（电气工程专业论文）车辆电容称重传感器结构设计及性能分析.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘。要 目前，公路运输车辆载荷质量的检测采用位置固定的计量器具， 这类器具大都不能真正做到动态测量。本文介绍一种采用变极距电 容传感器的车载式车辆称重系统，文中从传感器结构、测量系统、 在车辆上的安装、测量原理等对车辆电容称重传感器作了阐述。它 利用车辆本身的板弹簧作为称重传感器的弹性体，通过试验记录传 感器的特性曲线，对在不同加载情况下的迟滞特性进行数学抽象和 建模，给出了传感器典型曲线的拟合公式。 讨论了其静态特性测试过程，提供了相应的试验数据，根据试 验数据，从非线性、重复性、迟滞性等方面进行了误差分析，给出 了非线性校正及迟滞补偿办法，显示了该电容称重装置的突出优点。 在讨论静态性能的基础上，对其动态性能进行了测试与分析。 实验测试和理论分析表明车辆称重传感器既能静态称重，也能 比较准确地进行动态称重，且结构简单，安装方便。司机和地面稽 查人员随时随地可以知道车辆的载荷值，有利于制止车辆的超载行 为。 关键词：称重传感器，迟滞特性，曲线拟合，测试与分析，静态性 台皂，动态性胄皂 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t o v e r - l o a d i n gi s ac o m m o np r o b l e mi ns o m ed e v e l o p i n gc o u n t r i e s c u r r e n t l y ，l a r a g ea n df i x e dm e a s u r e m e n ts y s t e m sa r eu s e dt om e a s u r et h e l o a do fv e h i c l e st r a v e l l i n go nh i g h w a y s t h i sp a p e rp r e s e n t sa no n v e h i c l e m e a s u r i n gd e v i c e ，w h i c hi sb a s e do nm e a s u r e m e n to fc h a n g ei nc a p a c i t a n c e d u et ov i i r i a t i o ni nd i s t a n c eb e t w e e ne l e c t r o d e sm o u n t e do nv e h i c l e s t h e o n v e h i c l el e a fs p r o n g sa r eu s e da sak e yp a r to ft h ew e i g h i n gt r a n s d u c e r a c c e l e r a t i o nt r a n s d u c e r sa r eu s e dt om e a s u r et h ev e h i c l e sf o r w a r da n dt h e v e r t i c a la c c e l e r a t i o n s ，t h ed e v i c e sd e s i g n ，s t r u c t u r e ，m e a s u r i n gp r i n c i p l ea r e i n t r o d u c e d ，w h i c hi sb a s e do nm e a s u r e m e n to fc h a n g ei nc a p a c i t a n c ed u et o v a r i a t i o ni nd i s t a n c eb e t w e e ne l e c t r o d e sm o u n t e do n v e h i c l e s t h e o n - v e h i c l el e a fs p r i n g sa r eu s e da sak e yp a r to ft h ew e i g h i n gt r a n s d u c e r a c c e l e r a t i o nt r a n s d u c e r sa r eu s e dt om e a s u r et h ev e h i c l e sf o r w a r da n dt h e v e r t i c a la c c e l e r a t i o n s af e a t u r eo ft h i so n v e h i c l e m e a s u r i n gd e v i c e c h a r a c t e r i s t i cc u r v ei so b t a i n e db yd o i n ge x p e r i m e n t s ，t h eh y s t e r e s i s e sa t d i f f i r e n tl o a d i n ga r e a b s t a c t e da n dm o d e l e