电容式测力传感器的设计

1、自动检测技术及仪表课程设计题目：电容式称重传感器的设计学院：专业：年级：姓名：学号：目 录一、电容式称重传感器21、工作原理 22、组成结构 33 、测量电路原理图 44、性能分析 6二、 电容式称重传感器应用于车辆称重的分析 71、 车辆与载荷关系 72、电路框图 83、工作原理 84、电容式称重传感器的安装 95、车辆受力分析 96、测试方法 10三、总结 13四、参考资料 14电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器，由于这种传感器具有结构简单，适应性强，体积小，动态响应好， 灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速

2、度、振动、压力、压差、濒位、成分含量等检测领域。此文就以电容式称重传感 器来研究1、介绍了电容式称重传感器的结构，以及其测量电路，分析电容称重传感器的 特性和相关参数选取，通过一系列的资料查询所得结果表明该电容式传感器具有 很好的稳定性、重复性和无滞后性。具有一定的实用价值。通过举车辆称重传感 器的例子来分析阐明。2、我国道路运输车辆超载现象极为普遍，但现有的称重器具价格较高，安装较为复杂，动态称重误差较大。居于目前车辆称重方法的不足，通过查询学习到了 新开发了一种基于电容传感器的车载式车辆称重装置。称重装置的测量器件是车辆电容称重传感器。从传感器结构、测量系统、在车辆上的安装、测量原理等对

3、车辆电容称重传感器作了阐述。讨论了其静态特性测试过程，从非线性、重复性、 迟滞性等方面进行了误差分析等操作，显示了该电容称重传感器的突出优点。关键词：电容式传感器；动态响应；灵敏度；分辨率；电容式称重传感器；稳定 性；重复性；车辆称重一、电容式称重传感器目前市场上使用的称重传感器大都采用应变式称重传感器 ？。应变式传感器 具有四角误差小、精度较高、应用技术比较成熟等优点。但同时也存在着突出的 缺点，该传感器工作温度低（一般为O-40C） 输出信号小且为模拟信号，需经 放大电路和A/D转换电路后引人微机，成本相应增加，价格比较昂贵。以下介绍 一种采用变极距电容式称重传感器，它具有灵敏度高、结构简

4、单、测量电路简单、 体积小、质量轻等优点，且为数字信号输出，可直接与微机相连，其成本远低于 应变式称重传感器，有着非常好的应用前景。1、工作原理电容式称重传感器，它是以电容作为转换元件，把被测物的重量转换成因极 板间距变化而引起的电容变化。该变化量同样不易直接测量。因为组成电桥要用 交流电，而且牵制到幅值、相角等问题，所以经过比较，我们选定把这个变化的 电容与特制的电感组成振荡电路，使其输出为频率信号。电容式称重传感器是基于平板电容的计算为基本原理的，即式中dc 极板电容； d 极板间距；£极板间的介电常数; S极板有效面积；经变换得Cd1 d d°2 2ddC0d

5、6;d°d°选择合适的初始间隙d°，使-d°1。略去高阶误差，则CdCod°振荡频率与被测物重量P之间的关系为L0 KP2 '2 f LC 1 KCS °CKC'式中 c'分布电容；0K初始间隙；弹性体的应变系数。经变化，重量P与输出频率之间的关系为可以看出，被测物重量与输出频率之间有着复杂的非线性关系。由于式（9）所述函数P-F（f）的单调性，使P与f之间为一一对应。通过频率变换的测量，即 可换算成被测物的重量。这里，需进行较多的数据处理，井找出能满足精度要求 的拟合直线方程。2、组成结构电容传感器上极板部件

6、和下极板部件组成（图1），上极板部件的绝缘体内密 封有上屏蔽板和电容上极板，下极板部件的绝缘体内密封有电容下极板和下屏蔽 板。电容极板引线采用屏蔽线，屏蔽层两端分别接屏蔽板和电容测量线路的地。 为了避免下极板部件的上表面过多积聚污物而影响传感器的电容值，其上表面做成球面。图1电容传感器结构电容式称重传感器是由弹性的一个面作为动极板面， 而在固定一个极板作为 定极板面，两者组成一平板电容。这个电容同一个特别的电感线圈构成一个LC振荡电路。其组成有弹性体、极板组件、机芯板、引线。其结构也随弹性体结构 而变。本厂采用扁平型弹性体，灵敏度、过载能力高，抗侧向力强，而且易组成 平板电容。3、测量电路原理

