中心論題：

• 微變電容式傳感器的設(shè)計(jì)
• 微變電容式傳感器應(yīng)用實(shí)例

解決方案：

• 同軸電纜
• 高低頻信號(hào)分離電路
• 高頻特性檢測(cè)電路
• 低頻特性檢測(cè)電路和嵌入式系統(tǒng)

微變電容式傳感器是為邊境線、獄墻等場(chǎng)合的需要而設(shè)計(jì)的.該設(shè)計(jì)以傳輸線理論為基礎(chǔ), 采用FFT 算法和相位微分法檢測(cè)與處理信號(hào), 利用同軸電纜的低頻特性高靈敏地探測(cè)被測(cè)量, 利用其高頻特性測(cè)量被測(cè)量產(chǎn)生的位置.該傳感器在獄墻報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)果表明, 微變電容式傳感器最大定位相對(duì)誤差小于6.0% , 誤警率小于0.3% , 漏警率小于0.2% .

在邊境線、獄墻等需要安全防范的特殊場(chǎng)合, 因?yàn)樾枰婪兜膮^(qū)域較大, 而且不宜暴露傳感器安裝位置.常見(jiàn)的紅外、微波和超聲等無(wú)線傳感器極易受外界環(huán)境的影響, 誤檢和漏檢率均較大, 不適合在上述特殊區(qū)域的安全防范中應(yīng)用.利用同軸電纜為敏感器件的傳感器, 具有布防方便、檢測(cè)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn). 作者利用同軸電纜的分布電容對(duì)外力敏感的特性設(shè)計(jì)了一種微變電容式傳感器. 由于在傳感器的整個(gè)工作過(guò)程中, 分布電容的變化量與分布電容本身的值相比非常小, 因此稱(chēng)該傳感器為微變電容式傳感器.

微變電容式傳感器的設(shè)計(jì)
a.基本原理
因?yàn)橥S電纜的分布電容與分布電感比較均勻且穩(wěn)定, 其特性阻抗基本保持不變.同軸電纜的分布電容為 

分布電感為

式中l(wèi)為同軸電纜長(zhǎng)度; E為填充介質(zhì)的介電常數(shù);D1 為芯線直徑;D2 為屏蔽網(wǎng)的內(nèi)徑; L為填充介質(zhì)的磁導(dǎo)率; μ0 為真空磁導(dǎo)率. 同軸電纜的分布電容與電感除與其長(zhǎng)度成正比外, 還與屏蔽網(wǎng)的內(nèi)徑和形狀密切相關(guān)。當(dāng)同軸電纜足夠長(zhǎng)時(shí), 其分布電感均比較大; 此時(shí)外力引起的同軸電纜變形只會(huì)引起分布電容和分布電感的微小變化。因?yàn)榉植茧娙菖c分布電感的變化趨勢(shì)相反, 在設(shè)計(jì)該傳感器時(shí), 為了突出分布電容對(duì)傳感器性能的影響, 要在同軸電纜的芯線上串接一個(gè)較大的電感,使分布電感的變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分布電容的變化率。同軸電纜的特性阻抗為

其大小與長(zhǎng)度無(wú)關(guān), 局部變形的同軸電纜的D2 和D1 的變化明顯。當(dāng)外力使同軸電纜局部變形時(shí), 其特性阻抗局部變化量較大。
      
設(shè)計(jì)的微變電容式傳感器的原理框圖如圖1 所示。該傳感器由同軸電纜、高低頻信號(hào)分離電路、高頻特性檢測(cè)電路、低頻特性檢測(cè)電路和嵌入式系統(tǒng)等組成。高頻特性檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)同軸電纜特性阻抗的變化, 而低頻特性監(jiān)測(cè)電路則監(jiān)測(cè)同軸電纜分布電容的變化, 兩電路相互補(bǔ)充完成對(duì)同軸電纜的局部變形的監(jiān)測(cè)和定位。

b.低頻特性檢測(cè)
低頻特性檢測(cè)電路的核心是低頻LC 振蕩器.該振蕩器以同軸電纜的分布電容為諧振電容,以分布電感為諧振電感; 在同軸電纜沒(méi)有局部變形時(shí), 振蕩器的諧振頻率比較穩(wěn)定, 其振蕩頻率為

為了使振蕩頻率具有可控性且消除分布電感的變化對(duì)傳感器性能的影響,在具體應(yīng)用時(shí),可以在同軸電纜的芯線處串聯(lián)一較大的電感L;此時(shí), 分布電感的作用可以忽略不記, 低頻振蕩器的輸出頻率變?yōu)?nbsp;

