固体摆电容倾角传感及车辆半主动悬架控制设计.doc

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1、本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：固体摆电容倾角传感及车辆半主动悬架控制设计学 院： 电气工程学院 专 业：测控技术与仪器 班 级： 091 学 号： 学生姓名： 指导教师: 2013年 6 月 26 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 目 录摘要.5Abstract.6第一章 绪论51.1 设计的研究目的和意义51.2 设计的国内外现状和发展趋势5第二章 传感器及悬架系统72.1

2、 传感器72.1.1 传感器定义72.1.2 传感器原理72.1.3 传感器分类72.1.4 传感器的特性72.2悬架系统112.2.1 悬架系统简述112.2.2 现在悬架系统的分类132.2.3 悬架控制系统的分类132.3本论要研究的内容15第三章 固体摆电容倾角传感器设计163.1差动电容变面积传感器工作原理163.2传感器结构设计原理173.3 对电容传感器产生影响的处理193.3.1 电容电场的边缘效应193.3.2 寄生和分布电容的影响193.4 传感器信号调理193.4.1 CAV424简介203.4.2 CAV424的检测原理203.5系统硬件设计233.5.1 放大电路的设

3、计233.5.2 采用ADC0809芯片做模数转换243.5.3 AT89C51芯片263.5.4 显示电路273.6 软件设计283.6.1 A/D转换程序283.6.2 滑动平均滤波设计303.6.3 标度变换程序设计333.6.4 显示程序343.6.5 半主动悬架控制程序36第四章 总结与展望394.1 总结394.2 展望40致谢40参考文献40固体摆电容倾角传感及车辆半主动悬架控制设计摘 要 伴随着社会科技的进步带动了人们对物质品质的高要求，人们对汽车的要求越来越高，这也是科技的创新时代进步的表现之一。本设计中主要描述了差动式固体摆电容倾角传感器的结构和工作原理、单片机AT89C5

4、1与A/D和显示接口电路，为了倾角传感器和半主动悬架的选择，还简述传感器和悬架系统的基本知识。为了满足人们的需要和实现设计要求，设计中采用了结构简单、动态响应好及灵敏度高的差动式固体摆电容倾角传感器对车辆悬架倾斜度进行检测，传感器中电容的变化量经芯片CAV424、放大、AD转换进入单片机AT89C51分析处理，用单片机分析处理的信号去控制悬架系统中的减震器的软硬度，从而改善车辆的前倾和后蹲的程度，提高车辆加速和制动性能，增强车辆舒适性。关键词：固体摆电容倾角传感器、单片机AT89C51、CAV424、半主动悬架控制 Solid pendulum Angle sensor design and

5、type semi-active suspension control design ABSTRACTAlong with the progress of social science and technolgy driven people to the physical quality of high demand, people are increasingly demanding for cars, this a-lso is the innovation of science and technology progress into one of the reasons。This pa

6、per mainly describes the differential solid pendulum capacitance Angle sens-or structure and working principle and single-chip microcomputer ，AT89C51 and A/D and display interface circuit，in order to tilt sensors and semi-active suspensio-n choice, also describes the sensor and the basic knowledge o

7、f the suspension sys-tem。In order to satisfy peoples needs and realize the design requirements，design is adopted in simple structure, dynamic response and high sensitivity of differentia-l solid to tilt sensors placed capacitance vehicle suspension tilt testing，The variati-on of capacitance sensor i

8、n the chip CAV424, amplification, AD transforming-into the single-chip microcomputer AT89C51 analysis，then the signal analysis and processing with single-chip microcomputer to control the suspension system of sh-ock absorber hardness，consequently，improve vehicle tilted forward and squatted a-fter，im

9、prove vehicle acceleration and braking performance，enhance vehicle comf-ort.Keywords：Solid pendulum capacitance Angle sensor、Single-chip microcomputer AT89C51、CAV424、Semi-active suspension control. 第一章 绪论1.1 设计的目的和意义设计出固体摆电容倾角传感器，其具有明显的摆心结构、强的适应性、好的动态响应、高的分辨率等特点，并用单片机采集、分析固体摆电容倾角传感器输出的数据，使得固体摆电容倾角传感

