1、昆明理工大學自動檢測技術及儀表課程設計題目：電容式稱重傳感器的設計 學院： 專業： 年級： 姓名： 學號： 目 錄一、 電容式稱重傳感器21、工作原理2 2、組成結構3 3、測量電路原理圖4 4、性能分析6二、電容式稱重傳感器應用于車輛稱重的分析71、 車輛與載荷關系72、電路框圖83、工作原理84、電容式稱重傳感器的安裝95、車輛受力分析96、測試方法10三、總結13四、參考資料14電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器，由于這種傳感器具有結構簡單，適應性強，體積小，動態響應好，靈敏度高，分辨率高，能實現非接觸測量等特點，因而被廣泛應用于位移、加速度

2、、振動、壓力、壓差、瀕位、成分含量等檢測領域。此文就以電容式稱重傳感器來研究1、介紹了電容式稱重傳感器的結構，以及其測量電路，分析電容稱重傳感器的特性和相關參數選取，通過一系列的資料查詢所得結果表明該電容式傳感器具有很好的穩定性、重復性和無滯后性。具有一定的實用價值。通過舉車輛稱重傳感器的例子來分析闡明。2、我國道路運輸車輛超載現象極為普遍，但現有的稱重器具價格較高，安裝較為復雜，動態稱重誤差較大。居于目前車輛稱重方法的不足，通過查詢學習到了新開發了一種基于電容傳感器的車載式車輛稱重裝置。稱重裝置的測量器件是車輛電容稱重傳感器。從傳感器結構、測量系統、在車輛上的安裝、測量原理等對車輛電容稱重傳

3、感器作了闡述。討論了其靜態特性測試過程，從非線性、重復性、遲滯性等方面進行了誤差分析等操作，顯示了該電容稱重傳感器的突出優點。關鍵詞：電容式傳感器；動態響應；靈敏度；分辨率；電容式稱重傳感器；穩定性；重復性；車輛稱重一、 電容式稱重傳感器目前市場上使用的稱重傳感器大都采用應變式稱重傳感器。應變式傳感器具有四角誤差小、精度較高、應用技術比較成熟等優點。但同時也存在著突出的缺點，該傳感器工作溫度低(一般為O40)輸出信號小且為模擬信號，需經放大電路和A/D轉換電路后引人微機，成本相應增加，價格比較昂貴。以下介紹一種采用變極距電容式稱重傳感器，它具有靈敏度高、結構簡單、測量電路簡單、體積小、質量輕等

4、優點，且為數字信號輸出，可直接與微機相連，其成本遠低于應變式稱重傳感器，有著非常好的應用前景。1、工作原理電容式稱重傳感器，它是以電容作為轉換元件，把被測物的重量轉換成因極板間距變化而引起的電容變化。該變化量同樣不易直接測量。因為組成電橋要用交流電，而且牽制到幅值、相角等問題，所以經過比較，我們選定把這個變化的電容與特制的電感組成振蕩電路，使其輸出為頻率信號。電容式稱重傳感器是基于平板電容的計算為基本原理的，即式中 C 極板電容； d 極板間距； 極板間的介電常數； S 極板有效面積；經變換得選擇合適的初始間隙 ，使 1。略去高階誤差，則振蕩頻率與被測物重量P之間的關系為式中 分布電容； 初始

5、間隙；K 彈性體的應變系數。經變化，重量P與輸出頻率之間的關系為可以看出，被測物重量與輸出頻率之間有著復雜的非線性關系。由于式(9)所述函數PF(f)的單調性，使P與f之間為一一對應。通過頻率變換的測量，即可換算成被測物的重量。這里，需進行較多的數據處理，井找出能滿足精度要求的擬合直線方程。2、組成結構電容傳感器上極板部件和下極板部件組成(圖1)，上極板部件的絕緣體內密封有上屏蔽板和電容上極板，下極板部件的絕緣體內密封有電容下極板和下屏蔽板。電容極板引線采用屏蔽線，屏蔽層兩端分別接屏蔽板和電容測量線路的地。為了避免下極板部件的上表面過多積聚污物而影響傳感器的電容值，其上表面做成球面。 圖1.電

6、容傳感器結構電容式稱重傳感器是由彈性的一個面作為動極板面，而在固定一個極板作為定極板面，兩者組成一平板電容。這個電容同一個特別的電感線圈構成一個LC振蕩電路。其組成有彈性體、極板組件、機芯板、引線。其結構也隨彈性體結構而變。本廠采用扁平型彈性體，靈敏度、過載能力高，抗側向力強，而且易組成平板電容。3、測量電路原理圖對電容傳感器來說它的等效電路如下圖所示。圖中Rp為并聯損耗電阻，在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，影響減弱；Rs代表串聯損耗，有引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗：電感L是由電容器本身的電感和外部引線電感組成；C為傳感器本身電容和引線電纜、測量電路及極板與外界所形成的寄

