差動式電容傳感器的車輛載荷檢測系統的工作原理

隨著公路運輸業和商業貿易的不斷發展，車輛載荷檢測技術已成為測量領域研究的重點。目前比較常用的車輛動態載荷檢測傳感器主要有彎板、壓電軸、單傳感器、車載電容傳感器及光纖傳感器。這些載荷檢測傳感器多適用于固定式安裝，對路面情況要求較高，即使一些便攜式車輛載荷檢測傳感器也因為重量過重、體積過大的缺點無法真正實現便攜測量。同時，一些傳感器測量技術過于復雜，傳感器價格過于昂貴。因此，為了減小安裝和維護成本，提高車輛動態載荷檢測系統的便攜性，現在大多采用電容式車輛載荷檢測系統，該系統中載荷檢測傳感器采用差動式結構，大大提高了測量的靈敏度和非線性。這種載荷檢測系統結構簡單，成本低廉，安裝方便，差動式電容載荷傳感器抗干擾能力強、動態響應好、測量范圍寬、靈敏度高、穩定性能好。

車輛載荷檢測裝置為便攜式，使用時鋪設在路面上。手持裝置為測量系統控制單元，通過無線通信方式對檢測裝置發出指令和接收數據。載荷檢測傳感器采用差動式電容載荷傳感器，傳感器將載荷的變化轉變為電容值的變化。電容測量電路采用獨特的差動脈沖寬度調制集成電路，將來自于差動式電容載荷傳感器的極其微弱的電容信號采集出來，并轉化成易于檢測的電壓信號。為了減少線路鋪設的麻煩，增加工作人員的安全性，檢測系統的數據通信采用無線通信裝置。

差動式電容載荷傳感器主要由測量頭、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：測量范圍寬;靈敏度高，便于拾取信號;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。

傳感器的測量頭和殼體為間隙配合，兩者之間可相對滑動，并有定位螺釘定位測量頭的初始位置，定位螺釘同時也起到測量頭滑動時的定向作用，還可使施力物體保持相對穩定。測量頭由敏感元件(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)位于測量頭和殼體之間，起感受外力并按一定關系轉化為機械位移量的作用。動、定極柱為中空圓柱型，其表面鍍有電極。動極柱與測量頭粘接為一體，隨測量頭一起滑動。定極柱與殼體粘接為一體，相對固定不動。在動、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，敏感元件是彈性系數為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。只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。

差動式電容載荷傳感器是將被測載荷的變化轉換為電容量的變化輸出，而電容傳感器所產生的電容量很微小，電容極板引線與地之間產生的雜散電容往往大于被測電容。因此小電容轉換測量技術一直被人們所重視。然而，一般的檢測電路結構比較復雜，精確度較低，不能滿足測量要求。為了提高測量的靈敏度，針對差動式電容載荷傳感器，在基于四相檢測技術的電荷轉移式電容檢測電路的基礎上，設計采用了差動脈沖寬度調制 集成測量電路，該電路具有集成度高、實現了電容傳感器頭有源化、輸出脈沖方波、省去高頻激勵信號源、功耗低、抗干擾能力強、分辨率高等特點，尤其適合差動式電容傳感器的測量。