10、器能实时的反应车辆的行驶状况和及时的调节半主动悬架的调节器，最终让车辆适应路面状况。其中，半主动悬架控制的目的有两个方面，一方面是是使车辆能适应较差的行驶路况，另一方面是让驾乘人员有良好的、舒适的环境。通过对此次的设计，锻炼出克服困难的毅力，培养独立动手动脑能力，培育出良好的生活态度。同时让车辆有更好更强的适应能力，也让车辆有较好的操作安全性。1.2 设计的国内外现状和发展趋势20世纪以来传感技术得到了高速的发展，近几十年来我国与发达国家的差距越来越小，据不完全统计，我国敏感元件及传感器产品已有6000种，生产厂家已超1500家，年生产能力已上几十亿。我国为了不失去国内电子信息产品市场并争国际

11、市场，正在加速发展信息科学技术和信息产业。传感器主要有以下四点发展趋势：1、研究新型敏感材料。2、提高微细加工技术。3、开发智能化传感器。4、网络化传感器。1973年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主动悬架的概念。基本原理是：用可调刚度弹簧或可调阻尼的减振器(VibrationDamper)组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈输出信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器(VibrationDamper)的阻尼，来达到较好的减振效果，半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调

12、半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架，有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。汽车悬架控制系统的研究与开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题，开发具有安全、舒适和清洁高效、节能、智能控制的悬架是车辆悬架系统发展的方向。(1)控制策略的研究。半主动悬架系统的控制几乎涉及了所有的现代控制理论和方法，因为每种控制方法都有其自身的优缺点，因此，综合应用多种控制方法是半主动悬架控制发展的趋势。(2)控制器的研究。智能化控制器能够根据路况和汽车振动等信息，自动地调节悬架系统的参数，使汽车具有良好行驶平顺性和稳定性。

13、(3)可控减振器的研制。研究与开发可靠的电流变和磁流变可控减振器。开发低成本和高可靠性的传感器，以及高性能微处理器是半主动悬架实用化的前题。目前，磁流变液尽管已进入商业化阶段，但减振器的使用还存如噪声、耐久性、稳定性等问题，还需要进一步深入研究。第二章 传感器及悬架系统2.1 传感器2.1.1 传感器定义 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显

14、示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 “传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。 根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器Transducer”来称谓“传感器Sensor”。 2.1.2 传感器原理 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。2.1.3 传感

15、器分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。2.1.4 传感器的特性一、传感器静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 （1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为

16、在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 （2）灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。 （3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 （4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 （5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移

17、的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 二、传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化的时候，它输出的特性。实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 三、传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近

18、似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 四、 传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。 它是输出与输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/

19、mm。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。 五、传感器的分辨率分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感

20、器的稳定性有负相关性。 六、倾角传感器的简介 倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。（1） 固体摆式惯性器件：固体摆在设计中广

21、泛采用力平衡式伺服系统，其由摆锤、摆线、支架组成。在小角度范围内测量时，可以认为摆锤受力F与摆线与垂直线构成的角度成线性关系。如应变式倾角传感器就基于此原理。（2） 液体摆式惯性器件： 液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等。当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。若液体摆水平时，则RI=RIII。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。左边电极浸入深度小，

22、则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII 减少，即RIRIII。反之，若倾斜方向相反，则RIRIII。 在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。（3） 气体摆式惯性器件：气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体

23、受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度或加速度的函数，因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。 就基于固体摆、液体摆及气体摆原理研制的倾角传感器而言，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要求。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。在实用中产品类型较多如电

24、磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高，在武器系统中应用也较为广泛。 液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定，在高精度系统中，应用较为广泛，且国内外产品多为此类。2.2悬架系统悬架系统是保证乘坐舒适性的重要部件，又是保证汽车平顺行驶的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。 汽车车架（或车身）若直接安装于车桥（或车轮）上，由于道路不平，由于地面冲击使货物和人会感到十分不舒服，这是因为没有悬架装置的原因。汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。它的作用是弹性地连接车桥和车架（或车身），缓和行驶中车辆受到的冲击力。