d ，a n dt h ec u r v ef i t t i n ge q u a t i o n s a r ep r e s e n t e d m e a s u r i n gp r o c e s so fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s i sd i s c u s s e dm a i n l y t h e r e l a t e de x p e r i m e n td a t ai sg i v e n o nt h eb a s i so ft e s t i n gd a t a ，e r r o ra n a l y z i n g i sd o n ef r o mn o n l i n e a r i t y ，r e p e a t a b i l i t ya n dh y s t e r e s i s ，a n dt h ec o r r e c t i o n i i 江苏大学工程硕士学位论文 m e t h o do fh y s t e r e s i si sp r e s e n t e d 。a tl a s t t h i sc a p a c i t a n c ew e i g h i n gd e v i c eo f t r a f f i ch a so u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s a i m i n g a tt h et r a d i t i o n a lv e h i c l e s w e i g h i n g d e v i c eh a v es o m e s h o r t a g e s u c ha sl o w s p e e d a n d l a r g e m e a s u r e m e n te r r o rd u r i n gd y n a m i cm e a s u r e m e n t ，ac a p a c t t i v ev e h i c l e s w e i g h i n gd e v i c ew a sd e s i g n e d b a s e do ni n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n d d e s i g n ，a n dw e ! g h i n gp r i n c i p l e s o fw e i g h i n gd e v i c e ，i t s d y n a m i c p e r f o r m a n c ew a st e s t e da n da n a l y z e d bo t he x p e r i m e n t a lt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a tc a p a c i t a n c e v e h i c l e sw e i g h i n gd e v i c ei st h a ti tc a np r o v i d eb o t hs t a t i ca n dd y n a m i cl o a d m e a s u r e m e n t s t h ed r i v e r sc a nc h e c kt h el o a di nt h e 7c a b ，a n dt h eh i g h w a y i n s p e c t o r sc a nc h e c kt h el o a d a ta n yt i m ea n da n yp l a c et h r o u g hr a d i o c o m m u n i c l t i o n ，t h u si d e n t i f y i n go v e r l o a d e dv e h i c l e s 。 k e y w o r d s ：w e i g h i n gt r a n s d u c e r ，h y s t e r e s i sp e r f o r m a n c e ， c u r v ef i t t i n g ； e x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，s t a t i cp e r f o r m a n c e ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将 本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密。 学位论文作者签名： 础年i1 月r 日 指导教师签名： 年月 日 剃墨辑 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：秤； 日期：妒1 月妇 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 论文的背景及意义 第一章绪论 随着我国市场经济的发展，公路运输量迅速增长，各种载货车、大平板车、 带挂汽车和集装箱运输车等大吨位车的数量逐年递增，特别是一些运输单位或 个人不顾车辆、公路承载能力及行车安全，擅自对车辆进行改装，增加弹簧钢 板，更换高强度轮胎，加高、加宽、加长车厢栏板，栏板上再加围篱，围篱上 又堆尖等超载现象较为普遍，使公路、桥梁及其附属设施遭受到严重破坏，且 由此而引发的交通事故日益增多。 