7、生電容之和。 電容傳感器的工作頻率一般較高(但不高于諧振頻率)，此時可以忽略Rp、Rs的影響，則有效電容Ce可由式求得 上式表明，電容式傳感器的等效電容值與傳感器的固有電感L及角頻率w有關，因此，在實際使用時必須與標定的條件相同。電容傳感器的等效電路圖如下圖2 圖2.電容傳感器的等效電路圖測量電路不易測量的電容的變化量可轉換成易于測量的頻率信號的變化量。圖3就是該測量電路 ，它實 現了電容到頻率的轉換。 圖3.電容-頻率轉換電路 該電路簡單，體積可做得很小，可與極板做在一起，減少了分布電容的影響。該電路具體分析如下：(IC1為運放，起積分作用，IC2、IC3為比較器)設B、C兩點電壓分別為V1

8、和V0則A點電壓為 設IC2、IC3的同相端的電壓為V+，則當Va=V+時，比較器輸出翻轉。假定在t=0時輸出最小電壓 ，由于 < V+，它將通過R1使電容器C向上積分，V1上升，當V1達到 =V+時，比較器輸出電壓改變為V 。此時V 變為此時它將通過R1使電容器c向下積分，V 1下降，當V，1達到V1max =V+時，比較器輸出電壓改變為 。此時V 變為如此循環構成振蕩，因為由以上式子可以得到 振蕩周期為此電路電容一額率的轉換關系為式中 k為比例系數。此式說明，正比于d，同時d又正比于m，所以通過檢測輸出頻率的頻差就可計算出所稱物體的質量。該測量電路經實驗證明具有較高的穩定性和重復性，

9、又能抗外來電磁場的干擾，受溫度、濕度等影響比較小。4、性能分析誤差分析影響因素：彈性體材料，極板支承結構及連接件的材料，極板面的平面度，電容的絕緣介電常數，分布電容，振蕩電路各元件參數，介質的純度，漏電損耗和介質損耗，振蕩頻率的精度。補償措施：材料的合理工藝處理，極板面的特殊處理，極板厚度和面積的優選，全金屬密封，充氯，振蕩電路各元件參數的嚴格篩選。靈敏度分析影響因素：計算公式 ,式中 初始極板間隙；A極板有效面積； 介質介電常數。初始極距，極板有效面積。補償措施：盡量減小分布電容，選擇適合的初始間隙及極板有效面積。線性分析影響因素：算法本身的非線性，極板的結構形式及相對面積，邊緣效應，小量程

10、時靜電引力，彈性體的應變極限。補償措施：選用適合的擬合方程，動極板的最大應變為初始極板間距的1/101/20,固定極板的面積是動極板面積的1/2，測量電路中和傳感器并聯較大電容。滯后分析影響因素：彈性體材料的非彈性效應，熱處理，極板的固定方式，極板和絕緣材料粘結用的膠及粘結工藝，密封殼的焊接，連接螺紋根部的應力。補償措施：選擇合適的彈性體處理工藝及極板固定形式，控極板和絕緣材料粘結厚度，螺紋根部應力分散，焊密封殼時除焊接部位外，其他不能與彈性體相碰。蠕變分析影響因素：彈性體的材料、熱處理、形態、尺寸、極板的支承方式、密封方式。補償措施：優選彈性體尺寸、材料、熱處理控制好，極板的安裝不影響應變區

11、，密封殼和彈性體焊接接觸面尺寸小，支承件有足夠的強度。零點分析影響因素：彈性體的殘余應力，溫度，電路參數老化，極板的固定方式，密封的嚴密性。補償措施：彈性體時效處理，增加溫度傳感器，優選電路元器件，極板安裝避免應力松弛引起初始間隙變化。長期穩定性分析影響因素：彈性體材料、極板的形式及安裝固定方法，振蕩電路元件參數的穩定性，充氣氣源的純度，工作間的凈化度，密封等級。補償措施：選用合適的彈性體材料及處理工藝，合理選用極板的結構形式及安裝固定方法，振蕩電路優選各元件并采取穩頻措施，嚴格密封。輸入電阻影響因素：從傳感器電容看是高阻抗，可達104105數量級。輸出電阻：影響因素：從頻率輸出上看是個射極輸

