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摘 要: 微变电容式传感器是为边境线、狱墙等场合的需要而设计的.该设计以传输线理论为基础, 采用FFT 算法和相位微分法检测与处理信号, 利用同轴电缆的低频特性高灵敏地探测被测量, 利用其高频特性测量被测量产生的位置.该传感器在狱墙报警系统中的应用结果表明, 微变电容式传感器最大定位相对误差小于6.0% , 误警率小于0.3% , 漏警率小于0.2% .
在边境线、狱墙等需要安全防范的特殊场合, 因为需要防范的区域较大, 而且不宜暴露传感器安装位置.常见的红外、微波和超声等无线传感器极易受外界环境的影响, 误检和漏检率均较大, 不适合在上述特殊区域的安全防范中应用.利用同轴电缆为敏感器件的传感器, 具有布防方便、检测准确等优点. 作者利用同轴电缆的分布电容对外力敏感的特性设计了一种微变电容式传感器. 由于在传感器的整个工作过程中, 分布电容的变化量与分布电容本身的值相比非常小, 因此称该传感器为微变电容式传感器.
1 微变电容式传感器的设计
1.1 基本原理
因为同轴电缆的分布电容与分布电感比较均匀且稳定, 其特性阻抗基本保持不变.同轴电缆的分布电容为
分布电感为
式中 l 为同轴电缆长度; E为填充介质的介电常数;D1 为芯线直径;D2 为屏蔽网的内径; L为填充介质的磁导率; μ0 为真空磁导率. 同轴电缆的分布电容与电感除与其长度成正比外, 还与屏蔽网的内径和形状密切相关。当同轴电缆足够长时, 其分布电感均比较大; 此时外力引起的同轴电缆变形只会引起分布电容和分布电感的微小变化。 因为分布电容与分布电感的变化趋势相反, 在设计该传感器时, 为了突出分布电容对传感器性能的影响, 要在同轴电缆的芯线上串接一个较大的电感, 使分布电感的变化率远远小于分布电容的变化率。 同轴电缆的特性阻抗为
, 其大小与长度无关, 局部变形的同轴电缆的D2 和D1 的变化明显。当外力使同轴电缆局部变形时, 其特性阻抗局部变化量较大。
设计的微变电容式传感器的原理框图如图1 所示。 该传感器由同轴电缆、高低频信号分离电路、高频特性检测电路、低频特性检测电路和嵌入式系统等组成。高频特性检测电路监测同轴电缆特性阻抗的变化, 而低频特性监测电路则监测同轴电缆分布电容的变化, 两电路相互补充完成对同轴电缆的局部变形的监测和定位。
图1 微变电容式传感器的原理框图 1.2 低频特性检测
低频特性检测电路的核心是低频LC 振荡器.该振荡器以同轴电缆的分布电容为谐振电容, 以分布电感为谐振电感; 在同轴电缆没有局部变形时, 振荡器的谐振频率比较稳定, 其振荡频率为
为了使振荡频率具有可控性且消除分布电感的变化对传感器性能的影响, 在具体应用时, 可以在同轴电缆的芯线处串联一较大的电感L ; 此时, 分布电感的作用可以忽略不记, 低频振荡器的输出频率变为
经验表明, f0 在1～ 100 kHz 时传感器的性能比较稳定. 由低频振荡器产生的低频信号经放大整形后输出到嵌入式系统的计数器输入端. 嵌入式系统依据计数器测得的低频振荡器的振荡频率, 延时约10 s 后, 控制压控振荡器, 使鉴相器的输出为0.当外力使同轴电缆变形时, 因D2 与D1 的比值改变, 低频振荡器的输出频率产生微小变化.外力的频率分量远远小于低频振荡器的谐振频率f , 且远远大于0.1 Hz.此时鉴相器的输出值为振荡频率的二次微分, 即
该电路的检测灵敏度很高,对同轴电缆的分布电容的微小变化比较敏感.
因为在该电路中采用了对振荡频率的延时跟踪技术, 而同轴电缆因外界环境或性能改变而引起的频偏是≤0.1 Hz 的慢变化, 对检测结果几乎不会产生任何影响.当同轴电缆受到人为触碰、踩压时, 同轴电缆的分布电容会产生微小的变化, 当鉴相器的输出超过一定限值时, 传感器的低频特性检测电路将输出开关量报警信号.
