中心議題：

• 基於差動式電容傳感器的車輛載荷檢測係統

解決方案：

• 利用差動式電容車輛載荷檢測係統
• 利用電容測量電路

引言

suizhegongluyunshuyeheshangyemaoyidebuduanfazhan，cheliangzaihejiancejishuyichengweicelianglingyuyanjiudezhongdian。muqianbijiaochangyongdecheliangdongtaizaihejiancechuanganqizhuyaoyouwanban、壓電軸
、單傳感器、車(che)載(zai)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)及(ji)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)。這(zhe)些(xie)載(zai)荷(he)檢(jian)測(ce)傳(chuan)感(gan)器(qi)多(duo)適(shi)用(yong)於(yu)固(gu)定(ding)式(shi)安(an)裝(zhuang)

，對(dui)路(lu)麵(mian)情(qing)況(kuang)要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)，即(ji)使(shi)一(yi)些(xie)便(bian)攜(xie)式(shi)車(che)輛(liang)載(zai)荷(he)檢(jian)測(ce)傳(chuan)感(gan)器(qi)也(ye)因(yin)為(wei)重(zhong)量(liang)過(guo)重(zhong)、體ti積ji過guo大da的de缺que點dian無wu法fa真zhen正zheng實shi現xian便bian攜xie測ce量liang。同tong時shi，一yi些xie傳chuan感gan器qi測ce量liang技ji術shu過guo於yu複fu雜za
，傳chuan感gan器qi價jia格ge過guo於yu昂ang貴gui。因yin此ci，為wei了le減jian小xiao安an裝zhuang和he維wei護hu成cheng本ben，提ti高gao車che輛liang動dong態tai載zai荷he檢jian測ce係xi統tong的de便bian攜xie性xing，本ben文wen提ti出chu了le一yi種zhong電dian容rong式shi車che輛liang載zai荷he檢jian測ce係xi統tong，該gai係xi統tong中zhong載zai荷he檢jian測ce傳chuan感gan器qi采cai用yong差cha動dong式shi結jie構gou，大da大da提ti高gao了le測ce量liang的de靈ling敏min度du和he非fei線xian性xing，電dian容rong測ce量liang線xian路lu采cai用yong差cha動dong脈mai衝chong寬kuan度du調tiao製zhi集ji成cheng測ce量liang電dian路lu，數shu據ju的de采cai集ji和he處chu理li采cai用yong自zi帶daiA／D轉換器的STC89LE516AD單片機芯片，數據通信采用無線通信模式。這種載荷檢測係統結構簡單，成本低廉，安裝方便
，差動式電容載荷傳感器抗幹擾能力強、動態響應好
、測量範圍寬、靈敏度高、穩定性能好。

1 差動式電容車輛載荷檢測係統

差動式電容車輛載荷檢測係統如圖1所示。
車(che)輛(liang)載(zai)荷(he)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)為(wei)便(bian)攜(xie)式(shi)，使(shi)用(yong)時(shi)鋪(pu)設(she)在(zai)路(lu)麵(mian)上(shang)。手(shou)持(chi)裝(zhuang)置(zhi)為(wei)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)，通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)對(dui)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)發(fa)出(chu)指(zhi)令(ling)和(he)接(jie)收(shou)數(shu)據(ju)。載(zai)荷(he)檢(jian)測(ce)傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)用(yong)差(cha)動(dong)式(shi)電(dian)容(rong)載(zai)荷(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)，傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)載(zai)荷(he)的(de)變(bian)化(hua)轉(zhuan)變(bian)為(wei)電(dian)容(rong)值(zhi)的(de)變(bian)化(hua)。電(dian)容(rong)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)獨(du)特(te)的(de)差(cha)動(dong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)調(tiao)製(zhi)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)
，將(jiang)來(lai)自(zi)於(yu)差(cha)動(dong)式(shi)電(dian)容(rong)載(zai)荷(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)極(ji)其(qi)微(wei)弱(ruo)的(de)電(dian)容(rong)信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)出(chu)來(lai)，並(bing)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)易(yi)於(yu)檢(jian)測(ce)的(de)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)。數(shu)據(ju)處(chu)理(li)模(mo)塊(kuai)采(cai)用(yong)內(nei)部(bu)自(zi)帶(dai)8路8位A／D轉換器的電壓輸入型STC89LE516AD單片機芯片。數據處理模塊對信號進行A／D轉換、數據采集、數(shu)據(ju)處(chu)理(li)，之(zhi)後(hou)，將(jiang)處(chu)理(li)後(hou)的(de)載(zai)荷(he)結(jie)果(guo)輸(shu)出(chu)。為(wei)了(le)減(jian)少(shao)線(xian)路(lu)鋪(pu)設(she)的(de)麻(ma)煩(fan)，增(zeng)加(jia)工(gong)作(zuo)人(ren)員(yuan)的(de)安(an)全(quan)性(xing)，檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)的(de)數(shu)據(ju)通(tong)信(xin)采(cai)用(yong)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)裝(zhuang)置(zhi)。