25、由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；保证货物完好和人员舒适；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所造成的力矩作用到车架（或车身）上，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。2.2.1 悬架系统简述悬架结构形式和性能参数的选择是否合理，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在汽车上是重要的组成之一。 悬架系统的组成和影响因素：一般悬架由弹性元件、导向机构、减振器和横向稳定杆组成。弹性元件用来

26、承受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。弹性元件种类包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。减振器用来衰减由于弹性系统引起的振动，减振器的类型有筒式减振器，阻力可调式新式减振器，充气式减振器。导向机构用来传递车轮与车身间的力和力矩，同时保持车轮按一定运动轨迹相对车身跳动，通常导向机构由控制摆臂式杆件组成。种类有单杆式或多连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，可不另设导向机构，它本身兼起导向作用。有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设横向稳定杆，目的是提高横向刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性

27、。汽车的固有频率是衡量汽车平顺性的重要参数，它由悬架刚度和悬架弹簧支承的质量（簧载质量）所决定。人体所习惯的垂直振动频率约为11.6Hz。车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频率范围，才能满足舒适性要求。固有频率按下式计算：C(=Mg/f)g-重力加速度； f-悬架垂直变形（挠度） M-悬架簧载质量。悬架刚度是指悬架产生单位垂直压缩变形所需加于悬架上的垂直载荷。从固有频率公式可以看出，在悬架垂直载荷一定时，悬架刚度越小，固有频率就越低，但悬架刚度越小，载荷一定时悬架垂直变形就越大。这样若无有足够大的限位行程，就会使撞击限位块的概率增加。若固有频率选取过低，很可能会出现制动点头角，转弯侧货角

28、，空载和满载车身高度变化过大。一般货车固有频率是1.52Hz，旅行客车1.21.8Hz，高级轿车11.3Hz。另外，当悬架刚度一定时，簧载质量越大，悬架垂直变形也愈大，而固有频率越低。空车时的固有频率要比满载时的高。簧载质量变化范围大，固有频率变化范围也大。为了使空载和满载固有频率保持一定或很小变化，需要把悬架刚度做成可变或可调的。影响汽车平顺性的另一个悬架指标是簧载质量。簧载质量分为簧上质量与簧下质量两部分，由弹性元件承载的部分质量，如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷属于簧上质量。车轮、非独立悬架的车轴等属于簧载质量，也叫非簧载质量M。如果减小非簧载质量可使车身振动频率降低，而车轮振

29、动频率升高，这对减少共振，改善汽车的平顺性是有利的。非簧载质量对平顺性的影响，常用非簧载质量和簧载质量之比m/M进行评价，此比值越小越佳。影响汽车平顺性的另一重要指标是阻尼比，值取大，能使振动迅速衰减，但会把路面较大的冲击传递到车身，值取小，振动衰减慢，受冲击后振动持续时间长，使乘客感到不舒服。为充分发挥弹簧在压缩行程中作用，常把压缩行程的阻尼比设计得比伸张小。悬架的侧倾角刚度及前后匹配是影响汽车操纵稳定性的重要参数。当汽车受侧向力作用发生车身侧倾，若侧倾角过大，乘客会感到不安全，不舒适，如侧倾角过小，车身受到横向冲击较大，乘客也会感到不适，司机路感不好。所以，整车侧倾角刚度应满足：当车身受到

30、0.4g侧向加速度时，其侧倾角在2.54范围内，汽车有一定不足转向特性，前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度。一般前悬架侧倾角刚度与后悬架侧倾角刚度比应在1.42.6范围内，如前后悬架本身不能满足上述要求，可在前后悬架中加装横向稳定杆，提高汽车操纵稳定性。2.2.2 现在悬架系统的分类悬挂系统可以分为两大主要类型:非独立式和独立式。独立式悬挂分为双叉臂式和麦佛逊支柱式。双叉臂悬挂有以下特性:1、设定几何形状时可获得较大的自由度，精确的设定可以提高驾驶舒适性，转向性能以及其它性能。 2、悬挂可以支承非垂直外力，从面减少减振器的摩擦力，确保减振器达到最佳的工作状态。 3、悬挂的纵向尺寸可以减小。

31、 4、转向时，车轮外倾稍微减少，因此，轮胎与地面的接触面更大，确保运动能够得到有效地传递。麦佛逊支柱式悬挂的特性：1、零件少，总成的质量轻，总成安装简单，更加便于保养。 2、弹簧质量减少。 3、几何形状的设定自由度较小，并产生相对较大的车轮外倾磨损。 4、总成的垂直尺寸较大。 5、减振器总成可以支承非垂直外力，从面减小减振器摩擦力的传送。2.2.3 悬架控制系统的分类 悬架依据其可控性可以分为不可控的被动悬架和可控的智能悬架两大类。在多变环境或性能要求高且影响因素复杂的情况下，被动悬架难以满足期望的性能要求；而智能悬架能够对行驶路面、汽车的工况和载荷等状况进行监测，进而控制悬架本身特性及工作状

32、态，使汽车的整体行驶性能达到最佳。智能悬架中主动、半主动悬架在近年来得到了迅速发展，较好地解决了安全性和舒适性这一对矛盾，将其缓和至相对较低。一、主动悬架主动悬架是一个动力驱动系统，包括测量系统、反馈控制中心、能量源和执行器四个部分。其原理是测量系统通过传感器获得车辆振动信息，传递给控制中心进行处理，进而由控制中心发出指令给能量源产生控制力，再由执行器进行控制，衰减悬架的振动。由于主动悬架结构复杂，成本高，需要很大的能量消耗，它的发展受到了一定的制约，只在少数高级轿车中有所应用。主动悬架是近十几年发展起来的，由电脑控制的一种新型悬架，具备三个条件：（1）具有能够产生作用力的动力源；（2）执行元

33、件能够传递这种作用力并能连续工作；（3）具有多种将有关数据集中到微电脑进行运算并决定控制方式。因此，主动悬架汇集了力学和电子学的技术知识，是一种比较复杂的高技术装置。图1.1为主动悬架的原理图，其中F代表力发生器。 图1.1 主动悬架原理图二、半主动悬架 半主动悬架具有结构简单、成本较低、基本不需要消耗能量等优点，而对振动的控制效果在一定程度上却可以接近主动悬架，远远优于被动悬架，因而越来越受到业界的重视，得到了飞速发展。半主动悬架与主动悬架结构相似，只是半主动悬架用可调刚度的弹性元件或是可调阻尼的减振器代替主动悬架的力发生器。图1.2的半主动悬架系统中，一个连续可调的阻尼器与一个传统的普通弹

34、簧并联，需要假定系统中的阻尼器能够完全独立于悬架的相对运动，且能根据力控制信号做出反应。图1.2 半主动原理图2.3主要研究的内容本章主要介绍了本课题国内外的现状和发展趋势，还简述了传感器和悬架系统的基本知识，这是为了很好的确定传感器种类选择和悬架控制系统。本设计中，传感器选择了固体摆电容倾角传感器，原因是电容原理的传感器具有结构简单、携带方便、精度高、灵敏度高、动态响应好、抗过载能力大，对温度、辐射和振动等恶劣条件适应性强等一系列优点；主要论述了传感器的工作原理、结构、信号调理电路。悬架控制系统选择了半主动悬架控制，原因是半主动悬架与主动悬架相比具有结构简单、成本较低、基本不需要消耗能量等优

35、点，而对振动的控制效果在一定程度上却可以接近主动悬架，远远优于被动悬架。总的来说要完成以下几点： （1）设计出分辨率为1度，测量范围正负15度的固体摆电容倾角传感器，主要研究其结构原理和信号调理。 （2）怎样实现传感器的温度补偿、调理电路的参数选择。 （3）如何使用单片机对传感器输出数据分析处理及显示。 （4）单片机软件程序设计。第二章 固体摆电容倾角传感器设计系统总体设计方案：利用德国AMG公司生产的CAV424集成芯片处理固体摆电容倾角传感器输出的微弱信号，并使CAV424输出的电压信号与倾角传感器测出的倾角变化成线性关系，CAV424输出信号经放大器和A/D转换后输入AT89C51再送去