12、出電阻，為幾十歐。絕緣電阻影響因素：與定極板粘結的絕緣材料有關，大于10G歐。二、 電容式稱重傳感器應用于車輛稱重的分析 1、 車輛與載荷關系 載荷可以從不同的角度進行分類。 (1)根據大小、方向和作用點是否隨時間變化可以分為靜載荷和動載荷。其中靜載荷包括不隨時間變化的恒載和加載變化緩慢以至可以略去慣性力作用的準靜載；動載荷包括短時間快速作用的沖擊載荷?隨時間作周期性變化的周期載荷和非周期變化的隨機載荷(加汽車發動機曲軸)。(2)根據載荷分布情況可分為集巾載荷和分布載荷，其中分布載荷又可分為體載荷、面載荷和線娥荷三種。(3)根據栽荷對桿件變形的作用可分為軸向拉伸或壓縮載荷、彎曲載荷和扭轉載荷等

13、。影響因素 通常，載荷可用計算方法或實測方法求得。根據領定功率用力學公式計算出的載荷稱為額定載荷。它末考慮載荷隨時間作用和分布的不均勻性以及其他零件受力情況等因素。這些因素的綜合影響常用栽荷系數作修正。載荷系數與額定載荷的乘積稱為計算載荷。 路面與動態荷載路面受力與動態荷載有關。動態荷載是車輛在行駛過程中對路面施加的荷載。以一定速度行駛在公路路面的車輛由于自身的振動和路面的不平整，其東輪實際上足以一定的頻率和振幅在路面上跳動著。作用在路面上的軸載時大時小，近似地可以看做服從正態分布，其變差系數與行車速度、路面的平整度和車輛的振動有關。因此，車輛一旦改裝或超載，原有的懸掛系統和減振裝置就難以匹配

14、，汽車振動的變差系數增大，增加了車輛動態荷裁的峰值，從而加劇路面的破壞。 據有關超載的調查結果分析得知，對常用的瀝青路面結構而言，輪胎充氣壓力的影響比輪胎總重量的影響更大。當輪壓很大時，即便在輪載小于額定荷載的場合，路面結構內的剪切應力也大于額定荷載時的應力。當輪壓、輪載同時超載時，路面可能會發生一次性破壞。輪壓、輪載同時超載的現象其實是很常見的。所以，輪壓超限對路面的損壞更為嚴重，對瀝青路面來說僅限制軸載是不夠的。我國載貨車輛輪胎校規定對路面壓強一般控制在o7MPao目前收測到的超載車輛對路面的輪胎壓強高達12MPa超過飛機降落時對路面的沖擊壓強(10Wa)。有關研究表明，輕型車輛超載對路面

15、的破壞更應予以關注，加軸重4t的車輛超載至8t時雖然沒有超限，但對路面的損壞作用比軸重為lot的標準車輛還要嚴重。隨著我國國民經濟的高速發展，汽車數量越來越多，公路交通量迅速增長，車輛的超載和爬速行駛，會使公路、橋梁遭受到嚴重破壞，并引發交通事故。車輛稱重系統可用于車輛超載和超速行駛的監測和管理，是交通執法的理想設備。稱重原理 安裝在公路上的壓力傳感器把車輪壓過傳感器的壓力信息變成電壓信號輸出，愿把模擬小電壓經過濾波、放大，由加轉換電路變成數字信號，作為采樣值送到CPU進行處理，計算出壓過傳感器車輪的重量，送顯示器顯示出檢測數據，同時將數據送入存儲器中保存起來，以便作進一步的處理。系統要計算的

16、參數有每個車輪輪魚、每根軸軸重、車重、軸數、軸矩、車型、速度、加速度等。 目前市場上稱重傳感器是應變式稱重傳感器應用比較多，應變式傳感器具有四角誤差小、精度較高、應用技術比較成熟等優點，但也存在著一些缺點，這些缺點電容式稱重傳感器就可以為其完善。2、電路框圖 若車輛共有前后兩根輪軸時，電路框圖見圖4。 前后傳感器將載荷的變化轉變為電容的變化s電容測量電路將電容值轉換為電壓值s單片機將傳感器輸山的電壓值進行A/D, 轉換，并將數據運算、處理后，將紹車載荷值送給數字顯示器當車輛載荷超載時，輸出點火控制信號。 圖4.車輛限載裝置電路框圖 采用電容傳感器的車載式車輛載荷檢測裝置，可靜態也可動態地檢測車