7、图对电容传感器来说它的等效电路如下图所示。图中Rp为并联损耗电阻，在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，影响减弱；Rs代表串联损耗，有引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗：电感L是由电容器本身的电感和外 部引线电感组成；C为传感器本身电容和引线电缆、测量电路及极板与外界所形 成的寄生电容之和。电容传感器的工作频率一般较咼（但不咼于谐振频率），此时可以忽略Rp Rs 的影响，则有效电容Ce可由式：=J/WL +求得上式表明，电容式传感器的等效电容值与传感器的固有电感L及角频率w有关，因此，在实际使用时必须与标定的条件相同。 电容传感器的等效电路图如 下图2该电路简单，体积可做得很小，可与

8、极板做在一起，减少了分布电容的影响。该电路具体分析如下：（IC1为运放，起积分作用，IC2、IC3为比较器）设B、C两点电压分别为V1和VC则A点电压为图2电容传感器的等效电路图测量电路不易测量的电容的变化量可转换成易于测量的频率信号的变化量 量电路，它实现了电容到频率的转换。图3就是该测图3.电容-频率转换电路Va策V先V。R R3R2 R3设IC2、IC3的同相端的电压为V+,则当Va=V+寸，比较器输出翻转。假定在t=0 时输出最小电压vol，由于V< V+,它将通过R1使电容器C向上积分，V1上升, 当vi达到Vi m=v+时，比较器输出电压改变为V。此时V变为V1 maxR3V

9、olV此时它将通过R1使电容器c向下积分， 器输出电压改变为Vol。此时V变为V 1下降，当V，1达到Vlmax =V+寸，比较! n !如此循环构成振荡，因为4-V i VcJTj = V+ T刃叫十佥；- k,由以上式子可以得到振荡周期为T=Ti + & =局號洛&%n =此电路电容一额率的转换关系为f = lfkc = j/feA |式中k为比例系数。此式说明，正比于d,同时d又正比于m所以通过检测输出 频率的频差就可计算出所称物体的质量。该测量电路经实验证明具有较高的稳定 性和重复性，又能抗外来电磁场的干扰，受温度、湿度等影响比较小。4、性能分析误差分析影响因素：弹性体

10、材料，极板支承结构及连接件的材料，极板面的平面度，电容 的绝缘介电常数，分布电容，振荡电路各元件参数，介质的纯度，漏电损耗和介 质损耗，振荡频率的精度。补偿措施：材料的合理工艺处理，极板面的特殊处理，极板厚度和面积的优选， 全金属密封，充氯，振荡电路各元件参数的严格筛选。灵敏度分析c 0A影响因素：计算公式 , 式中° 初始极板间隙；A极板有效面积;0 介质介电常数。初始极距，极板有效面积。补偿措施：尽量减小分布电容，选择适合的初始间隙及极板有效面积。线性分析影响因素：算法本身的非线性，极板的结构形式及相对面积，边缘效应，小量程 时静电引力，弹性体的应变极限。补偿措施：选用适合的拟合

11、方程，动极板的最大应变为初始极板间距的1/101/20,固定极板的面积是动极板面积的1/2，测量电路中和传感器并联较大电容。滞后分析影响因素：弹性体材料的非弹性效应，热处理，极板的固定方式，极板和绝缘材 料粘结用的胶及粘结工艺，密封壳的焊接，连接螺纹根部的应力。补偿措施：选择合适的弹性体处理工艺及极板固定形式，控极板和绝缘材料粘结厚度，螺纹根部应力分散，焊密封壳时除焊接部位外，其他不能与弹性体相碰。蠕变分析影响因素：弹性体的材料、热处理、形态、尺寸、极板的支承方式、密封方式。 补偿措施：优选弹性体尺寸、材料、热处理控制好，极板的安装不影响应变区， 密封壳和弹性体焊接接触面尺寸小，支承件有足够的

12、强度。零点分析影响因素：弹性体的残余应力，温度，电路参数老化，极板的固定方式，密封的 严密性。补偿措施：弹性体时效处理，增加温度传感器，优选电路元器件，极板安装避免 应力松弛引起初始间隙变化。长期稳定性分析影响因素：弹性体材料、极板的形式及安装固定方法，振荡电路元件参数的稳定 性，充气气源的纯度，工作间的净化度，密封等级。补偿措施：选用合适的弹性体材料及处理工艺，合理选用极板的结构形式及安装 固定方法，振荡电路优选各元件并采取稳频措施，严格密封。输入电阻影响因素：从传感器电容看是高阻抗，可达 104105数量级。输出电阻：影响因素：从频率输出上看是个射极输出电阻，为几十欧。绝缘电阻影响因素：与

