一种压电薄膜轴动态称重系统数据采集方法的介绍

　　1 引言

　　目前国内动态称重传感器应用较多的弯板( Bending plate) 传感器, 该技术在国内外使用已很成熟。我们立项研究的压电薄膜轴动态称重系统,和弯板相比, 路面开挖量小, 维护工作量少, 有它独特的优势, 国内应用较少。压电薄膜轴属于压电电缆类型的动态称重传感器, 另一种压电电缆类型的动态称重传感器是瑞士 Kistler 公司动态称重传感器 LINEAS, 和后者相比, 压电薄膜轴的价格更为低廉, 而且可按照用户要求制作成不同长度, 有较好的市场前景。

　　经过一段时间的准备和研究, 我们利用公路路面上临时铺设的一条压电薄膜轴和设计的数据采集处理系统, 进行了第一个路面试验, 试验目的旨在: 1) 观察信号的波形、大小, 检验采集系统的性能; 2) 检验动态称重的关键理论: 车轮压过压电薄膜轴时信号的积分面积 A 和车辆的速度 V 之积, 在一定误差范围内, 统计分布如何, 是否恒定为常数 S[2]。

　　本系统大体由硬件部分和软件部分组成。

　　2 硬件部分

　　在车轮压力作用的冲击下, 压电薄膜轴中被挤出的电荷, 经电荷放大模块放大转换后, 转换成常见的电压信号。该电压信号经 ADC0809 转换进入单片机 AT89C51, 再串行发送至计算机, 由主机进一步处理。系统流程框图如下:

　　这个采集系统的大部分模块和其它数据采集系统基本相同, 其中不常用到的是电荷放大模块。市场上常见的电荷放大器, 价格较贵, 功能过多, 不符合本系统实现简单电荷放大的要求。为此我们在电路设计部分, 重点对电荷放大模块进行了研究。

　　根据压电元件的工作原理, 与压电元件配套的放大测量电路也有两种形式: 一种是电荷放大器, 其输出电压与输入电荷成正比; 另一种是电压放大器,其输出电压与输入电压( 压电元件的输出电压) 成正比。下边分别介绍:

　　2.1 电荷放大器

　　2.2 电压( 高阻) 放大器

　　其中 CS为压电元件的电容( 压电元件的漏电阻很大, 其电导可忽略不计) , Ri和 Ci分别为放大器的输入电阻和输入电容, Rf和 Cf分别为放大器的反馈电阻和反馈电容, Ce为连接电缆分布电容, Ci=CS+Ce+Ci, d 为压电常数, F 为施加到压电薄膜轴上的力。由上面的计算可看出, 电荷放大器的输出与传感器和电缆电容无关, 但须视增益附加增益放大; 电压( 高阻) 放大器的输出与传感器和电缆电容有关, 增益与时间常数独立可调。由于电荷放大器与传感器和电缆电容无关, 便于远距离测量, 本设计选用电荷放大器。电荷放大器在非理想情况下简化成如下模型: