【正文】 器的振幅通過電容 C 1x 和 C 2x 確定。在相對于參考電容值 (10 pF~1nF)5％～ 100％的范圍內(nèi)，可以檢測 0pF 一 2nF 的電容值，且其輸出差分電壓最大可 達(dá)士 1． 4 V；同時(shí)， CAV424還具有內(nèi)置溫度傳感器 。 CAV424 簡介 CAV424 是一個(gè)多用途的處理各種電容式傳感器信號的完整的轉(zhuǎn)換接口集成電路。然而，在本設(shè)計(jì)中考慮了傳感器信號被轉(zhuǎn)換后要輸入單片機(jī)，所以選擇了德國 AMG公司生產(chǎn)的 CAV424 電容信號轉(zhuǎn)換芯片。 由于分布電容使傳感器的靈敏度大大下降，因此在本設(shè)計(jì)中采用驅(qū)動電纜技術(shù)。它不僅改變了傳 感器的電容量，而且使傳感器工作不穩(wěn)定。 寄生和分布電容的影響 一般電容傳感器的電容值很小，如果激勵(lì)電源頻率較低，則電容傳感器的容抗很大。而等位環(huán)是消除邊緣效應(yīng)的有效方法。當(dāng)考慮電場的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況就復(fù)雜得多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，引起了傳感器 的靈敏度下降和非線性增加。 當(dāng)被測物沒傾斜時(shí)，兩極板和擺錘的電容為： C0 = d0? A0 C （ 5） 當(dāng)被測物發(fā)生 ? 角度傾斜時(shí)，電極之間有效覆蓋面積的變化量為： ? A=180? A0 m2 （ 6） 絕緣層 X? 極 X? 極 擺線 擺錘 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 21 頁 所以變化前后的電容為： ? C=d0? 180? A0 C（ 7） 式中 0? 為空氣電介常數(shù)； d 為極板之間距離； A0 為沒傾斜時(shí)有效覆蓋面積。在沒傾斜時(shí)，擺錘在兩極板的中間，即與 X?極和 X? 極產(chǎn)生的電容量 C0 大小相等；當(dāng)被測物發(fā)生傾斜時(shí)，即擺錘向左擺， X?極和擺錘的正對覆蓋面積增加，而 X? 極和擺錘的正對覆蓋面積減小。 圖 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 傾角傳感 器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 5 所示，其敏感部分設(shè)計(jì)成圓弧形狀，盡管不是平行極板，但是擺錘與兩極板之間的間距是均勻一致的，絕緣層把圓弧分成 X? 極和 X? 極兩個(gè)獨(dú)立部分，且極板與擺錘的寬度是一樣的。 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 1 2 3 x軸 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 20 頁 電容原理的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、精度高、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、抗過載能力大，對溫度、輻射和振動等惡劣條件適應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，而這些特點(diǎn)正適合傾角傳感器的使用特性技術(shù)特性。 假設(shè)極板之間只有空氣一種介質(zhì)，則： C1= d0? （ A? A） C (1) C2= d0? （ A+? A） C （ 2） 上式中 C1為極板 1 和極板 2 產(chǎn)生的電容量； C2為極板 1 和極板 3 產(chǎn)生的電容量； A為原來極板 1 和極板 3 的正對面積； ? A 為極板 1 和極板 3 發(fā)生變 化的面積變化量； 0? 為空氣電介常數(shù)； d 為兩極板之間的距離。 圖 ：系統(tǒng)框圖 差動電容變面積傳感器工作原理 為了提高傳感器的靈敏度和線性度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成變面積差動傳感器。 （ 4）單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)。 （ 2）怎樣實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償、調(diào)理電路的參數(shù)選擇。懸架控制系統(tǒng)選擇了半主動懸架控制，原因是 半主動懸架與主動懸架相比具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、基本不需要消耗能量等優(yōu)點(diǎn)，而對振動的控制效果在一定程度上卻可以接近主動懸架，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于被動懸架。 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 17 頁 圖 半主動原理圖 主要研究的內(nèi)容 本章主要介紹了本課題國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，還簡述了傳感器和懸架 系統(tǒng)的基本知識，這是為了很好的確定傳感器種類選擇和懸架控制系統(tǒng)。半主動懸架與主動懸架結(jié)構(gòu)相似，只是半主動懸架用可調(diào)剛度的彈性元件或是可調(diào)阻尼的減振器代替主動懸架的力發(fā)生器。 圖 為主動懸架的原理圖，其中 F代表力發(fā)生器。 主動懸架是近十幾年發(fā)展起來的，由電腦控制的一種新型懸架，具備三個(gè)條件：（ 1）具有能夠產(chǎn)生作用力的動力源；（ 2）執(zhí)行元件能夠傳遞這種作用力并能連續(xù)工作；（ 3）具有多種將有關(guān)數(shù)據(jù)集中到微電腦進(jìn)行運(yùn)算并決定控制方式。其原理是測量系統(tǒng)通過傳感器獲得車輛振動信息，傳遞給控制中心進(jìn)行處理，進(jìn)而由控制中心發(fā)出指令給能量源產(chǎn)生控制力，再由執(zhí)行器進(jìn)行控制，衰減懸架的振動。智能懸架中主動、半主動懸架在近年來得到了迅速發(fā)展，較好地解決了安全性和舒適性這一對矛盾，將其緩和至相對較低。 懸架控制系統(tǒng)的分類 懸架依據(jù)其可控性可以分為不可控的被動懸架和可控的智能懸架兩大類。 總成的垂直尺寸較大。 彈簧質(zhì)量減少。 轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪外傾稍微減少，因此，輪胎與地面的接觸面更大，確保運(yùn)動能夠得到有效地傳遞。 懸掛可以支承非垂直外力，從面減少減振器的摩擦力，確保減振器達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。 獨(dú)立式懸掛分為雙叉臂式和麥佛遜支柱式 。一般前懸架側(cè)傾角剛度與后懸架側(cè)傾角剛度比應(yīng)在 ～ 范圍內(nèi)，如前后懸架本身不能滿足上述要求，可在前后懸架中加裝橫向穩(wěn)定桿，提高汽車操縱穩(wěn)定性。所以，整車側(cè)傾角剛度應(yīng)滿足：貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 15 頁 當(dāng)車身受到 側(cè)向加速度時(shí)，其側(cè)傾角在 ～ 4176。 懸架的側(cè)傾角剛度及前后匹配是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要參數(shù)。 影響汽車平順性的另一重要指標(biāo)是阻尼比Ψ，Ψ值取大，能使振動迅速衰減，但會把路面較大的沖擊傳遞到車身，Ψ值取小，振動衰減慢，受沖擊后振動持續(xù)時(shí)間長，使乘客感到不舒服。如果減小非簧載質(zhì)量可使車身振動頻率降低 ，而車輪振動頻率升高，這對減少共振，改善汽車的平順性是有利的。簧載質(zhì)量分為簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量兩部分，由彈性元件承載的部分質(zhì)量，如車身、車架及其它所有彈簧以上的部件和載荷屬于簧上質(zhì)量。為了使空載和滿載固有頻率保持一定或很小變化，需要把懸架剛度做成可變或可調(diào)的?？哲嚂r(shí)的固有頻率要比滿載時(shí)的高。一般貨車固有頻率是 ～ 2Hz，旅行客車 ～ ，高級轎車 1～ 。這樣若無有足夠大的限位行程，就會使撞擊限位塊的概率增加。 懸架剛度是指懸架產(chǎn)生單位垂直壓縮變形所需加于懸架上的垂直載荷。車身振動的固有頻率應(yīng)接近或處于人體適應(yīng)的頻 率范圍，才能滿足舒適性要求。汽車的固有頻率是衡量汽車平順性的重要參數(shù)，它由懸架剛度和懸架彈貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 14 頁 簧支承的質(zhì)量（簧載質(zhì)量）所決定。鋼板彈簧作為彈性元件時(shí)，可不另設(shè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，它本身兼起導(dǎo)向作用。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用來傳遞車輪與車身間的力和力矩 ，同時(shí)保持車輪按一定運(yùn)動軌跡相對車身跳動，通常導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由控制擺臂式桿件組成。彈性元件種類包括鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、油氣彈簧、空氣彈簧和橡膠彈簧。 懸架系統(tǒng)的組成和影響因素： 一般懸架由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、減振器和橫向穩(wěn)定桿組成。 懸架系 統(tǒng)簡述 懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇是否合理，直接對汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響。它的作用是彈性地連接車橋和車架（或車身），緩和行駛中車輛受到的沖擊力。 汽車車架（或車身）若直接安裝于車橋（或車輪）上，由于道路不平，由于地面沖擊使貨物和人會感到十分不舒服，這是因?yàn)闆]有懸架裝置 的原因。 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 13 頁 懸架系統(tǒng) 懸架系統(tǒng)是保證乘坐舒適性的重要部件，又是保證汽車平順行駛的重要部件。在實(shí)用中產(chǎn)品類型較多如電磁擺式，其產(chǎn)品測量范圍、精度及抗過載能力較高，在武器系統(tǒng)中應(yīng)用也較為廣泛。但氣體運(yùn)動控制較為復(fù)雜，影響其運(yùn)動的因素較多，其精度無法達(dá)到軍用武器系統(tǒng)的要求。在重力場中，固體擺的敏感質(zhì)量是擺錘質(zhì)量，液體擺的敏感質(zhì)量是電解液，而氣體擺的敏感質(zhì)量是氣體。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交換引起的。 “氣體擺 ”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。