36、显示和控制悬架减震器的软硬度。CAV424CAV424 运 算 放 大 器 微处 理 器显示控制悬架调节器差动电容电容/电压信号转换电路图2.1：系统框图3.1差动电容变面积传感器工作原理为了提高传感器的灵敏度和线性度，其结构设计成变面积差动传感器。基本工作原理如图2.2：123x轴 图2.2 变面积电容传感器工作原理极板1平行极板2、3，极板1和极板2产生的电容为C，极板1和极板3产生的电容为C，当极板1向x轴右移动时，极板1、3间的相对覆盖面积发生变化，即增加A,同时极板1和极板2之间的覆盖面积减小A，因此极板1和极板2、3产生的电容发生了变化，即一个减小，另一个增加，这样就构成了变面积差

37、动电容传感器的工作原理。假设极板之间只有空气一种介质，则：C=（A-A） C (1)C=（A+A） C （2）上式中C为极板1和极板2产生的电容量；C为极板1和极板3产生的电容量；A为原来极板1和极板2、3的正对面积；A为极板1和极板2、3发生变化的面积变化量；为空气电介常数；d为两极板之间的距离。由上式可以算出极板1移动前后的电容发生变化量：C= C-C=（A+A）（A-A）=2A C （3）其灵敏度K=2 (4)据此，如果忽略极板间有一种以上的介质，而只有空气，则与两平行极板间电容灵敏度相比，可以确定差动式电容变面积传感器比非差动式电容变面积传感器，其灵敏度提高了一倍；另一个特点是变面积电

38、容传感器有良好的线性度。3.2传感器结构设计原理 电容原理的传感器具有结构简单、携带方便、精度高、灵敏度高、动态响应好、抗过载能力大，对温度、辐射和振动等恶劣条件适应性强等一系列优点，而这些特点正适合倾角传感器的使用特性技术特性。因此把倾角传感器的敏感元件设计成差动电容变面积原理，可以将被测的倾斜角度的变化转换为电容量变化，继而以电信号输出。绝缘层X极X极摆线摆锤 图2.3 传感器结构原理图倾角传感器结构设计如图5所示，其敏感部分设计成圆弧形状，尽管不是平行极板，但是摆锤与两极板之间的间距是均匀一致的，绝缘层把圆弧分成X极和X极两个独立部分，且极板与摆锤的宽度是一样的。这样设计主要是利用摆锤受

39、重力影响变化使摆锤与极板之间的覆盖面积改变使倾斜角度的变化和电容量大小变化有很好的线性变化。在没倾斜时，摆锤在两极板的中间，即与X极和X极产生的电容量C大小相等；当被测物发生倾斜时，即摆锤向左摆，X极和摆锤的正对覆盖面积增加，而X极和摆锤的正对覆盖面积减小。这样电容就发生了变化。当被测物没倾斜时，两极板和摆锤的电容为：C=A C （5）当被测物发生角度倾斜时，电极之间有效覆盖面积的变化量为：A= A m （6）所以变化前后的电容为：C= A C（7）式中为空气电介常数；d为极板之间距离；A为没倾斜时有效覆盖面积。3.3 电容传感器的影响因素3.3.1电容电场的边缘效应 理想条件下，平行版电容器

40、的电场分布于两级板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。当考虑电场的边缘效应时，情况就复杂得多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器的灵敏度下降和非线性增加。为了克服边缘效应，首先应增大初始电容量，即增大极板面积，减小极板间距；其次，加等位环。而等位环是消除边缘效应的有效方法。所以本设计在X极和X极都接了等位环。3.3.2寄生和分布电容的影响 一般电容传感器的电容值很小，如果激励电源频率较低，则电容传感器的容抗很大。因此，对传感器绝缘电阻要求太高；另一方面传感器除有极板间有电容外，极板与周围也产生电容联系，这种电容称为寄生电容。它不仅改变了传感器的电容量，而且使传感