1.3 高频特性检测
为了消除高频信号在同轴电缆的远端产生的反射, 一般在同轴电缆的远端接一匹配阻抗.由高频信号发生器产生的900MHz 的高频信号经100 Hz 的脉冲信号调制后输出到同轴电缆, 高频信号传输到同轴电缆的远端后, 被匹配阻抗吸收转换为热能.当同轴电缆的某处受外力而变形时, 局部特性阻抗发生变化, 形成驻波比大于0 的驻波点, 高频信号产生强反射. 反射回高低频信号分离电路的高频信号又会产生反射Z高频信号在同轴电缆中传输时, 能量逐渐衰减. 由高低频信号分离电路耦合到放大混频电路的高频信号的持续时间和幅度除与同轴电缆受外力的大小有关外, 还与外力所处的位置有密切的关系Z混频后的高频信号经低频滤波电路的作用后, 输出携带外力位置的脉冲信号. 该脉冲信号与原调制
脉冲相比产生了较大的畸变. 为了提取同轴电缆受力后局部变形的空间位置, 利用嵌入式系统对携带外力信息的低频脉冲信号进行处理, 得到如图2 所示的信号频谱.
图2 高频特性检测输出脉冲信号频谱 在该频谱图中, f 低于2 kHz 时的频谱的形状与原调制信号的频谱的形状相似Z 脉冲畸变引起的信号频谱的变化主要表现是: 在3 kHz 到5MHz 频段内会出现一个与驻波点位置密切相关的较大峰值.该峰值的频率f0 除与驻波点位置有关外, 还与同轴电缆的品质、高低频信号分离电路的特性等有关. 经大量的测试证明, 在对传感器进行校正后, f只与驻波点位置(即同轴电缆受力位置) 有关, 且f与驻波点和高低频信号分离电路之间的距离d 呈非线性关系.在1m < d < 1km 时, f2= K/d2+ P ,其中K 为与同轴电缆品质相关的常数, P 为与传感器的电路相关的常数.
嵌入式系统采用ARM9 处理器S3C2410 作为主处理器, 工作频率为203MHz. 为了与常用的仪表通信, 配备了RS485 口和USB 口. 采用uClinux为系统的操作系统, FFT、距离运算和传感器的控制均由S3C2410 完成.
该传感器本身具有较强的信号处理能力, 它可以作为一个单独的报警装置使用, 完成某些场合的报警功能; 也可与其他仪表或微机配合使用, 完成对微弱作用力、受力位置、电缆故障位置等被测量的监测.它可以广泛应用于国境线防偷渡、监狱狱墙防越狱、埋设电缆故障定位、重要道口车流量检测等多种场合.
2 微变电容式传感器应用实例
将微变电容式传感器应用于边境线布防或狱墙报警系统中时, 不需要对同轴电缆进行特殊的保护,只需进行伪装. 将微变电容式传感器的同轴电缆敏感器布设于狱墙内侧的草丛中取得了较好的效果.微变电容式传感器对天气等环境条件不敏感, 克服了类似红外对射等报警器的不足.
在为山东某监狱制作的狱墙报警系统中, 以定制的1000 m 同轴电缆(75Ω ,Φ5) 为敏感器件, 利用传感器的低频特性测量被测量, 通过高频特性检测电路完成警情发生位置的定位, 将高低频特性相结合提高了报警的准确率.为了进一步保证布防的可靠性, 将5 个传感器的同轴电缆相互间隔20 cm并行铺设于狱墙内侧, 组成狱墙报警系统.该系统的布防范围为1.4 m ×1000.0 m.
提高低频振荡器的中心频率是减小漏警率的有效手段, 同轴电缆越长, 分布参数越大, 低频振荡器的中心频率越低.低频振荡器的中心频率越高, 虚警率越高.试验证明, 当同轴电缆(75Ω ,Φ5) 的长度为1000.0 m 时, 通过调整串入同轴电缆芯线的电感的大小, 可以使中心频率在2～ 80 kHz 范围内变化.为保证振荡器的稳定性和检测灵敏度, 选定f0≈20 kHz.在对利用微变电容式传感器设计的狱墙报警系统进行验收时, 在报警器布防的1.4 m ×1000.0 m 范围内, 选取了10 个测量点作为试验点.
实验表明, 离传感器的监测系统越远, 定位绝对误差越大, 但相对误差越小. 最大相对误差为6.0% , 出现在最近点.在远端, 定位最大相对误差为2.5% ,最大绝对误差为24m .经1000 次模拟试验, 该系统的误警率小于0.3% , 漏警率小于0.2%.
3 结论
微变电容式传感器以普通的同轴电缆为敏感元件, 具有检测范围大、性能稳定、灵敏度高和成本低等优点, 可广泛应用于道路监控、边境线布防与安全防范等多个领域. 该传感器的设计可以在某种程度上满足一些场合的特殊需要. 微变电容式传感器的设计及实验数据表明, 将该种传感器引入安全防护领域是切实可行的.
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