2 差動式電容載荷傳感器結構及工作原理

差動式電容載荷傳感器結構示意圖如圖2所示。它主要由測量頭、外殼、敏感元件(彈性體)
、定極柱

、動極柱、電極、等位環、引出線等構成。其特點為：測量範圍寬
；靈敏度高
，便於拾取信號；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；動態性能好；結構簡單
、適應各種惡劣環境和場合。
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chuanganqideceliangtouheketiweijianxipeihe
，liangzhezhijiankexiangduihuadong
，bingyoudingweiluodingdingweiceliangtoudechushiweizhi，dingweiluodingtongshiyeqidaoceliangtouhuadongshidedingxiangzuoyong，haikeshishiliwutibaochixiangduiwending。celiangtouyouminganyuanjian(彈性體)支撐
，它受外力作用後把該力傳給敏感元件。敏感元件(彈性體)位於測量頭和殼體之間，起感受外力並按一定關係轉化為機械位移量的作用。動
、定(ding)極(ji)柱(zhu)為(wei)中(zhong)空(kong)圓(yuan)柱(zhu)型(xing)，其(qi)表(biao)麵(mian)鍍(du)有(you)電(dian)極(ji)。動(dong)極(ji)柱(zhu)與(yu)測(ce)量(liang)頭(tou)粘(zhan)接(jie)為(wei)一(yi)體(ti)，隨(sui)測(ce)量(liang)頭(tou)一(yi)起(qi)滑(hua)動(dong)。定(ding)極(ji)柱(zhu)與(yu)殼(ke)體(ti)粘(zhan)接(jie)為(wei)一(yi)體(ti)
，相(xiang)對(dui)固(gu)定(ding)不(bu)動(dong)。在(zai)動(dong)、定極柱電極的兩端均設有等位環，以減小電容邊緣效應，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，敏感元件是彈性係數為k的彈性體，在該力作用下發生彈性變形

，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生相應的變化，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，即：(式中，k為敏感元件的彈性係數；L為動極柱與定極柱初始覆蓋部分長度；c0為單個電容電極間的初始電容)。隻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。

3 電容測量電路

差cha動dong式shi電dian容rong載zai荷he傳chuan感gan器qi是shi將jiang被bei測ce載zai荷he的de變bian化hua轉zhuan換huan為wei電dian容rong量liang的de變bian化hua輸shu出chu，而er電dian容rong傳chuan感gan器qi所suo產chan生sheng的de電dian容rong量liang很hen微wei小xiao
，電dian容rong極ji板ban引yin線xian與yu地di之zhi間jian產chan生sheng的de雜za散san電dian容rong往wang往wang大da於yu被bei測ce電dian容rong。因yin此ci小xiao電dian容rong轉zhuan換huan測ce量liang技ji術shu一yi直zhi被bei人ren們men所suo重zhong視shi。然ran而er，一yi般ban的de檢jian測ce電dian路lu結jie構gou比bi較jiao複fu雜za，精jing確que度du較jiao低di，不bu能neng滿man足zu測ce量liang要yao求qiu。為wei了le提ti高gao測ce量liang的de靈ling敏min度du


，針zhen對dui差cha動dong式shi電dian容rong載zai荷he傳chuan感gan器qi
，在zai基ji於yu四si相xiang檢jian測ce技ji術shu的de電dian荷he轉zhuan移yi式shi電dian容rong檢jian測ce電dian路lu的de基ji礎chu上shang，設she計ji采cai用yong了le差cha動dong脈mai衝chong寬kuan度du調tiao製zhi集ji成cheng測ce量liang電dian路lu，該gai電dian路lu具ju有you集ji成cheng度du高gao、實現了電容傳感器頭有源化
、輸出脈衝方波

、省去高頻激勵信號源、功耗低
、抗幹擾能力強、分辨率高等特點，尤其適合差動式電容傳感器的測量。其內部結構框圖如圖3所示，圖中的虛線框內為差動式電容傳感器的兩個可變電容C1和C2。
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工作原理如下：設直流電源接通時，Q端為高電平，e.jpg端為低電平
，則信號控製單元使充放電網絡1向電容C1充電，C1上電壓漸升，一旦達到電路控製電平值，信號處理單元使Q端立即變為低電平，而e.jpg端為高電平
；此時，電容C1上的電壓經充放電網絡1迅速放電至零，同時信號控製單元使充放電網絡2向電容C2充電，C2上電壓漸升，一旦達到電路控製電平值，信號處理單元再次使Q端為高電平，e.jpg端為低電平；於是又開始下一周期的C1充電C2放電，……
，如此周而複始，在差動脈衝寬度調製集成電路的輸出端各產生一串其寬度受C1和C2電容變化量控製的矩形方波。當C1=C2時，Q和e.jpg端電壓波形反相對稱，從Q端與e.jpg端取出的兩個平均值電壓之差將等於零。當被檢測的載荷使電容C1>C2時，兩輸出端的電壓平均值之差為：(其中V1為充電網絡輸入的電壓值)，可獲得較好的線性度。

