状态。为了简化气泡调节步骤，节省三角架腿调节时间，所以本发明中机座是三层结构，其结构示意图如图2所示，上表层4中安放气泡，下层6作为连结支腿的结构层，中间层5中安装传感单元。传感单元包括处理器和多个测量压力的三维压力传感器，处理器安装在机座的中间位置，对机座中间层5的重量影响减小到最小，不影响气泡的运动，而且方便连接三维压力传感器。三维压力传感器均匀安装在机座中间层5内，本发明中优选3个三维压力传感器，中间层5对应于三角架的支腿数量划分为三份，每一份中间层5内安装一个三维压力传感器，每个传感器代表一个支腿，传感器受到的压力即表示支腿上端部受到的压力(此处忽略机座下层对支腿的压力)。三角架安装好后，中间层5的三维压力传感器就会测量得出气泡给予的压力。传感器测量到的压力发送到传感单元的处理器中，处理器计算出三维压力传感器的受力矢量包括每个传感器在三维方向上的移动距离，同时处理器计算比较3个传感器的测量值，从而计算出传感器对应的支腿应该移动的距离。

传统的传感器测量压力的过程中，由于切向力和法向力之间的相互影响导致测量结果不准确，所以本发明提供一种改进后的三维压力传感器，该传感器中切向力和法向力之间相互不影响，能够大大提高保证测量结果的准确性。三维压力传感器的具体介绍如下：

三维压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀条状电容单元组成的第二条状电容单元组。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δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。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a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到控制单元。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控制单元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。

1、条状电容单元的转换特性

(1)激励信号和坐标系

将条状电容单元置于图3所示的直角坐标系中，极板平面长度b₀、宽度a₀、介质厚度d₀。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响应；法向应力σ_n＝Fn/A,其中A＝a₀·b₀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τ_x＝Fx/A，τ_y＝Fy/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

${\mathrm{\σ}}_n=E\·{\mathrm{\ϵ}}_n=E\·{\mathrm{\δ}}_n/d_0=\frac{F_n}{A}---\left(1\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_x=\±{\mathrm{\γ}}_x\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_x/d_0=\±\frac{F_x}{A}---\left(2\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_y=\±{\mathrm{\γ}}_y\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_y/d_0=\±\frac{F_y}{A}---\left(3\right)$

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)，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为电容器上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。

(2)电容公式及其输入输出特性

矩形平行板电容器的初始电容为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0.{\mathrm{\ϵ}}_r\·a_0\·b_0}{d_0}---\left(4\right)$

式中，ε₀真空介质电常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n/E,代入(4)得到输入输出特性

$C_n={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_n)}={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-\frac{F_n}{AE})}---\left(5\right)$

(3)法向应力作用下的线性度和灵敏度

a、法向线性度

在(5)式中F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的，因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中ε_n<<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：

$C_n=C_0(1+\mathrm{\&epsiv;})=C_0(1+\frac{F_n}{A\&CenterDot;E})---\left(6\right)$

可见在C_n与F_n的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。

b、灵敏度

按法向灵敏度的定义

按(6)式可得线性灵敏度，

S_n1＝C₀/AE＝ε₀ε_r/d₀E          (7)

而按(5)式则

$S_{n2}=\frac{{\mathrm{dC}}_n}{{\mathrm{dF}}_n}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\mathrm{\&epsiv;}}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\frac{F_n}{A\&CenterDot;E}}---\left(8\right)$

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

(4)切向应力τ_x和τ_y激励下的电容变化

切向应力τ_x和τ_y并不改变极板的几何尺寸参数b₀和a₀，对介质厚度d₀也不产生影响。然而τ_x和τ_y改变了条状电容单元的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。现以OX方向为例，极板在τ_x作用下的错位偏移δ_x。

在图4中当τ_x为零时，a_0上＝a_0下是正对的，基板之间有效截面A_τ＝a₀·b₀；在图5中，在τ_x右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移δ_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀；图6中，当τ_x为左向时，错位偏移δ_x则向左，而A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀，τ_x在左向和右向时，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0.{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)\&CenterDot;b_0}{d_0}---\left(9\right)$

根据剪切虎克定律

${\mathrm{\&tau;}}_x={\mathrm{\&gamma;}}_x\&CenterDot;G=G\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x/d_0---\left(10\right)$

将(10)代入(9)可得

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x\&CenterDot;b_0}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(11\right)$