經(jīng)驗(yàn)表明, f0 在1～ 100 kHz 時(shí)傳感器的性能比較穩(wěn)定. 由低頻振蕩器產(chǎn)生的低頻信號(hào)經(jīng)放大整形后輸出到嵌入式系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器輸入端. 嵌入式系統(tǒng)依據(jù)計(jì)數(shù)器測(cè)得的低頻振蕩器的振蕩頻率, 延時(shí)約10 s 后, 控制壓控振蕩器, 使鑒相器的輸出為0.當(dāng)外力使同軸電纜變形時(shí), 因D2 與D1 的比值改變, 低頻振蕩器的輸出頻率產(chǎn)生微小變化.外力的頻率分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低頻振蕩器的諧振頻率f , 且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.1 Hz.此時(shí)鑒相器的輸出值為振蕩頻率的二次微分, 即 

該電路的檢測(cè)靈敏度很高,對(duì)同軸電纜的分布電容的微小變化比較敏感.
       
因?yàn)樵谠撾娐分胁捎昧藢?duì)振蕩頻率的延時(shí)跟蹤技術(shù), 而同軸電纜因外界環(huán)境或性能改變而引起的頻偏是≤0.1 Hz 的慢變化, 對(duì)檢測(cè)結(jié)果幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何影響.當(dāng)同軸電纜受到人為觸碰、踩壓時(shí), 同軸電纜的分布電容會(huì)產(chǎn)生微小的變化, 當(dāng)鑒相器的輸出超過(guò)一定限值時(shí), 傳感器的低頻特性檢測(cè)電路將輸出開(kāi)關(guān)量報(bào)警信號(hào).

c.高頻特性檢測(cè)
為了消除高頻信號(hào)在同軸電纜的遠(yuǎn)端產(chǎn)生的反射, 一般在同軸電纜的遠(yuǎn)端接一匹配阻抗.由高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的900MHz 的高頻信號(hào)經(jīng)100 Hz 的脈沖信號(hào)調(diào)制后輸出到同軸電纜, 高頻信號(hào)傳輸?shù)酵S電纜的遠(yuǎn)端后, 被匹配阻抗吸收轉(zhuǎn)換為熱能.當(dāng)同軸電纜的某處受外力而變形時(shí), 局部特性阻抗發(fā)生變化, 形成駐波比大于0 的駐波點(diǎn), 高頻信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)反射. 反射回高低頻信號(hào)分離電路的高頻信號(hào)又會(huì)產(chǎn)生反射Z高頻信號(hào)在同軸電纜中傳輸時(shí), 能量逐漸衰減. 由高低頻信號(hào)分離電路耦合到放大混頻電路的高頻信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和幅度除與同軸電纜受外力的大小有關(guān)外, 還與外力所處的位置有密切的關(guān)系Z混頻后的高頻信號(hào)經(jīng)低頻濾波電路的作用后, 輸出攜帶外力位置的脈沖信號(hào). 該脈沖信號(hào)與原調(diào)制
脈沖相比產(chǎn)生了較大的畸變. 為了提取同軸電纜受力后局部變形的空間位置, 利用嵌入式系統(tǒng)對(duì)攜帶外力信息的低頻脈沖信號(hào)進(jìn)行處理, 得到如圖2 所示的信號(hào)頻譜.

在該頻譜圖中, f 低于2 kHz 時(shí)的頻譜的形狀與原調(diào)制信號(hào)的頻譜的形狀相似Z 脈沖畸變引起的信號(hào)頻譜的變化主要表現(xiàn)是: 在3 kHz 到5MHz 頻段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與駐波點(diǎn)位置密切相關(guān)的較大峰值.該峰值的頻率f0 除與駐波點(diǎn)位置有關(guān)外, 還與同軸電纜的品質(zhì)、高低頻信號(hào)分離電路的特性等有關(guān). 經(jīng)大量的測(cè)試證明, 在對(duì)傳感器進(jìn)行校正后, f只與駐波點(diǎn)位置(即同軸電纜受力位置) 有關(guān), 且f與駐波點(diǎn)和高低頻信號(hào)分離電路之間的距離d 呈非線性關(guān)系.在1m < d < 1km 時(shí), f2= K/d2+ P ,其中K 為與同軸電纜品質(zhì)相關(guān)的常數(shù), P 為與傳感器的電路相關(guān)的常數(shù).

