差動(dòng)式電容傳感器的車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

隨著公路運(yùn)輸業(yè)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展，車輛載荷檢測(cè)技術(shù)已成為測(cè)量領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前比較常用的車輛動(dòng)態(tài)載荷檢測(cè)傳感器主要有彎板、壓電軸、單傳感器、車載電容傳感器及光纖傳感器。這些載荷檢測(cè)傳感器多適用于固定式安裝，對(duì)路面情況要求較高，即使一些便攜式車輛載荷檢測(cè)傳感器也因?yàn)橹亓窟^(guò)重、體積過(guò)大的缺點(diǎn)無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)便攜測(cè)量。同時(shí)，一些傳感器測(cè)量技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，傳感器價(jià)格過(guò)于昂貴。因此，為了減小安裝和維護(hù)成本，提高車輛動(dòng)態(tài)載荷檢測(cè)系統(tǒng)的便攜性，現(xiàn)在大多采用電容式車輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中載荷檢測(cè)傳感器采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，大大提高了測(cè)量的靈敏度和非線性。這種載荷檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，安裝方便，差動(dòng)式電容載荷傳感器抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性能好。

車輛載荷檢測(cè)裝置為便攜式，使用時(shí)鋪設(shè)在路面上。手持裝置為測(cè)量系統(tǒng)控制單元，通過(guò)無(wú)線通信方式對(duì)檢測(cè)裝置發(fā)出指令和接收數(shù)據(jù)。載荷檢測(cè)傳感器采用差動(dòng)式電容載荷傳感器，傳感器將載荷的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓?。電容測(cè)量電路采用獨(dú)特的差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成電路，將來(lái)自于差動(dòng)式電容載荷傳感器的極其微弱的電容信號(hào)采集出來(lái)，并轉(zhuǎn)化成易于檢測(cè)的電壓信號(hào)。為了減少線路鋪設(shè)的麻煩，增加工作人員的安全性，檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線通信裝置。

差動(dòng)式電容載荷傳感器主要由測(cè)量頭、外殼、敏感元件(彈性體)、定極柱、動(dòng)極柱、電極、等位環(huán)、引出線等構(gòu)成。其特點(diǎn)為：測(cè)量范圍寬;靈敏度高，便于拾取信號(hào);極板間不接觸、不變形、不磨損，機(jī)械損失小、壽命長(zhǎng);電容傳感器受溫度影響小;動(dòng)態(tài)性能好;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境和場(chǎng)合。

傳感器的測(cè)量頭和殼體為間隙配合，兩者之間可相對(duì)滑動(dòng)，并有定位螺釘定位測(cè)量頭的初始位置，定位螺釘同時(shí)也起到測(cè)量頭滑動(dòng)時(shí)的定向作用，還可使施力物體保持相對(duì)穩(wěn)定。測(cè)量頭由敏感元件(彈性體)支撐，它受外力作用后把該力傳給敏感元件。敏感元件(彈性體)位于測(cè)量頭和殼體之間，起感受外力并按一定關(guān)系轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移量的作用。動(dòng)、定極柱為中空?qǐng)A柱型，其表面鍍有電極。動(dòng)極柱與測(cè)量頭粘接為一體，隨測(cè)量頭一起滑動(dòng)。定極柱與殼體粘接為一體，相對(duì)固定不動(dòng)。在動(dòng)、定極柱電極的兩端均設(shè)有等位環(huán)，以減小電容邊緣效應(yīng)，提高測(cè)量精度。

當(dāng)差動(dòng)式電容載荷傳感器受外力F作用時(shí)，測(cè)量頭把該力傳給敏感元件，敏感元件是彈性系數(shù)為k的彈性體，在該力作用下發(fā)生彈性變形，其變形量d與作用的外力成正比。敏感元件的變形使得測(cè)量頭以及動(dòng)極柱上的電極移動(dòng)同樣的距離d。此時(shí)，差動(dòng)電容載荷傳感器的電容值將產(chǎn)生相應(yīng)的變化，其變化量為△c，測(cè)量頭移動(dòng)的距離d與傳感器輸出電容的變化量△c成正比。由此可知，被測(cè)物體所受外力F與差動(dòng)式電容載荷傳感器的輸出電容變化量△c成正比。只要由測(cè)量電路檢測(cè)出電容的變化量△c，就可知物體所受的外力F。

差動(dòng)式電容載荷傳感器是將被測(cè)載荷的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化輸出，而電容傳感器所產(chǎn)生的電容量很微小，電容極板引線與地之間產(chǎn)生的雜散電容往往大于被測(cè)電容。因此小電容轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)一直被人們所重視。然而，一般的檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，精確度較低，不能滿足測(cè)量要求。為了提高測(cè)量的靈敏度，針對(duì)差動(dòng)式電容載荷傳感器，在基于四相檢測(cè)技術(shù)的電荷轉(zhuǎn)移式電容檢測(cè)電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用了差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制 集成測(cè)量電路，該電路具有集成度高、實(shí)現(xiàn)了電容傳感器頭有源化、輸出脈沖方波、省去高頻激勵(lì)信號(hào)源、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)，尤其適合差動(dòng)式電容傳感器的測(cè)量。