(11)式即为切应力下的输入—输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系。

而其灵敏度

$S_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\&tau;}x}}{{\mathrm{dF}}_x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(12\right)$

公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τ_y与C_τy的特性与技术指标，只不过式中条状电容单元的长边b₀应设置于OX轴方向，而其短边a₀则在OY方向。

2、接触式平行板电容设计

(1)平行板电容的平面设计

设定的原始指标法向最大接触应力σ_nmax为200Kpa，如果法向受力A为正方形10×10mm²，则最大法向力F_Zmax为σ_nmax·A＝20N。切向最大接触应力τ_max为70Kp，切向应力的受力分布面均为10×10mm²，则最大切向力分量F_xmax＝F_ymax＝τ_max·A＝7N。

图5和图6所示的条状电容单元结构性变化，只说明电容输出与切向应力±τ_x输入的关系，电容增量都是负的，因此这种初始电容结构不适宜作为对±τ_x得到增减电容的响应。为此本发明对条状电容单元上下极板的初始结构进行调整，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)，具体如图7所示。

图7中，电容单元C_L和C_R电极尺寸b₀、d₀均相同，宽度一个为a₀，一个为ka₀，其中k为常数，优选大于1的整数。当τ_x＝0时，C_L＝C₀，C_R＝kC₀，在此基础上如在F_x激励下产生δ_x的错误偏移，将会形成如图5或6所示的偏移效果。

$C_L=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(13\right)$

$C_R=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;({\mathrm{Ka}}_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(14\right)$

C_L和C_R电容单元对在同一个τ_x将产生δ_x和ΔC_τ的响应。

由此，公式(11)可修改为

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_{\mathrm{\&tau;}0}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}{F}_x$

式中，为切应力为零时的初始电容，上式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_x是线性关系，而其灵敏度

参见图8的电极平面布置，在一个10×10mm²的基板中心作十字分隔，形成四个象限，右上第一象限Ⅰ、左上第二象限Ⅱ、左下第三象限Ⅲ、右下第四象限Ⅳ，其中Ⅰ、Ⅲ象限为对τ_x做出响应的电容单元组合，而Ⅱ、Ⅳ象限为对τ_y做出响应的电容单元组合。***线为10×10mm²的PCB板四根边缘线，影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面。将感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准，置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)。

电容单元模块采用梳齿结构，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。由公式(12)a₀愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故单个电容单元均为长条状。设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为ka₀+a₀+2a_δ。为了充分利用方形基板的平面空间，M(ka₀+a₀+2a_δ)b₀/2≈1方形基板表面积，M为条状电容数量，则有M(ka₀+a₀+2a_δ)＝20mm，式中，槽宽a_δ不宜过大，否则不利于使用基板上的有效平面空间，也不宜过小，要受到失蜡铸造工艺的约束。为使法向灵敏度S_n和切向灵敏度S_τ相等，按公式(7)和(12)，令a₀·G＝d₀·E，当d₀＝0.1mm，k＝1.5时，从而可以求出M。

为了实现τ_x和τ_y之间切向响应不相互产生影响，条状电容单元的驱动电极长度两端预留差位δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留差位理论上应保证 ${\mathrm{\&delta;}}_0\&GreaterEqual;d_0\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{max}}{G},$ 其计算值为 ${10}^{-5}\&times;\frac{70\&times;{10}^3}{24\&times;{10}^6}=2.9\&times;{10}^{-8}m={10}^{-2}um<<1um,$ 故在工艺上应保证b_0驱－b_0底≥0.01mm。这样在计算法向电容输出响应时，保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应不产生任何影响，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)进行公示推算消除相互之间的影响。保证τ_x在Ⅰ、Ⅲ象限电容单元产生对τ_x的电容响应，而在Ⅱ、Ⅳ象限电容单元则产生对τ_y的电容响应，以保证四个象限中的电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。在图8中C_τxI＝C_R和C_τxIII＝C_L为转换τ_x的差动电容对，而C_τxII＝C_L和C_τxIV＝C_R则为转换τ_y的差动电容对。

(2)法向应力和切向力的计算

设图8中宽度为a₀的条状电容单元在受到切向力τ_x,产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₁，宽度为ka₀的条状电容单元在受到切向力τ_x,产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₂，则有：

$C_1=\frac{\mathrm{\&epsiv;}(a_0-d_x)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(15\right)$

$C_2=\frac{\mathrm{\&epsiv;}({\mathrm{ka}}_0-d_x)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(16\right)$