41、器工作不稳定。为了减小寄生电容对传感器的影响，本设计采用静电屏蔽措施，将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体与大地相连。由于分布电容使传感器的灵敏度大大下降，因此在本设计中采用驱动电缆技术。3.4 传感器信号调理 电容传感器的信号调理电路通常有交流不平衡电桥、二极管环形检波电路、差动脉冲宽度等方法,无论用上述那一种调理电路所得到的电压值需经A/D转换后才能输入计算机,其测量精度与A/D转换芯片的位数有关。然而，在本设计中考虑了传感器信号被转换后要输入单片机，所以选择了德国AMG公司生产的CAV424电容信号转换芯片。这有两个方面的好处，一方面使系统结构简单明了，另一方面使电容的变化与CAV42

42、4芯片输出的直流电压成正比，同时为后继对信号处理提供了方便。3.4.1 CAV424简介CAV424是一个多用途的处理各种电容式传感器信号的完整的转换接口集成电路。它同时具有信号采集(相对电容量变化)、处理和差分电压输出的功能，能够测量出一个被测电容和参考电容的差值。在相对于参考电容值(10 pF1nF)5100的范围内，可以检测0pF一2nF的电容值，且其输出差分电压最大可达士14 V；同时，CAV424还具有内置温度传感器。3.4.2 CAV424的检测原理 1个通过电容C确定频率的参考振荡器驱动2个构造对称的积分器，并使它们在时间和相位上同步。这2个积分器的振幅通过电容C和C确定。这里，

43、C作为参考电容，而C作为被测电容。由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较2个振幅的差值得到的信号反映出2个电容C和C的相对变化量。该差分信号通过1个二级低通滤波器转换成直流电压信号，并经过输出可调的差分级输出。只要简单调整很少的元件，就可以改变低通滤波器的滤波常数和放大倍数。参考振荡器对外接的振荡器电容C和与它相关的内部寄生电容C、PAR、INT以及外接的寄生电容C、PAR、EXT充电，然后放电。振荡器的电容近似地取为C=16C。参考振荡器电流I=VMR。实测振荡器的输出波形，即是任一片CAV424的12脚输出波形。CAV424应用电路原理框图： 图3.1应用电路原理框图及引脚功能图

44、电容式积分器的工作方式与参考振荡器的工作方式接近，区别在于前者放电时间是参考振荡器的一半，其次前者的放电电压被钳制在一个内部固定的电压VCLAAMP上，实测2片CAV424的14脚和16脚(电容积分器的输出电压)， 两个积分器的输出电压经内部信号调理后的输出，在理想状况下应为：VLPOUT=VDIFF+VM （8） 其中差分信号VDIFF=（1+） (V-V) V（9）上式中VM为参考电压，并取VM=2.5V。在被设计中，CAV424的参考电容大小取为传感器没倾斜是动极板与静极板产生的电容C，这样就使C和C的开始电容大小相等，同时CAV424输出的直流电压信号与电容的变化量成正比。假设此正比系

45、数为k，电容C和C的相对变化为C= A，则由（9）式得：VDIFF= k（1+） A V （10）式中为传感器倾斜角度;R和R为外接电阻。在实际的测量中，传感器为了减小现场环境和传感器内部环境的改变使传感器的灵敏度下降，传感器往往被做成差动式，故在被设计中要用2片CAV424芯片，并接成差动式。如图3.2所示：图3.2 实际CAV424应用电路图倾角传感器放在水平位置时，差动电容C10=C20=50pF，所以应CAV424的参考电容C11=C21=50pF，振荡电容C12=C22=1.6C11=80pF，低通滤波电容C13=C14=C23=C24=200C11=10nF，稳定参考电压VM的电容

46、负载C15=C25=100nF，电流调整电阻R11=R12=R21=R22=500k。参考振荡器电流设定电阻R13=R23=250k。为了调整VLPOUT，把输出级电阻均调整为100k的电位器。另外，为了提高电路的稳定性，在CAV424的引脚4和地之间接了10nF的电容C16和C26。3.5系统硬件设计3.5.1 放大电路的设计运放电路用来合成和放大2片CAV424输出的电压信号，使其转换为易被单片机处理的O5V直流电压。若按一般设计原则，这里应选用仪用放大器；但考虑到仪用放大器成本较高，而且由于前级使用了两片CAV424，其输出电压已经较高，所以这里选用了性价比较高的四运放TL084作为信号调理电路。实验表明其精度完