13、定极板粘结的绝缘材料有关，大于 10G欧。二、电容式称重传感器应用于车辆称重的分析1、车辆与载荷关系载荷可以从不同的角度进行分类。(1) 根据大小、方向和作用点是否随时间变化可以分为静载荷和动载荷。其 中静载荷包括不随时间变化的恒载和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的 准静载；动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷 ？随时间作周期性变化的周期载 荷和非周期变化的随机载荷(加汽车发动机曲轴)。(2) 根据载荷分布情况可分为集巾载荷和分布载荷，其中分布载荷又可分为 体载荷、面载荷和线娥荷三种。(3) 根据栽荷对杆件变形的作用可分为轴向拉伸或压缩载荷、弯曲载荷和扭 转载荷等。影响因素通常，载荷可用计算

14、方法或实测方法求得。根据领定功率用力学公式计算出 的载荷称为额定载荷。它末考虑载荷随时间作用和分布的不均匀性以及其他零件 受力情况等因素。这些因素的综合影响常用栽荷系数作修正。 载荷系数与额定载 荷的乘积称为计算载荷。路面与动态荷载路面受力与动态荷载有关。动态荷载是车辆在行驶过程中对路面施加的荷 载。以一定速度行驶在公路路面的车辆. 由于自身的振动和路面的不平整， 其东 轮实际上足以一定的频率和振幅在路面上跳动着。作用在路面上的轴载时大时 小，近似地可以看做服从正态分布，其变差系数与行车速度、路面的平整度和车 辆的振动有关。因此，车辆一旦改装或超载，原有的悬挂系统和减振装置就难以 匹配，汽车振

15、动的变差系数增大，增加了车辆动态荷裁的峰值，从而加剧路面的 破坏。据有关超载的调查结果分析得知，对常用的沥青路面结构而言，轮胎充气压 力的影响比轮胎总重量的影响更大。 当轮压很大时，即便在轮载小于额定荷载的 场合，路面结构内的剪切应力也大于额定荷载时的应力。当轮压、轮载同时超载时，路面可能会发生一次性破坏。轮压、轮载同时超载的现象其实是很常见的。 所以，轮压超限对路面的损坏更为严重，对沥青路面来说仅限制轴载是不够的。我国载货车辆轮胎校规定对路面压强一般控制在 07MPa目前收测到的超载 车辆对路面的轮胎压强高达1. 2MPa超过飞机降落时对路面的冲击压强（10Wa） 有关研究表明，轻型车辆超载

16、对路面的破坏更应予以关注， 加轴重4t的车辆超载 至8t时.虽然没有超限，但对路面的损坏作用比轴重为lot的标准车辆还要严重。随着我国国民经济的高速发展，汽车数量越来越多，公路交通量迅速增长， 车辆的超载和爬速行驶，会使公路、桥梁遭受到严重破坏，并引发交通事故。车 辆称重系统可用于车辆超载和超速行驶的监测和管理，是交通执法的理想设备。 称重原理安装在公路上的压力传感器把车轮压过传感器的压力信息变成电压信号输 出，愿把模拟小电压经过滤波、放大，由加转换电路变成数字信号，作为采样值 送到CPUS行处理，计算出压过传感器车轮的重量，送显示器显示出检测数据， 同时将数据送入存储器中保存起来，以便作进一

17、步的处理。系统要计算的参数有 每个车轮轮鱼、每根轴轴重、车重、轴数、轴矩、车型、速度、加速度等。目前市场上称重传感器是应变式称重传感器应用比较多，应变式传感器具有四角误差小、精度较高、应用技术比较成熟等优点，但也存在着一些缺点，这些缺点电 容式称重传感器就可以为其完善。2、电路框图若车辆共有前后两根轮轴时，电路框图见图 4。前后传感器将载荷的变化转变为电容的变化 s电容测量电路将电容值转换为 电压值s单片机将传感器输山的电压值进行 A/D,转换，并将数据运算、处理后， 将绍车载荷值送给数字显示器当车辆载荷超载时，输出点火控制信号。前轴传慮器艷缘村料前轴传慮器艷缘村料测呈电路电客 测呈电路屏蔽板