17、輛載荷質量，不受場所地點限制不需另加專用彈性體，結構簡單屯容極板密樹在絕緣材料內，具有不變形、不磨損、不銹訓、壽命長等優點。3、工作原理 電容式車輛稱重裝置主要檢測部件是車裁式電容稱重傳感器，其安裝如圖5所示。電容上極板部件中包括電容上極板和上屏蔽板，安裝在車架下部，左右居小；電容下極板部件包括電容下極板和下屏蔽板，安裝在輪軸中部的上方，電容兩極板面相對且上下對正。屏蔽板按電容測量線路的地。車輛的每根輪軸上方均安裝一套電容傳感器。在載荷作用下，汽車的緩沖減振機構(鋼板彈簧)產生變形，電容傳感器兩極板間的距離眾發生變化，傳感器的電容值也隨之變化。預先標定出傳感器電路輸出電壓值與該輪軸載荷值之間的

18、關系，以后就可以根據各輪軸傳感器電路的電壓值得到該輪軸的載荷質量。將各輪軸的哉荷質量相加，可以得到整車載荷質量。 圖5.車載電容稱重傳感器安裝 1車架 2電容上極板部件 3.鋼板彈簧 4電容下極板部件 5輪軸4、電容式稱重傳感器的安裝圖5所示上極板部件安裝在車架下面，下極板制6件安裝在輪軸中部的上方，兩極板上下對正。車輪的每根輪軸上方均安裝一套電容傳感器。安裝示意圖見圖5。為避免車輛工作時上、下極板部件之間碰撞，安裝時二者之間的距離應大于車輛緩沖減震機構(例如鋼板彈簧)的最大變形量約20mm。在載荷作用下，汽車的鋼板彈簧產生變形，電容傳感器兩極板間的距離發生變化，電容值也隨之變化。二者之間有著

19、一定的對應關系。5、車輛受力分析 車輛在靜止或勻速行駛時，受空車質量Mo、載荷質量(含駕駛室乘坐人員) 、前輪約束反力N1和后輪約束反力N2四個力作用(當車輛輪軸數為2時)而平衡。見圖622。 此時有： N1十N2= + 則載荷質量式中：i車輛的輪軸數； 定載荷時各輪軸中部傳感器的電容值所對應的載荷質量； 定載荷時各軸輪約束反力； 空車時各軸輪約束反力； 圖6.車輛受力分析 和 的大小與不同載荷下各輪軸的緩沖減震機構的變形有關，因此只要預先測定出不同約束反力值時各輪軸中部傳感器兩極板之間的電容值，以后就可山不同裁荷時測出的傳感器的電容位對應得到 和 值，然后上式計算出載荷質量。 目前，我國公路

20、部門治理車輛超載的稱重設備主要是電子地磅和動態軸重檢測儀，它們的功能單一，電子地磅只能在固定工作場所進行靜態測量，工作效率低；而動態軸重檢測儀不能做到不停車稱量，被檢測車輛的車速又不能高于5km/h，否則將會產生較大的測量誤差。電容式車輛稱重裝置安裝在被檢測的車輛上，可靜態也可動態地檢測車輛載荷質量，不受場所地點限制，不需另加專用彈性體，結構簡單。電容極板密封在絕緣材料內，具有不變形、不磨損、不銹蝕、壽命長等優點。下面對車輛存靜止狀態下、利用電容式車輛稱重裝置檢測車輛載荷的結果進行分析。6、測試方法（1）通過查詢資料得到了如下測試方法 測量試驗在黑豹SMl010型汽車上進行。該車輛為兩軸鋼板彈

21、簧結構，額定載荷為500kg。靜態試驗過程中保持車輛處于水平狀態，兩輪分別垂直壓在scs一2型電子數字平臺秤上。以100kg砝碼作為標準單位載荷，對車輛裝載或卸載。通過便攜式雜散免疫電容表進行電容測量，利用筆記本電腦usB接門采集輸出電壓值。試驗分為行程1和行程2兩個行程(每行程又包括正反兩個方向)j按照如下順序裝載或卸載：行程1：正向1在車輛自由狀態下(無遲滯)，自空載逐漸裝載，直到傳感器輸出y達到滿量程；反向l在正向1的基礎上，逐漸卸至空載。行程2：正向2一在反向1的基礎上(有遲滯)，自空載運漸裝載，直到輸出y再次達到滿量程；反向2一在正向2的基礎上，逐漸卸至空載。在試驗過程中，將載荷置于車廂適當位置，分別得到前后輪傳感器有關數據，經分析，兩傳感器性能類似。下面僅給出后輪傳感器靜態特性。（2）測試數據該傳感器標稱員程為800kg，在滿量程范圍內標定點數n9，循環次數i5。試驗數據列入表1中三、總結通過以上學習，我們可以看出電容式車輛稱重裝置具有機械結構簡單、測量電路簡單、抗干