由(15)-(16)得到：

$C_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}$ 计算得到：

$d_n=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0(1-k)}{C_1-C_2}---\left(17\right)$

由(15)*k-(16)得到：

${\mathrm{kC}}_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;kd}}_x{b}_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0(1-k)}{d_n},$ 将(17)代入上式，可以得到：

$d_x=\frac{a_0({\mathrm{kC}}_1-C_2)}{C_1-C_2}---\left(18\right)$

根据 $d_n=d_0-\mathrm{\&Delta;}d=d_0(1-\frac{F_n}{E\&CenterDot;S_0})$

可知： $F_n=\frac{(d_n-d_0)E\&CenterDot;S_0}{d_0}$

由 $\frac{d_x}{d_0}=\mathrm{\&gamma;}=\frac{\mathrm{\&tau;}}{G}=\frac{F_{\mathrm{\&tau;}}}{G\&CenterDot;S_0},$ 所以 $F_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{GS}}_0{d}_x}{d_0}.$

上式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τ产生影响。即自动消除了σ_n和τ_y对τ_x的总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符号的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ₀消除。同理可以求出F_τy。

(4)主要材料选择及其特性参数

梳齿状平行板电容器的结构剖面图类似于图10所示的三明治结构。图10中23为上PCB基板，24为下PCB基板，25为驱动电极，26为感应电极。极板距d₀＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数ε_γ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E_铜＝103GPa。故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。

(5)电极引线设计

无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的感应电极则需用各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，四个感应电极是指X方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以及Y方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设计，在10×10mm²的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有4个，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成***，又可获得F_x和F_y的信息，从而完整描述一个三维力。这4个单元电容组合既要完成其基本功能，又要互不干扰，这是靠巧妙的设计构思才得以实现。

处理器可以根据传感器测量得到的压力值计算出传感器驱动极板的偏移量，通过对比三个传感器的受压值和便宜量结果，输出需要移动距离。为了方便使用者查看输出结果，本发明中设置了显示屏，本发明中在每个支腿2的上端部靠近机座的位置安装了一个显示屏7。显示屏7连接到处理器，每个支腿2上均安装一个显示屏7，也不会出现支腿2重量不同，容易翻倒的情况，处理器的输出结果显示在显示屏7上，每个传感器和对应的支腿都是有标记的，所以显示屏上的结果很是清晰明了，结果显示在需要调节的支腿显示屏7上。如果气泡3正好位于中间区域，每个支腿2受力大小相同，显示屏7则同时显示不需调节结果。

显示屏7显示每个传感器的测量结果和提示，提示不平衡的支腿应该向上或向下移动的距离，本文称之为微调距离。显示屏7显示微调距离后，只需要调节三角架支腿2的长度即可，本发明中提供的三角架选择好位置后，只需固定三角架，然后调节即可，支腿的长度是相等的只是需要进行微调即可，不需要移动三角架。

本文中三角架支腿包括微调支腿8、伸缩支腿9和支撑脚10，支腿的主要长度是由伸缩支腿组成的，伸缩支腿9内包括多节可伸缩杆，根据需要设置伸缩杆数量，伸缩支腿的端部设有卡合部11能够在伸缩杆收缩和伸展后卡合固定伸缩杆，防止伸缩杆活动。

微调支腿8安装在伸缩支腿的上端，微调支腿的结构示意图如图11所示，微调支腿开设有螺杆内腔12，螺杆内腔12内安装有螺纹丝杠13，并与螺杆内腔12间隙配合，螺纹丝杠13在螺杆内腔12内滑动连接式的间隙配合。微调支腿8上设置有传动箱14,传动箱14内设置有传动螺母15，传动螺母15通过螺纹旋设在螺纹丝杠13上，传动箱14内腔与螺杆内腔12相通，一曲柄16前端穿入到传动箱14内，曲柄16前端啮合连接传动螺母15。曲柄16能够带动传动螺母15运动，传动螺母15继而带动螺纹丝杠13运动，曲柄16后端位于传动箱14外，可以手动转动曲柄16。为了进一步简化工作，本文中设置了马达连接曲柄16，处理器输出运动距离显示在显示屏7上，同时输出运动指令给马达带动曲柄自动转动，角度传感器连接监测曲柄的转动角度，角度传感器监测到曲柄运动到既定角度，螺纹丝杠达到既定高度，处理器根据角度传感器传送回来的数据，输出停止指令至马达，马达停止工作，曲柄不再转动，微调支腿自动调节平衡，大大简化了三脚架的使用步骤。

