差動式電容傳感器的車輛載荷檢測系統(tǒng)的工作原理

隨著公路運輸業(yè)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展，車輛載荷檢測技術(shù)已成為測量領(lǐng)域研究的重點。目前比較常用的車輛動態(tài)載荷檢測傳感器主要有彎板、壓電軸、單傳感器、車載電容傳感器及光纖傳感器。這些載荷檢測傳感器多適用于固定式安裝，對路面情況要求較高，即使一些便攜式車輛載荷檢測傳感器也因為重量過重、體積過大的缺點無法真正實現(xiàn)便攜測量。同時，一些傳感器測量技術(shù)過于復(fù)雜，傳感器價格過于昂貴。因此，為了減小安裝和維護成本，提高車輛動態(tài)載荷檢測系統(tǒng)的便攜性，現(xiàn)在大多采用電容式車輛載荷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)中載荷檢測傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，大大提高了測量的靈敏度和非線性。這種載荷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，安裝方便，差動式電容載荷傳感器抗干擾能力強、動態(tài)響應(yīng)好、測量范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性能好。

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

差動式電容載荷傳感器主要由測量頭、外殼、敏感元件(彈性體)、定極柱、動極柱、電極、等位環(huán)、引出線等構(gòu)成。其特點為：測量范圍寬;靈敏度高，便于拾取信號;極板間不接觸、不變形、不磨損，機械損失小、壽命長;電容傳感器受溫度影響小;動態(tài)性能好;結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境和場合。

傳感器的測量頭和殼體為間隙配合，兩者之間可相對滑動，并有定位螺釘定位測量頭的初始位置，定位螺釘同時也起到測量頭滑動時的定向作用，還可使施力物體保持相對穩(wěn)定。測量頭由敏感元件(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)位于測量頭和殼體之間，起感受外力并按一定關(guān)系轉(zhuǎn)化為機械位移量的作用。動、定極柱為中空圓柱型，其表面鍍有電極。動極柱與測量頭粘接為一體，隨測量頭一起滑動。定極柱與殼體粘接為一體，相對固定不動。在動、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)，提高測量精度。

當差動式電容載荷傳感器受外力F作用時，測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量頭以及動極柱上的電極移動同樣的距離d。此時，差動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，測量頭移動的距離d與傳感器輸出電容的變化量△c成正比。由此可知，被測物體所受外力F與差動式電容載荷傳感器的輸出電容變化量△c成正比。只要由測量電路檢測出電容的變化量△c，就可知物體所受的外力F。

差動式電容載荷傳感器是將被測載荷的變化轉(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電容。因此小電容轉(zhuǎn)換測量技術(shù)一直被人們所重視。然而，一般的檢測電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，精確度較低，不能滿足測量要求。為了提高測量的靈敏度，針對差動式電容載荷傳感器，在基于四相檢測技術(shù)的電荷轉(zhuǎn)移式電容檢測電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計采用了差動脈沖寬度調(diào)制 集成測量電路，該電路具有集成度高、實現(xiàn)了電容傳感器頭有源化、輸出脈沖方波、省去高頻激勵信號源、功耗低、抗干擾能力強、分辨率高等特點，尤其適合差動式電容傳感器的測量。