基于差动式电容传感器的车辆载荷检测系统[图]

摘要：针对传统车辆栽荷检测系统存在的不足，提出了一种电容式车辆载荷检测系统，该系统的载荷检测传感器采用差动式结构，大大提高了测量的灵敏度和非线性，电容测量线路采用差动脉冲宽度调制集成测量电路，数据的采集和处理采用自带A/D转换器的STC89LE516AD单片机芯片，数据通信采用无线通信模式。这种栽荷检测系统结构简单、成本低廉、安装方便、性能可靠、测量电路简单、抗干扰性好，可用于交通数据的采集和便携式测量，具有良好的使用前景。

0 引言

随着公路运输业和商业贸易的不断发展，车辆载荷检测技术已成为测量领域研究的重点。目前比较常用的车辆动态载荷检测传感器主要有弯板、压电轴、单传感器、车载电容传感器及光纤传感器。这些载荷检测传感器多适用于固定式安装，对路面情况要求较高，即使一些便携式车辆载荷检测传感器也因为重量过重、体积过大的缺点无法真正实现便携测量。同时，一些传感器测量技术过于复杂，传感器价格过于昂贵。因此，为了减小安装和维护成本，提高车辆动态载荷检测系统的便携性，本文提出了一种电容式车辆载荷检测系统，该系统中载荷检测传感器采用差动式结构，大大提高了测量的灵敏度和非线性，电容测量线路采用差动脉冲宽度调制集成测量电路，数据的采集和处理采用自带A/D转换器的STC89LE516AD单片机芯片，数据通信采用无线通信模式。这种载荷检测系统结构简单，成本低廉，安装方便，差动式电容载荷传感器抗干扰能力强、动态响应好、测量范围宽、灵敏度高、稳定性能好。

1 差动式电容车辆载荷检测系统

差动式电容车辆载荷检测系统如图1所示。

车辆载荷检测装置为便携式，使用时铺设在路面上。手持装置为测量系统控制单元，通过无线通信方式对检测装置发出指令和接收数据。载荷检测传感器采用差动式电容载荷传感器，传感器将载荷的变化转变为电容值的变化。电容测量电路采用独特的差动脉冲宽度调制集成电路，将来自于差动式电容载荷传感器的极其微弱的电容信号采集出来，并转化成易于检测的电压信号。数据处理模块采用内部自带8路8位A/D转换器的电压输入型STC89LE516AD单片机芯片。数据处理模块对信号进行A/D转换、数据采集、数据处理，之后，将处理后的载荷结果输出。为了减少线路铺设的麻烦，增加工作人员的安全性，检测系统的数据通信采用无线通信装置。

2 差动式电容载荷传感器结构及工作原理

差动式电容载荷传感器结构示意图如图2所示。它主要由测量头、外壳、敏感元件(弹性体)、定极柱、动极柱、电极、等位环、引出线等构成。其特点为：测量范围宽；灵敏度高，便于拾取信号；极板间不接触、不变形、不磨损，机械损失小、寿命长；电容传感器受温度影响小；动态性能好；结构简单、适应各种恶劣环境和场合。

传感器的测量头和壳体为间隙配合，两者之间可相对滑动，并有定位螺钉定位测量头的初始位置，定位螺钉同时也起到测量头滑动时的定向作用，还可使施力物体保持相对稳定。测量头由敏感元件(弹性体)支撑，它受外力作用后把该力传给敏感元件。敏感元件(弹性体)位于测量头和壳体之间，起感受外力并按一定关系转化为机械位移量的作用。动、定极柱为中空圆柱型，其表面镀有电极。动极柱与测量头粘接为一体，随测量头一起滑动。定极柱与壳体粘接为一体，相对固定不动。在动、定极柱电极的两端均设有等位环，以减小电容边缘效应，提高测量精度。

当差动式电容载荷传感器受外力F作用时，测量头把该力传给敏感元件，敏感元件是弹性系数为k的弹性体，在该力作用下发生弹性变形，其变形量d与作用的外力成正比。敏感元件的变形使得测量头以及动极柱上的电极移动同样的距离d。此时，差动电容载荷传感器的电容值将产生相应的变化，其变化量为△c，测量头移动的距离d与传感器输出电容的变化量△c成正比。由此可知，被测物体所受外力F与差动式电容载荷传感器的输出电容变化量△c成正比，即：(式中，k为敏感元件的弹性系数；L为动极柱与定极柱初始覆盖部分长度；c0为单个电容电极间的初始电容)。只要由测量电路检测出电容的变化量△c，就可知物体所受的外力F。

3 电容测量电路