此外，三脚架的使用地域没有限制，常用的支撑脚是尖角状，不利于铺设有沥青、混凝土的地方、建筑物内(室内)使用三角架的情况下，多无法将尖端部***到地面中，因此有时三角架因水平方向的突然刮起的暴风而翻倒、因与移动体(例如正在搬运的材料)接触而翻倒，因翻到而产生的测量设备的损坏造成了工作无法进行，所以本文中三脚架的支撑脚有所改进。

本文中的支撑脚10的结构示意图如图12所示，其底端设有铰球17，铰球17设置在支撑脚10的铰球座18内，伸缩支腿9底端和支撑腿铰球17连接，支撑脚10可以随意调整角度从而稳固的安放在地面上。此外支撑脚底部仍是尖端，但尖端20通过接地构件19连结铰球座18，接地构件外19旋设有一个支撑板21，支撑板21可以旋转设置在接地构件19上，为了增强支撑板的强度和稳定性，支撑板21上设有一圈肋板22，支撑板21和肋板22的厚度大于尖端20长度，所以在尖端20稳定后，可以旋转支撑板21至尖端20处，增大与地面的接触面积，提高三脚架的稳定性。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于三维压力检测的三脚架装置，所述三脚架包括机座和连结在机座底端可伸缩的支腿，其特征在于,三脚架装置还包括传感单元和显示屏，传感单元中包括处理器和多个三维压力传感器，三维压力传感器均匀安装在机座内部用以监测机座上设置的气泡给机座的压力值，处理器连接三维压力传感器根据传感器测量的压力值计算出各个传感器内部驱动极板的位移和传感器之间的位移差值，处理器的计算结果显示在处理器连接的显示屏上，显示屏安装在支腿的上端部，所述三维压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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，控制单元连接传感单元的处理器。

2.根据权利要求1所述的三脚架装置，其特征在于,所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

3.根据权利要求1所述的三脚架装置，其特征在于,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δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

4.根据权利要求1所述的三脚架装置，其特征在于,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a_δ，所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。

5.根据权利要求2所述的三脚架装置，其特征在于,所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。

6.根据权利要求1所述的三脚架装置，其特征在于,所述三维压力传感器的安装数量等于支腿的数量，三维压力传感器的安装是根据支腿的分布区间安装的，每个三维压力传感器对应于每个支腿。

7.根据权利要求1所述的三脚架装置，其特征在于,所述三脚架装置得支腿包括微调支腿、伸缩支腿和支撑脚，微调支腿位于伸缩支腿上端部部位，支撑脚连结在伸缩支腿的底端，微调支腿上设有微调支腿长度的曲柄，曲柄控制是手动或电动控制。

8.根据权利要求7所述的三脚架装置，其特征在于,所述微调支腿开设有螺杆内腔，螺杆内腔内安装有螺纹丝杠，螺纹丝杠与螺杆内腔间隙配合，螺纹丝杠在螺杆内腔内滑动连接式的间隙配合，微调支腿上设置有传动箱,传动箱内设置有传动螺母，传动螺母通过螺纹旋设在螺纹丝杠上，传动箱内腔与螺杆内腔相通，曲柄前端穿入到传动箱内啮合连接传动螺母，曲柄的后端位于传动箱外部。

9.根据权利要求7所述的三脚架装置，其特征在于,所述微调支腿开设有螺杆内腔，螺杆内腔内安装有螺纹丝杠，螺纹丝杠与螺杆内腔间隙配合，螺纹丝杠在螺杆内腔内滑动连接式的间隙配合，微调支腿上设置有传动箱,传动箱内设置有传动螺母，传动螺母通过螺纹旋设在螺纹丝杠上，传动箱内腔与螺杆内腔相通，曲柄前端穿入到传动箱内啮合连接传动螺母，曲柄的后端位于传动箱外部，曲柄位于传动箱的部分连接三脚架装置中设置的马达，处理器中设有连接监测曲柄转动角度的角度传感器，处理器控制马达的工作状态。

10.根据权利要求7所述的三脚架装置，其特征在于,所述支撑脚包括铰球、铰球座、接地构件、尖端和支撑板，铰球设置在支撑脚底端，铰球设置在支撑脚的铰球座内，伸缩支腿底端和支撑腿通过铰球连接，支撑脚底端的铰球座通过接地构件链接尖端，接地构件外旋设支撑板，支撑板上设有一圈肋板，支撑板和肋板的厚度之和大于尖端的长度。