面对这些日益严重化和复杂化的车辆违规、违章现象，现有的传统的车辆 检测系统显得力不从心，或者干脆无能为力。目前，政府和国内很多研究人员 已经注意到这种情况，并开始致力于寻找新的手段和技术，然而由于起步较晚， 成绩不是很显著。我国道路运输车辆超载现象极为普遍，严重的地区，几乎所 有的货运车辆都存在程度不同的超载行为。车辆超载运输对交通安全、运输市 场及汽车生产秩序造成了极大危害。一是诱发了大量道路交通安全事故。据统 计，7 0 的道路安全事故是由于车辆超载引起的，5 0 的群死群伤特大道路交 通事故与超载有直接关系，车辆超载运输给人民生命财产造成了巨大损失；二 是严重损坏了公路基础设施。超载车辆的荷载远远超过了公路和桥梁的设计承 受荷载，致使路面损坏、桥梁断裂，正常使用年限大大缩短。全国公路每年因 车辆超载造成的损失超过3 0 0 亿元f l 】，给国家财产造成了巨额损失；三是导致 了道路运输市场的恶性竞争。以竞相压价承揽货源，以超载来获取利润，超的 越多j 赚的越多，形成了“压价_ 超载_ 运力过剩_ 再超载”的恶性循环。四是 造成车辆“大吨小标”泛滥。为迎合车辆超载运输的需求，一些汽车生产厂商竞 相生产“大吨小标”车，一些汽车改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影响了 汽车工业的健康发展。上述问题说明，车辆超载运输造成道路运输市场扭曲， 诚信水准下降，严重损害了统一开放、竞争有序的市场秩序，阻碍了现代道路 运输市场体系的建立和完善，破坏了正常的社会经济秩序，也严重危及国家和 江苏大学工程硕士学位论文 人民的生命财产安全。 道路运输车辆超载的危害性，引起了党中央、国务院的高度重视。2 0 0 0 年， 国家发布了控制超载的关于加强对机动车超载违章管理的通知( 公交管e 2 0 0 0 6 6 号) 。2 0 0 3 年1 2 月，温家宝总理在交通部上报的关于加强车辆超限超载 治理工作的报告上作出了“要治理就要坚决治好，不能半途而废”的重要批 示。去年由交通部、公安部、国家发展改革委、国家质检总局、国家工商总局、 国务院法制办、国家安监局等七部委联合制定了关于在全国开展车辆超限超 载治理工作的实施方案o 本课题是国家自然基金课题电容称重传感器研究及在车辆称重中的应用 的一部分，将对电容称重传感器的结构设计及性能进行分析。 本项目的车辆限载器的安装和使用方法与现有装置截然不同，它的主体部 分安装在车辆上，可以同速度里程表、燃油表、机油压力表和水温表等仪表一 样作为车辆的必备仪表，而不用安装或放置在公路上，使用方便，司机随时可 以知道车辆载荷值，当载荷超过额定值时，自动切断车辆点火系统，使得车辆 无法上路，将事故消灭在萌芽状态。如果国家权威部门能规定行驶在中国境内 的所有车辆都装上这类限载器，并将其可靠地密封起来，非执法人员无法自行 i 王： 调整修改其性能参数，将可以有效地制止超载现象发生。 利用电容称重传感器，可方便地实现车辆载荷测量，以有效地控制车辆超 载。利用电容称重传感器进行车辆称重，特别是动态称重，目前国内外还是空 白，研究学术价值较高。 该装置每套的成本不足百元，相对于车辆约几十万元的价格来说是微不足 道的，但它的安装使用却能使得全国每年由超载造成的3 0 0 亿元经济损失大幅 度减少，社会经济效益非常可观。 1 2 车辆称重国内外研究成果 1 2 1 国内研究成果 目前，我国公路部门治理车辆超载的完全靠称重的方法1 2 叼。称重的器具分 2 江 苏大学工程硕 士 学位论文 为固定式和便携式两种。固定式有电子地磅( 又叫电子汽车衡) 和计重收费系 统两种。电子地磅主要用于普通公路上设的车辆超载检查站。稽查人员一般根 据目测预判车辆是否超载，勒令可疑车辆驶入路边的检查站，用电子地磅静态 称量车辆重量，以判断车辆是否超载。该方法存在以下弊端：( 1 ) 须拦截车辆， 令其驶上称台，不仅其效率低，且影响其他车辆的行驶和道路畅通，并有可能诱发 交通事故，危及稽查人员的人身安全。( 2 ) 由于主干道上没有称重装置，有时 会造成超载汽车逃避检查。( 3 ) 检测系统结构大、质量重，无法携带，且安装 不方便。 我国的高速公路上主要采用计重收费系统检测车辆重量【7 - 9 1 。这种装置由动 态轴重仪和红外线车辆分离器组成，其中轴重仪检测车辆的每根轴重，红外线 分离出每一辆车，计算机计算出该车的重量。动态轴重仪安装时需要在路面上 挖坑，埋设在收费站车道_ l t l o l ，费工又破坏了路面；红外线车辆分离器安装在 车道两侧，实践证明冬天温度较低时，分离器玻璃表面结霜，影响红外线的发 射和接收，无法正确分离车辆，因而也就造成装置不能正常工作；由于轴重仪 的工作台面小，不可能同时称出整车所有轮的重量，因而也就不能做到不停车 称量。 。 