4 數據采集與處理

數據的采集與處理單元采用自帶A／D轉換器的STC89LE516AD單片機芯片，完成數據采集
、模數轉換
、數據處理以及驅動顯示單元。當時鍾在40 MHz以下時，每17個機器周期可完成一次A／D轉換。STC89LE516AD單片機與差動脈衝寬度調製集成電路結合起來，完成電容傳感器的檢測。其主程序和A／D轉換程序流程圖如圖4，圖5所示。
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5 數據通信

數據的傳輸采用無線通信模塊。利用nRF401無線收發芯片和控製單片機89C52實現差動式電容車輛載荷檢測係統中的無線通信
，具有硬件電路簡單、成本低廉

、編程簡便
、通tong信xin可ke靠kao性xing高gao等deng優you點dian。無wu線xian通tong信xin技ji術shu在zai車che輛liang載zai荷he檢jian測ce係xi統tong中zhong的de應ying用yong，使shi執zhi法fa人ren員yuan可ke以yi方fang便bian地di通tong過guo手shou持chi儀yi器qi對dui公gong路lu車che輛liang進jin行xing不bu停ting車che載zai荷he檢jian測ce，大da大da提ti高gao了le工gong作zuo效xiao率lv。

無wu線xian通tong信xin裝zhuang置zhi包bao括kuo載zai荷he檢jian測ce裝zhuang置zhi和he手shou持chi裝zhuang置zhi兩liang部bu分fen。載zai荷he檢jian測ce裝zhuang置zhi接jie收shou手shou持chi裝zhuang置zhi的de指zhi令ling，向xiang手shou持chi裝zhuang置zhi輸shu送song載zai荷he結jie果guo，必bi要yao時shi向xiang手shou持chi裝zhuang置zhi輸shu送song車che輛liang類lei型xing
、車牌號數據
，進行誤差校正；手持裝置中超聲波信號發射和數據接收裝置向載荷檢測裝置發出指令
，接收來自載荷檢測裝置的數據；單片機係統接收數據後送給顯示裝置，並可以與PC機建立數據聯係；PC機形成局域網後，可以完成信息收集、顯示、查詢、檢索以及數據分析統計
、處理
、存儲等多項工作。

從圖1中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，載(zai)荷(he)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)對(dui)車(che)輛(liang)的(de)載(zai)荷(he)進(jin)行(xing)檢(jian)測(ce)和(he)處(chu)理(li)，從(cong)單(dan)片(pian)機(ji)按(an)照(zhao)控(kong)製(zhi)命(ming)令(ling)接(jie)收(shou)車(che)輛(liang)的(de)載(zai)荷(he)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)的(de)數(shu)據(ju)
，與(yu)主(zhu)機(ji)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)通(tong)信(xin)。圖(tu)6為從單片機構成的顯示及收發控製係統的硬件組成框圖，主要包括采集與數據處理模塊、看門狗
、複位電路、電源監控電路

、實時時鍾電路、無線收發模塊
、控製單片機、信息輸出單元等部分。控製單片機選用Atmel公司的89C52。

圖1中的手持儀器為主機
，主機的硬件結構由控製單片機
、顯示電路、看門狗
、複位電路、電源監控電路、實時時鍾電路
、按鍵、無線收發模塊，以及串行通信電路組成。

當dang道dao路lu管guan理li人ren員yuan按an動dong手shou持chi儀yi器qi的de控kong製zhi按an鍵jian，要yao求qiu讀du取qu數shu據ju，主zhu機ji接jie到dao命ming令ling後hou
，向xiang從cong機ji發fa送song命ming令ling，通tong過guo無wu線xian收shou發fa模mo塊kuai接jie收shou從cong機ji載zai荷he數shu據ju

，然ran後hou在zai手shou持chi儀yi器qi的de顯xian示shi屏ping幕mu上shang顯xian示shi載zai荷he信xin息xi和he車che輛liang有you關guan信xin息xi，並bing且qie可ke以yi根gen據ju需xu要yao通tong過guo串chuan口kou通tong信xin上shang傳chuan至zhi道dao路lu管guan理li部bu門men的de計ji算suan機ji。與yu從cong機ji相xiang比bi，主zhu機ji多duo了le一yi個ge用yong來lai與yu計ji算suan機ji通tong信xin的de串chuan行xing口kou。此ci串chuan口kou采cai用yongRS 232標準，可用MAX232芯片實現。

6 結論

基於差動式電容傳感器的車輛載荷檢測係統
，具有機械結構簡單

、性能可靠、測量電路簡單、抗幹擾性好、體積小
、性價比高等特點。實際的試驗測試結果表明，該車輛載荷檢測係統對車輛進行動態載荷檢測，車輛總載荷的測量誤差在10％以內，其精度優於ASTME131-02給出的I類WIM(Weigh-in-Motion)係統精度(置信95％時總重誤差±10％)
，可用於交通數據采集，尤其適合公路稽查人員進行便攜式測量
，具有良好的使用前景。