18、屏蔽板电客电髀极板A/DA/D电髀极板" I图4.车辆限载装置电路框图采用电容传感器的车载式车辆载荷检测装置， 可静态也可动态地检测车辆载 荷质量，不受场所地点限制不需另加专用弹性体，结构简单屯容极板密树在 绝缘材料内，具有不变形、不磨损、不锈训、寿命长等优点。3、工作原理电容式车辆称重装置主要检测部件是车裁式电容称重传感器，其安装如图 所示。电容上极板部件中包括电容上极板和上屏蔽板， 安装在车架下部，左右居小; 电容下极板部件包括电容下极板和下屏蔽板， 安装在轮轴中部的上方，电容两极 板面相对且上下对正。屏蔽板按电容测量线路的地。车辆的每根轮轴上方均安装 一套电容传感器。在载荷作用

19、下，汽车的缓冲减振机构（钢板弹簧）产生变形，电容传感器两极 板间的距离众发生变化，传感器的电容值也随之变化。预先标定出传感器电路输 出电压值与该轮轴载荷值之间的关系，以后就可以根据各轮轴传感器电路的电压 值得到该轮轴的载荷质量。将各轮轴的哉荷质量相加，可以得到整车载荷质量。图5.车载电容称重传感器安装1车架2 电容上极板部件3.钢板弹簧4 电容下极板部件5轮轴4、电容式称重传感器的安装图5所示上极板部件安装在车架下面，下极板制 6件安装在轮轴中部的上方， 两极板上下对正。车轮的每根轮轴上方均安装一套电容传感器。安装示意图见图5。为避免车辆工作时上、下极板部件之间碰撞，安装时二者之间的距离应大于

20、 车辆缓冲减震机构（例如钢板弹簧）的最大变形量约20mm在载荷作用下，汽车的钢板弹簧产生变形，电容传感器两极板间的距离发生 变化，电容值也随之变化。二者之间有着一定的对应关系。5、车辆受力分析车辆在静止或匀速行驶时，受空车质量 Mo载荷质量（含驾驶室乘坐人 员）mL、前轮约束反力N1和后轮约束反力N2四个力作用（当车辆轮轴数为2时） 而平衡。见图6. 22。此时有：N1 十 N2=m o + mL则载荷质量他=（M +衍）一伽二 SMj 送 Nm=Me）=百肥 u式中：i车辆的轮轴数；mL 定载荷时各轮轴中部传感器的电容值所对应的 载荷质量；NLi 定载荷时各轴轮约束反力；Noi空车时各轴轮约

21、束反力;图6.车辆受力分析Nu和N。的大小与不同载荷下各轮轴的缓冲减震机构的变形有关，因此只 要预先测定出不同约束反力值时各轮轴中部传感器两极板之间的电容值，以后就可山不同裁荷时测出的传感器的电容位对应得到NLi和NOi值，然后上式计算出载荷质量。目前，我国公路部门治理车辆超载的称重设备主要是电子地磅和动态轴重检 测仪，它们的功能单一，电子地磅只能在固定工作场所进行静态测量，工作效率低；而动态轴重检测仪不能做到不停车称量，被检测车辆的车速又不能高于 5km/h，否则将会产生较大的测量误差。电容式车辆称重装置安装在被检测的车辆上，可静态也可动态地检测车辆载 荷质量，不受场所地点限制，不需另加专用

22、弹性体，结构简单。电容极板密封在 绝缘材料内，具有不变形、不磨损、不锈蚀、寿命长等优点。下面对车辆存静止 状态下、利用电容式车辆称重装置检测车辆载荷的结果进行分析。&测试方法（1）通过查询资料得到了如下测试方法测量试验在黑豹SMI010型汽车上进行。该车辆为两轴钢板弹簧结构，额定载 荷为500kg。静态试验过程中保持车辆处于水平状态，两轮分别垂直压在scs 一 2型电子数字平台秤上。以100kg砝码作为标准单位载荷，对车辆装载或卸载。通 过便携式杂散免疫电容表进行电容测量，利用笔记本电脑usB接门采集输出电压值。试验分为行程1和行程2两个行程（每行程又包括正反两个方向）j按照如下顺 序装载或卸载：行程1:正向1在车辆自由状态下（无迟滞），自空载逐渐装载，直到传感器输出y 达到满量程；反向I在正向1的基础上，逐渐卸至空载。行程2：正向2在反向1的基础上（有迟滞），自空载运渐装载，直到输出y再次达到反向2在正向2的基础上，逐渐卸至空载。在试验过程中，将载荷置于车厢适当位置，分别得到前后轮传感器有关数据， 经分析，两传感器性能类似。下面仅给出后轮传感器静态特性。（2）测试数据该传感器标称员程为800kg，在满量程范围内标定点数n = 9，循环次数i = 5 试验数据列入表1中三、总结通过以上