便携式动态轴重检测仪由稽查人员临时将取样用的感应器铺放在车辆经过 ，的车道上，车轮从感应器上轧过时，计量出轮重，整车所有轮重之和即为车重。 这种设备携带方便，但它也有如下不足：( 1 ) 被称重车辆将到来时，稽查人员 匆忙将感应器放在车轮下，容易出安全事故。( 2 ) 由于感应器放置得匆忙，感 应器的面积又较小，位置可能会与车轮对不正，造成计量结果偏低。( 3 ) 部分 产品的感应器只有一个，实际只称出单侧轮重，若车辆货物装偏时，计量结果 会有较大误差。( 4 ) 正常工作时，被检测车辆的车速要低于5 k m h ，实际检测 完一辆车最快也需5 m i n ，工作效率低，车辆较多时会造成堵车。( 5 ) 也不能做 到不停车称量。 上述称重装置都采用电阻应变式称重传感器，电阻应变片粘贴在弹性体的 表面，长期工作后弹性体的刚度降低，会造成计量值偏高【1 l 】【1 2 1 。由于这些称重 装置的体积庞大，结构复杂，造成价格偏高，一套高速公路车道用计重收费系 统约需5 0 万元。 江 苏大学工程硕士学位论文 1 2 2 国外研究状况 发达国家车辆超载现象比较少，他们的车辆称重装置的应用也较少。英国 和美国有一些公司生产车辆称重产品【1 3 之0 1 ，其他国家相对较少【2 1 之3 1 。他们的产 品大多为电子地磅和便携式动态轴重检测仪，适用于在固定的检测站进行测量 检测，很少有用于公路计重收费系统的动态轴重仪。他们用的传感器也大都与 国内相同，为电阻应变式传感器【2 0 】。目前国外最先进的检测方法是瑞士k i s t l e r 有限公司的动态称重系统( w w w k i s t l e r c o m ) ，它只适用于在大型检测站进行固 定安装检测，并且采用石英晶体传感器，不仅价格昂贵，而且无法进行静态和 准静态称重测量。 1 3 论文的内容 针对电容称重传感器的实际情况，本课题主要对电容传感器的结构进行设 计，使其便于识别车辆载荷；研究出能合理、准确地反映出车辆载荷值的微小 电容测量电路，结合小波滤波消噪信号处理电路；数据采集、计算和控制电路； 最后对结果数据进行处理和分析。本课题数据处理的软件部分以图形化编程语 言l a b v i e w 为基础，对数据进行分析处理。论文的主要内容为： ( 1 ) 车辆载荷分析 现有的车辆称重装置直接称量整车重，或者是通过称量轮重、轴重间接得 到整车重。而本项目的主体部分为车载装置，通过检测车辆不同载荷下的内力 而得到整车重。车辆受载不同时，轮轴两端的钢板弹簧在车厢和轮轴的作用下 变形明显，但车辆重心一般偏后，前后轮轴的受力大小不同，前后钢板弹簧的 变形也就不同；车厢内货物的重心左右方向不居中时，同一轮轴上左右两边的 钢板弹簧的变形也就不相同。因此这就需要对车辆认真进行受力分析，找到最 能代表车辆载荷的变形部位和合理的受力计算方法。 ( 2 ) 电容传感器的设计理论与实验研究 现有车辆称重装置采用的传感器大多为电阻应变片，它直接粘贴在弹性体 表面。而本项目采用电容传感器，极板间不接触，具有极板不变形、不磨损、 4 江苏大学工程硕士学位论文 不锈蚀、寿命长等优点。电容传感器的结构参数对传感器的性能有着很大的影 响。首先影响传感器电容敏感场的分布，这直接关系到车辆载荷测量的准确性； 其次影响到电容的初始值和变化范围，这决定了对电容测量线路的要求。针对 不同的结构参数对电容传感器性能的影响，需要通过理论计算和试验分析合理 确定极板的数量、形状、尺寸、材料；为了增强极板的抗干扰性能，需要为极 板加屏蔽板，这就需要确定屏蔽板的形状、尺寸、材料和相对于极板的位置； 为了使极板不被氧化、锈蚀，需要给极板加防护层，这就需要确定绝缘保护层 的材质、尺寸、介电常数；还需要研究极板与车体之间的具体安装固定方式。 ( 3 ) 电容检测电路输出结果的线性化处理 本项目的电容传感器放置在车辆前后轮轴中部和其上方的车厢底之间，测 量不同载荷时轮轴中部与车厢底之间的距离变化，从而得到载荷值。平行板电 容器的电容量与极板内表面间的距离成反比，加上汽车钢板弹簧在载荷作用下 的变形，电容检测电路的输出电压值与载荷质量之间的关系是非线性的。为了 得到二者之间的线性关系，可以采用硬件的方法和软件方法来实现。用 l a b v l e w 软件编程的方式来解决非线性补偿问题。 ( 4 ) 测量结果的误差校正 车辆长期工作之后，钢板弹簧的刚度会降低，电容测量电路也可能会产生 工作点漂移，致使仪表的显示值出现误差。要保持仪表的准确性，又不允许司 机自行调整，这就需要在车辆年审时由稽查人员输入几个特征点具体误差的数 值，由数字处理系统完成校准工作。r 因此需要在l a b v i e w 软件下设计出合理 的算法，编写出校准软件程序。 ( 5 ) 装置静态性能测试与分析 在静态情况下，测试电容并分析称重传感器静态性能，并对测试结果实行 迟滞性补偿，完成静态标定，并为动态性能测试打下基础。 ( 6 ) 装置动态性能测试与分析是在完成电容称重传感器静态标定的基础 上，测试并分析载荷与车辆速度、加速度、振动等动态因素的关系，为动态载 荷提供测量方法。 江苏大学工程硕士学位论文 1 4 本章小结 本章共分为三部分：主要论述本课题的的背景及意义，介绍车辆称重传感 器国内外研究现状以及论文的主要内容， 6 江苏大学工程硕士学位论文 第二章车辆称重系统的组成 一个完整的称重系统，应该包括以下四部分：传感器部分、信号调理部分、 信号处理部分和显示、记录部分。