基于差動(dòng)式電容傳感器的車(chē)輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

0 引言

隨著公路運(yùn)輸業(yè)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展，車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛動(dòng)態(tài)載荷檢測(cè)系統(tǒng)的便攜性，本文提出了一種電容式車(chē)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，電容測(cè)量線路采用差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成測(cè)量電路，數(shù)據(jù)的采集和處理采用自帶A／D轉(zhuǎn)換器的STC89LE516AD單片機(jī)芯片，數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線通信模式。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。

1 差動(dòng)式電容車(chē)輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)

差動(dòng)式電容車(chē)輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

車(chē)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ｋ娙轀y(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)。數(shù)據(jù)處理模塊采用內(nèi)部自帶8路8位A／D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入型STC89LE516AD單片機(jī)芯片。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，之后，將處理后的載荷結(jié)果輸出。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。

2 差動(dòng)式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

差動(dòng)式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。它主要由測(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，即：(式中，k為敏感元件的彈性系數(shù)；L為動(dòng)極柱與定極柱初始覆蓋部分長(zhǎng)度；c0為單個(gè)電容電極間的初始電容)。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。

3 電容測(cè)量電路

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。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，圖中的虛線框內(nèi)為差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)可變電容C1和C2。

工作原理如下：設(shè)直流電源接通時(shí)，Q端為高電平，端為低電平，則信號(hào)控制單元使充放電網(wǎng)絡(luò)1向電容C1充電，C1上電壓漸升，一旦達(dá)到電路控制電平值，信號(hào)處理單元使Q端立即變?yōu)榈碗娖?，而端為高電平；此時(shí)，電容C1上的電壓經(jīng)充放電網(wǎng)絡(luò)1迅速放電至零，同時(shí)信號(hào)控制單元使充放電網(wǎng)絡(luò)2向電容C2充電，C2上電壓漸升，一旦達(dá)到電路控制電平值，信號(hào)處理單元再次使Q端為高電平，端為低電平；于是又開(kāi)始下一周期的C1充電C2放電，……，如此周而復(fù)始，在差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成電路的輸出端各產(chǎn)生一串其寬度受C1和C2電容變化量控制的矩形方波。當(dāng)C1=C2時(shí)，Q和端電壓波形反相對(duì)稱(chēng)，從Q端與端取出的兩個(gè)平均值電壓之差將等于零。當(dāng)被檢測(cè)的載荷使電容C1>C2時(shí)，兩輸出端的電壓平均值之差為：(其中V1為充電網(wǎng)絡(luò)輸入的電壓值)，可獲得較好的線性度。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)的采集與處理單元采用自帶A／D轉(zhuǎn)換器的STC89LE516AD單片機(jī)芯片，完成數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及驅(qū)動(dòng)顯示單元。當(dāng)時(shí)鐘在40 MHz以下時(shí)，每17個(gè)機(jī)器周期可完成一次A／D轉(zhuǎn)換。STC89LE516AD單片機(jī)與差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制集成電路結(jié)合起來(lái)，完成電容傳感器的檢測(cè)。其主程序和A／D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4，圖5所示。

5 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)的傳輸采用無(wú)線通信模塊。利用nRF401無(wú)線收發(fā)芯片和控制單片機(jī)89C52實(shí)現(xiàn)差動(dòng)式電容車(chē)輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)中的無(wú)線通信，具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程簡(jiǎn)便、通信可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線通信技術(shù)在車(chē)輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使執(zhí)法人員可以方便地通過(guò)手持儀器對(duì)公路車(chē)輛進(jìn)行不停車(chē)載荷檢測(cè)，大大提高了工作效率。

無(wú)線通信裝置包括載荷檢測(cè)裝置和手持裝置兩部分。載荷檢測(cè)裝置接收手持裝置的指令，向手持裝置輸送載荷結(jié)果，必要時(shí)向手持裝置輸送車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)牌號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差校正；手持裝置中超聲波信號(hào)發(fā)射和數(shù)據(jù)接收裝置向載荷檢測(cè)裝置發(fā)出指令，接收來(lái)自載荷檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)；單片機(jī)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后送給顯示裝置，并可以與PC機(jī)建立數(shù)據(jù)聯(lián)系；PC機(jī)形成局域網(wǎng)后，可以完成信息收集、顯示、查詢、檢索以及數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、處理、存儲(chǔ)等多項(xiàng)工作。

從圖1中可以看出，載荷檢測(cè)裝置對(duì)車(chē)輛的載荷進(jìn)行檢測(cè)和處理，從單片機(jī)按照控制命令接收車(chē)輛的載荷檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖6為從單片機(jī)構(gòu)成的顯示及收發(fā)控制系統(tǒng)的硬件組成框圖，主要包括采集與數(shù)據(jù)處理模塊、看門(mén)狗、復(fù)位電路、電源監(jiān)控電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、無(wú)線收發(fā)模塊、控制單片機(jī)、信息輸出單元等部分。控制單片機(jī)選用Atmel公司的89C52。

圖1中的手持儀器為主機(jī)，主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，由控制單片機(jī)、顯示電路、看門(mén)狗、復(fù)位電路、電源監(jiān)控電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、按鍵、無(wú)線收發(fā)模塊，以及串行通信電路組成。

當(dāng)?shù)缆饭芾砣藛T按動(dòng)手持儀器的控制按鍵，要求讀取數(shù)據(jù)，主機(jī)接到命令后，向從機(jī)發(fā)送命令，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接收從機(jī)載荷數(shù)據(jù)，然后在手持儀器的顯示屏幕上顯示載荷信息和車(chē)輛有關(guān)信息，并且可以根據(jù)需要通過(guò)串口通信上傳至道路管理部門(mén)的計(jì)算機(jī)。與從機(jī)相比，主機(jī)多了一個(gè)用來(lái)與計(jì)算機(jī)通信的串行口。此串口采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)，可用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論

基于差動(dòng)式電容傳感器的車(chē)輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、測(cè)量電路簡(jiǎn)單、抗干擾性好、體積小、性價(jià)比高等特點(diǎn)。實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該車(chē)輛載荷檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷檢測(cè)，車(chē)輛總載荷的測(cè)量誤差在10％以內(nèi)，其精度優(yōu)于ASTME131-02給出的I類(lèi)WIM(Weigh-in-Motion)系統(tǒng)精度(置信95％時(shí)總重誤差±10％)，可用于交通數(shù)據(jù)采集，尤其適合公路稽查人員進(jìn)行便攜式測(cè)量，具有良好的使用前景。