嵌入式系統(tǒng)采用ARM9 處理器S3C2410 作為主處理器, 工作頻率為203MHz. 為了與常用的儀表通信, 配備了RS485 口和USB 口. 采用uClinux為系統(tǒng)的操作系統(tǒng), FFT、距離運(yùn)算和傳感器的控制均由S3C2410 完成.

該傳感器本身具有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力, 它可以作為一個(gè)單獨(dú)的報(bào)警裝置使用, 完成某些場(chǎng)合的報(bào)警功能; 也可與其他儀表或微機(jī)配合使用, 完成對(duì)微弱作用力、受力位置、電纜故障位置等被測(cè)量的監(jiān)測(cè).它可以廣泛應(yīng)用于國(guó)境線防偷渡、監(jiān)獄獄墻防越獄、埋設(shè)電纜故障定位、重要道口車(chē)流量檢測(cè)等多種場(chǎng)合.

微變電容式傳感器應(yīng)用實(shí)例
將微變電容式傳感器應(yīng)用于邊境線布防或獄墻報(bào)警系統(tǒng)中時(shí), 不需要對(duì)同軸電纜進(jìn)行特殊的保護(hù),只需進(jìn)行偽裝. 將微變電容式傳感器的同軸電纜敏感器布設(shè)于獄墻內(nèi)側(cè)的草叢中取得了較好的效果.微變電容式傳感器對(duì)天氣等環(huán)境條件不敏感, 克服了類(lèi)似紅外對(duì)射等報(bào)警器的不足.
      
在為山東某監(jiān)獄制作的獄墻報(bào)警系統(tǒng)中, 以定制的1000 m 同軸電纜(75Ω ,Φ5) 為敏感器件, 利用傳感器的低頻特性測(cè)量被測(cè)量, 通過(guò)高頻特性檢測(cè)電路完成警情發(fā)生位置的定位, 將高低頻特性相結(jié)合提高了報(bào)警的準(zhǔn)確率.為了進(jìn)一步保證布防的可靠性, 將5 個(gè)傳感器的同軸電纜相互間隔20 cm并行鋪設(shè)于獄墻內(nèi)側(cè), 組成獄墻報(bào)警系統(tǒng).該系統(tǒng)的布防范圍為1.4 m ×1000.0 m.
       
提高低頻振蕩器的中心頻率是減小漏警率的有效手段, 同軸電纜越長(zhǎng), 分布參數(shù)越大, 低頻振蕩器的中心頻率越低.低頻振蕩器的中心頻率越高, 虛警率越高.試驗(yàn)證明, 當(dāng)同軸電纜(75Ω ,Φ5) 的長(zhǎng)度為1000.0 m 時(shí), 通過(guò)調(diào)整串入同軸電纜芯線的電感的大小, 可以使中心頻率在2～ 80 kHz 范圍內(nèi)變化.為保證振蕩器的穩(wěn)定性和檢測(cè)靈敏度, 選定f0≈20 kHz.在對(duì)利用微變電容式傳感器設(shè)計(jì)的獄墻報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)收時(shí), 在報(bào)警器布防的1.4 m ×1000.0 m 范圍內(nèi), 選取了10 個(gè)測(cè)量點(diǎn)作為試驗(yàn)點(diǎn).
     
實(shí)驗(yàn)表明, 離傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越遠(yuǎn), 定位絕對(duì)誤差越大, 但相對(duì)誤差越小. 最大相對(duì)誤差為6.0% , 出現(xiàn)在最近點(diǎn).在遠(yuǎn)端, 定位最大相對(duì)誤差為2.5% ,最大絕對(duì)誤差為24m .經(jīng)1000 次模擬試驗(yàn), 該系統(tǒng)的誤警率小于0.3% , 漏警率小于0.2%.

結(jié)論
微變電容式傳感器以普通的同軸電纜為敏感元件, 具有檢測(cè)范圍大、性能穩(wěn)定、靈敏度高和成本低等優(yōu)點(diǎn), 可廣泛應(yīng)用于道路監(jiān)控、邊境線布防與安全防范等多個(gè)領(lǐng)域. 該傳感器的設(shè)計(jì)可以在某種程度上滿足一些場(chǎng)合的特殊需要. 微變電容式傳感器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明, 將該種傳感器引入安全防護(hù)領(lǐng)域是切實(shí)可行的.