如图2 1 所示： l 轴间称重装置卜一信号调理h 信号处理h 显示记录l i _ ji _ ji 。_ jl j 图2 - 1 称重系统基本框图 下面就各个部分的作用和要实现的功能，简单介绍一下： 传感器部分是测量系统的输入端，它与被测的重量或力、过程或系统相连 接，并给出一个取决于被测量的输出信号。 。信号调理部分则将传感器的输出信号进行变换，例如：将电容变换为电压 或电流信号、信号放大或衰减、滤波、调制与解调、阻抗变换、线性化及转换 成数字编码信号等，以便下一步进行信号处理。 信号处理部分接收调理部分输出的信号，并对其进行必要的运算而转换成 适宜于显示或记录的信号。 ， 显示、记录部分是测量系统的输出端或终端，可以使观测者便于认识、显 示出或记录下重量值。 为了适应工业：交通等部门的快速高效的运作，称重方式也由过去的手动、 离线和静态方式发展为自动、在线和动态方式。自动在线称重和动态称重将成 为主导的称重方式。 自动在线称重是在生产线上自动进行称重。在保证正常的连续作业情况下， 及时掌握重量信息，为提高生产效率和产品质量、节省能源等方面起到了重要 作用。 动态称重包括以下三方面： ， ( 1 ) 被称物体本身在运动，例如高速公路上的车辆和行驶中的铁路列车。 ( 2 ) 测量用的设施在移动，而在这些设施上装有称重装置，如在移动的吊车 上，运动状态下的轮船和货车上的称重。 7 江 苏大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 需要在短时间内快速测量，此时间小于所用称重装置的稳定时间。动态 称重可以解决静态称重速度慢效率低的缺点，但如何能达到静态称重的准确度 是国内外研究的主要内容。在运用动力学、现代控制理论和计算机技术的基础 上，动态信号处理从传统的处理方法( 均值法、极值法等) 进展到系统识别、建 立数学模型，可以使测量时间缩短，不超过一个振荡周期就可以得到准确的测 量结果。 2 1 传统的称重传感器 计算机技术的日益更新、数字信号处理技术的飞速发展以及电子技术和工 业控制技术的不断提高和完善，为车辆的动态称重过程中信号调适、信号处理 和显示、记录三部分的实现提供了可靠的技术保障和实践基础。唯独称重传感 器部分，由于对其在灵敏性、可靠性和精确性等方面上有严格的要求，再加上 实际应用中各种干扰因素的影响，使其成为动态称重系统中最难以设计和控制 的一环。由此可以看出，在车辆的动态称重技术方面，传感器的最新硬件技术 起着重要的作用。 称重传感器作为动态称重系统的核心器件，是测量系统的输入端。它与被 测的重量、力、过程或系统相连接，并给出一个取决于被测重量的输出信号。 国外传感器生产是以规模生产、高科技应用为前提，以国际通行的质量保证体 系和检测流程作为保障，以应用为目的来进行设计、制造和推广的。用于动态 称重和测量各种公路交通工具的传感器应该表现出以下的几种特性【6 l 】： ( 1 ) 宽动态范围。 ( 2 ) 抗干扰能力强。， ( 3 ) 具有很长的使用寿命。 ( 4 ) 高精度、高灵敏度。 传统上用于动态称重的传感器主要有：感应圈式传感器，压电式传感器， 弯曲盘式传感器。具体介绍如下： ( 1 ) 感应圈式传感器 这种传感器多用在十字路口，用于对信号灯的控制。这种感应圈可以单独 8 江 苏大学工程硕士学位论文 使用，也可以与其他交通系统结合，提供附近车辆的有关信息。这种感应圈是 由根金属丝经过多次环行折叠构成的。感应圈的感应系数取决于感应圈面积的 大小和感应圈匝数的多少，而且会随着车辆进入圈内的情况而不断变化，在输 出段输出一个可识别信号。更为特别的是，这种感应圈可以看成一种l c 电路， 该电路被调谐在某个固定的振荡频率上。如果把一个金属盘放在感应圈的上面， 相当于减少通过该线圈的磁通量，线圈的感应系数也会随之变小，固有频率也 就会随之改变，那么在信号的控制端就可以观察到这种变化。 图2 2 准确描述了感应圈传感器在车辆进行动态称重系统中如何对车辆信 号开始采集和停止采集的。 来自电子装置 的信号 来自屯子装 置的信号 来自电子装 置的信号 来自电子装 置的信号 a 感应圈 二! 口 图2 2 基于感应圈探测器的工作实况示意图 9 b c d 江苏大学工程硕士学位论文 图2 2 ( a ) 图中，没有车辆进入感应圈内，整个系统处于空闲状态；b 图 中，在车辆进入感应圈的磁场感应区域的一刹那感应圈开始工作，来自电子装 置的信号出现一个下降沿( 下降沿时刻也即是车辆进入感应圈的时刻) ，由高电 平变成低电平，表明该系统开始工作；c 图和d 图描述的是车辆经过感应圈和 完全离开感应圈的情形，低电平一直维持到车辆完全离开的那一刻重新恢复为 高电平；系统完成对该车辆的检测。 。( 2 ) 压电式传感器 压电式传感器是由一种特殊材料做成的，在外力的作用下发生机械形变就 会有电荷生成。例如，极化晶体在外力作用下产生形变，而这种形变就会导致 在晶体内部有电荷生成。如果将一组这样的极化晶体规则地排放在两块金属板 之间，那么在外力的作用下两金属扳之问就会产生一定量的电荷，电荷量的多 少与外力的大小成正比例；两金属扳之间建立起4 个电场，该电场电压v 与平 行板电容c 和外力f 有关，他们之间的关系如式( 2 1 ) 所示： v = o ( f ) c(2-1) 其中，q ( f ) 与f 成正比，c 是两金属板之间的电容，y 为在外力作用下该 压电传感器输出的电压。