在實(shí)用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時(shí)氣泡會運(yùn)動使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的 “液體擺 ”。反之， 若傾斜方向相反，則 RIRIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導(dǎo)電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時(shí)，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個(gè)電阻 RI 和 RIII。 （ 2） 液體擺式慣性器件： 液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有 導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等。 在小角度范圍內(nèi)測量時(shí)，可以認(rèn)為擺錘 受力 F與 擺線與垂直線構(gòu)成的角度 θ 成線性關(guān)系。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了 。所以它其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種 加速度傳感器 。理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加 速度。分辨率與傳感器的穩(wěn)定性有負(fù)相關(guān)性。 通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨率并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨率的指標(biāo)。當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。 五、 傳感器的分辨率 分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。 提高靈敏度，可得到較高的測量精度。例如，某位移傳感器，在位移變化 1mm 時(shí)，輸出電壓變化為 200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為 200mV/mm。否則，它將隨輸入量的變化而變化。 它是輸出 與 輸入特性曲線的斜率。如將零輸入和滿量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 11 頁 為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條 擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和 頻率響應(yīng) 來表示。實(shí)際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示 。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。 （ 4）重復(fù)性：重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。 （ 3）遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量之比。定義為在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。 傳感器的特性 一、 傳感器靜態(tài)特性 貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 10 頁 傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象 為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。 傳感器原理 傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。 “ 傳感器 ” 在新韋式大詞典中定義為： “ 從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件 ” 。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。目前，磁流變液盡管已進(jìn)入商 業(yè) 化階段，但減振器 的 使用還存如噪聲、耐久性、穩(wěn)定性等問題，還需 要 進(jìn)一步深入研究。研究與開發(fā)可靠的電流變和磁流變可控減振器。智能化控制器能夠根據(jù)路況和汽車振動等信息，自動地調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的參數(shù)，使汽車具有良好行駛平順性和穩(wěn)定性。 半主動懸架系統(tǒng)的控制幾乎涉及了所有的現(xiàn)代控制理論和方法，因?yàn)槊糠N控制方法都有其 自身 的優(yōu)缺點(diǎn)， 因此，綜合應(yīng)用多種控制方法是半主動懸架控制發(fā)展的 趨勢 。 汽車懸架控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)是車輛動力學(xué)與控制領(lǐng)域的國際性前沿課題，開貴州大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 8 頁 發(fā)具有安全、舒適和清潔高效、節(jié)能、智能控制的懸架是車輛懸架系統(tǒng)發(fā)展的方向。目前，在半主動懸架的控制研究