图2 。3 给出了压电传感器的工作原理。 、 r1r r1r 髟幺衫哆幺杉夕钐哆夕么歹么杉杉夕么杉( 多么么杉多么么杉夕么哆乡绷 + + - i - - 4 -+ 一一一 一一一一 _ + 一一一一一一一一一 +q - + + + - + - + 一一一一 - 一一 - 一 +- t - + 4 -+ 一一一 一 一一一一 髟夕么杉乡么多么么彩哆么么多么形夕么z r 多乡夕z 彩夕夕，黝 图2 3 压电传感器原理图 这种传感器可以直接放置在路基的凹槽内，传感器可以有防护性涂层，用 于永久性的应用或者裸露着，作为便携式应用。 压电式传感器有两种形式。第一种：具有专一的性能和很高的敏感性，这 类压电传感器是动态称重系统中比较理想的器件；第二种：造价低却有着足够 的敏感性，是实现轮轴探测的理想器件。基于压电式传感器的动态称重系统， 在车辆行使速度为3 0 1 0 0 ( 英里川、时) 时的精确度为1 5 。 1 0 tf c- 江苏大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 弯曲盘式传感器 弯曲盘式传感器由两块钢板构成，每块面积大约为1 2 平方英尺，两块钢板 连接在起，放在通车车道上。钢板内部放有一种张力测量器，用来测量车辆 经过时钢板内部的张力。如果公路是沥青路面，需要铺设一段混凝土地基作为 这种传感器的支撑；如果是混凝土路面，则只需在上面挖一个浅槽放置该传感 器。通常的做法是将这种传感器与两个感应圈或者其它的传感器一起，按顺序 铺放在通车车道上，这样可以获取车辆本身的长度和轴的间距。正确安装和校 正后，车辆行使速度在1 0 一1 0 0 ( 英里4 , 时) 之间时，弯曲盘式的测量精度可以 达到1 0 ，可信度为9 5 基于这种传感器的w i m 系统，初始花费为1 3 5 0 0 美 金台( 2 0 0 1 年1 月估价) ，每年的周期损耗为6 4 0 0 美金，寿命期望值为6 年。 以上提到的三种传感器从其原理、工作性能、可靠性等方面，都有这样或 那样的缺点，综合起来主要有： ( 1 ) 精度低。例如基于弯曲盘式传感器的动态称重系统的测量精度只有 1 0 ，而基于压电式传感器的仅仅是1 5 。 ( 2 ) 铺设困难、费用高。以上几种传感器，在构成动态称重系统的实际应 用中，都有严格的设计和装置要求，铺设费用和周期损耗都较高。 ( 3 ) 抗干扰能力差、易受环境影响。感应圈式和压电式传感器都容易受地 球磁场的影响，抗电磁干扰能力低下。另外，温度、铺设方式的不同也会给动 态称重系统带来影响。 ( 4 ) 不能在恶劣的环境下工作、使用寿命短。 ( 5 ) 称量的动态范围小。 基于以上几种传感器的这些缺点，为了适应迅速发展的交通运输业，保障 公路交通安全，利用电容称重传感器可方便地实现车辆载荷测量，以有效地控 制车辆超载。利用电容称重传感器进行车辆称重，特别是动态称重，目前国内 外还是空白，研究学术价值较高。本文的工作也是基于该方面的一些探讨和研 究，因此，有必要就电容传感器的一些原理和技术作一下详细的介绍和说明。 江 苏大学工程硕士学位论文 2 2 电容称重传感器i ! i , j - i - 作原理 电容式传感器是以各种形式的电容器作为变换器或传感元件，将被测物理 量的变化转化为电容量变化的传感器。 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效 应，其电容量为： 为： c ：= g o c ，- s d ( 2 - 2 ) 当传感器的s ，和s 为常数，初始极距为蟊时，由上式可知其初始电容量c o c o = 警 ( 2 3 ) 若电容器极板间距离由初始值巩缩小了ad ，电容量增大了ac ，则有 。c o + a c = 吼e 。一e 7 面s = 童 口 一口1 厶“ 哦 在上式中，若d d o 1 时，则展成级数： ( 2 - 4 ) c = c o + 等+ ( 等) 2 - ( 等 3 + c o - 十鲁 c 2 5 ， 此时c 与ad 近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d “很 小时，才有近似的线性关系。如下图2 4 所示： o a d l吒 d 图2 - 4电容量与极板间距离的关系 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 另外，在d 。较小时，对于同样的ad 变化所引起的c 可以增大，从而使 传感器灵敏度提高。但以过小，容易引起电容器击穿或短路。因此对电容传感 器的极距的选取一定要适当。在应用电容传感器进行测量时，为了确定传感器 的输出特性，需要对其进行标定。通常的传感器都要受到外界干扰因素的影响， 为了较准确的确定传感器的输出，还需要研究其在测试过程中所受的外界干扰 因素，同时为改进其输出提供技术数据。 2 3 本章小结 本章从车辆称重传感器的系统组成入手，深入分析各个组成部分的作用， 对于传统的称重传感器进行了比较，最后又介绍了电容称重传感器的基本工作 原理。 江苏大学工程硕士学位论文 第三章车辆称重中电容传感器的结构设计 在电容称重系统的设计中，传感器是最关键的部件，也是设计中最难处理 的环节，其性能的好坏直接决定了称重的性能。设计称重传感器的指导思想是： 追求良好的自然线性，尽量有较高的输出灵敏度，抗侧向能力强，结构简单， 易于加工和密封，长期稳定性要好。 车辆电容称重传感器用于测量车辆载荷，为极距变化型电容传感器。车辆 载荷变化将引起电容极板间距离变化，一从而将车辆载荷转变为电容值，利用电 容测量线路将电容以为电压形式输出，通过测量电压便可得到电容值，从而得 到车辆的相应载荷值【2 4 1 。 ， 电容称重传感器受几何尺寸的限制，其容量c 值很小，容抗t = c 很 大，为高阻抗元件。由于c 很小，需要作用的能量也小，因而它的固有频率很 高，可以保证有良好的动态特性。传感器的视在功率尸= u ：o 【) c 很小，这使传感 器易受到外界的干扰，所以信号的提取比较困难。同时，由于c 小，分布电容 和寄生电容对灵敏度和测量精度都会产生影响。因此，电容式称重传感器在设 计应用时，要充分考虑抗干扰设计。 3 1 电容式传感器的结构及其安装 电容传感器是指将被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传 感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。 最常用的形式是由两个平行电极组成，极间以空气为介质的电容器，如图 3 - 1 所示。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 i t - 上j1 | d i 图：3 - 1 平行板电容器 若忽略边缘效应，平板电容器的电容为s d ，式中为极间介质的介电 常数，s 为两电极互相覆盖的有效面积，d 为两电极之间的距离。、s 、d 三 个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感 器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。 3 1 1 电容式传感器的结构 传感器由上极板部件和下极板部件组成( 见图3 2 ) ，每个部件的电容极板 和屏蔽板都密封在绝缘体内。屏蔽板和电容极板引线的屏蔽层接电容测量电路 的地。下极板部件绝缘材料的上表面加工成球面，利于污物滑脱保持表面的清 洁。 3 1 2 电容式传感器的安装 图3 - 2 电容传感器的结构 为了减少电容传感器的数量，车辆每根车桥的上方只安装一套传感器，下 极板部件安装在车桥的上方，上极板部件安装在车架下部。当车厢内的载荷左 江苏大学工程硕士学位论文 右方向装偏时，车桥两端板弹簧的变形会不同，造成车厢底倾斜。为了减少这 种倾斜对测量结果的影响，将电容传感器安装在车辆宽度方向的中部。这样， 当上极板倾斜于下极板时，上极板的中心高度不变。电容传感器安装如图3 3 所示。 1 车架；2 上极板部件；3 板弹簧；4 下极板部件；5 车桥 图3 - 3 电容传感器的安装 在不同载荷作用下车辆板弹簧变形时，电容传感器两极板间的距离d 发生 变化，传感器的电容值也随之变化。据此可以根据传感器电路输出的电压值与 该车桥载荷值之间的关系，得到该车桥的载荷重量，一然后进一步得到整车载荷 重量【2 5 】。 3 2 电容式称重传感器及测试电路的设计 3 2 1 传感器的弹性体 弹性体是称重传感器的基础，本课题下的电容称重传感器弹性体是汽车自身 的板簧，系统可根据车辆板簧的特性来修正软件参数。图3 4 为安装有电容传感 器的微型卡车后桥右侧的板弹簧。 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 图3 4 微型卡车后桥的板弹簧 图3 4 中，板弹簧共有4 片弹簧片，摇臂和板弹簧右卷耳分别与车架在a 点 和c 点形成转动副，摇臂与板弹簧左卷耳在b 点形成转动副；包箍固定在第三片 弹簧片上，与上面的两片弹簧片形成移动副；电容传感器下极板固定在车桥上， 沿车桥长度方向居中：上极板固定在车架上，与下极板上下相对。 图3 4 中车辆处于空载状态，电容传感器上、下极板内表面之间的距离为d 0 。 载荷加大到一定程度后，a 点和c 点分别随车架下移到a 和c 点，板弹簧展平， 车桥后移( 见图中双点画线所示) ，摇臂和板弹簧分别绕a 、b 、c 点转过一定角 度，上面的两片弹簧片在包箍内下移，电容传感器的极距由d o 减小为d i 。 3 2 2 传感器的工作原理与分析 由力学知识可知，车辆在静止或匀速行驶时，受空车重量m o 、载荷重量( 含驾 驶室乘坐人员) 聊l 、前轮约束反力l 和后轮约束反力2 四个力作用( 当车桥数为 2 时) 而平衡。见图3 5 。 图3 - 5 车辆受力图 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 此时有：n l + n 2 = m o + m l ，则载荷重量 m e = ( n l 卅也) 一棚o = l ，一玉= ( - 儿一f ) = g m l i 式中 卜车辆的车桥数； l 一一定载荷时各车桥约束反力； o 一空车时各轴轮约束反力； m l 广一一定载荷时各车桥的载荷重量。 车桥的缓冲减震机构大都为板弹簧，车桥载荷重量m l f 的大小与板弹簧的变 形有一定的对应关系。本文利用变极距电容传感器将板弹簧的变形量转换成电容 传感器的电容变化量。只要预先标定出每个车桥在不同载荷下传感器的电容量， 以后就可以根据各车桥电容传感器的电容量得到该车桥承受的载荷重量m “，然 后由上式计算出车辆载荷重量。 3 2 3 传感器的结构尺寸 传感器的结构包括三方面的内容，即传感器高度、电容极板面积、电容极板 的形状。 ( 1 ) 传感器高度 上、下极板部件内表面之间的距离应比板弹簧工作时的最大变形量大1 0 - - 2 0 m m ，以保证车辆行驶颠簸时，上、下极板部件不相碰撞。 ( 2 ) 电容极板面积 为了保证传感器的灵敏度，应保证上、下电容极板内表面间的距离d 最大时 极板间的电容不小于o 5 p f 。 车辆工作时，车桥相对于车架会有少量偏移。为了减少偏移对检测结果的影 响，应使电容上极板的边长稍大于下极板。 ( 3 ) 电容极板的形状 1 8 江苏大学工程硕士学位论文 图3 - 6 非平行板电容示意图 当车厢内的货物左右方向装偏，造成上极板倾斜于下极板时( 见图3 - 6 ) ，基 于平行板电容计算公式推导出非平行板电容公式： c + = f 磊eb d x = 竿n ( - + 丢) 向+ 一x 、。 式中 卜两极板间介质的介电常数； 卜倾斜上极板在水平面内的投影沿x 轴方向的长度( m ) ； 卜e 极板的宽度( m ) ； 卜倾斜上极板右端相对于左端的高度( m ) ； h 倾斜上极板左端的高度( 呻。 根据上式计算结果表明，当极板形状为面积一定的矩形平板时，若图6 中的 尺寸a b ，则与平行板电容值的相对误差小；若a b ，则相对误差大。这一点已 经被实验所证明。因此为了减小极板倾斜引起的检测误差，安装时应使长边沿车 辆的宽度方向( 见图3 5 ) ，而短边沿车辆的前后方向。 3 2 4 车辆称重传感器测试电路的设计 ( 1 ) 测量电路的原理【3 1 1 1 3 5 j 传感器极板间的电容最小值设计为0 5 p f ，而电容极板引线与地之间的杂散电 容却远远大于被测电容。因此，只有具有消除杂散电容影响能力的电容测量线路 才能精确测量被测电容。 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 本课题采用四相检测电荷转移式电容测量电路来检测传感器的电容值。它的 基本电路是由晶体振荡器和反相器( c d 4 0 6 9 ) 组成，产生频率4 m h z 的脉冲系列。 此信号被直接、或经过一只附加的十分频器( c d 4 0 1 7 ) 传送给四分频器( c d 4 0 1 3 ) 。 这样可选择1 m h z 和1 0 0 k h z 两种不周的频率，提供不同的灵敏度，也相应有两 种不同的测量量程。也可应用更多的十分频器，这样可得到更多的频率，也就 有可能得到更多的测量量程。需要注意的是，无论选择哪种频率，都有四个占空 比为5 0 5 0 、相位为0 。、9 0 。、1 8 0 。和2 7 0 。的方波信号用来控制电荷转移线 路的工作。具体检测线路见图3 7 。 图3 - 四相检测电荷转移式电容测量电路 四相电容测量线路的灵敏度为k i = 1 v 3 i c x = 2 f v c r f 。它表明：线路的灵敏度与 激励频率厂、激励电压和反馈电阻r f 成正比。因此，增大这些参数值可提高灵 敏度。但是这些参数的选取也受到一些限制：频率受c m o s 开关速度和瞬态过程 的限制，尽管c d 4 0 6 6 的最高工作频率是4 0 m h z 6 1 ，实验表明，在这个线路里它 仅能在低于2 m h z 的频率下正常工作：c m o s 集成电路的工作电压通常限制到 1 5 v ；电阻值受到运算放大器的非理想性能限制，如果电阻值太大，反相输入端 将不再保持在虚地状态。 测量电路在图3 7 电路的基础上又增加了零位和增益调整电路。 实验表明，该电路测量电容时的分辨率达到o 0 0 1 p f ，灵敏度高于1 v p f 。 ( 2 ) 电容测量电路的智能稳定 对于长年工作的电容传感器来说，电容测量电路的稳定性是很重要的。可是 由于测量电路中元件本身性能和供电电源质量等的影响，随时间和周围温度的变 2 0 江苏大学工程硕士学位论文 化，其输出结果难免会产生零位漂移和灵敏度漂移【i 】。试验结果表明，当电路的 灵敏度为l v p f ，温度在一1 0 - 一6 0 c 之间变化时，电路输出的零位变化范围达 5 0 m v 。通过硬件调整后温漂有所改善，但零位的变化范围还不小于1 0 m v 。再加 上时间和其它因素的影响，电路输出的漂移会更严重。 针对这种情况，研究了一种适用于电荷转移式电容测量电路2 】【3 】的智能稳定方 法，它在手动调整电路的零位和灵敏度后，设置好零位和灵敏度补偿基准电压， 传感器工作期间，利用单片机实时对测量电路的输出进行零位和灵敏度补偿，能 有效地消除电路输出的漂移，保证了电路的长期稳定性。这种零位补偿方法具有 很好的通用性，程序一次性编好后能适用于所有同类电路。电荷转移式电容测量 电路的智能稳定电路如下图： 图3 8 智能稳定电路 图3 8 中，电容检测电路