分離式差分結(jié)構(gòu)容柵傳感器轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試系統(tǒng)

劉雙紅，靳 鴻，張海龍，鄭鳳琴

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

轉(zhuǎn)速和扭矩是各種工作機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的基本載荷形式，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力輸出的重要指標(biāo)。車輛行駛過程中旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速和扭矩的測(cè)量，不僅能發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸存在的故障，也為研究其功率分配提供了重要的依據(jù)。特種車輛工作環(huán)境苛刻，行駛過程中振動(dòng)和沖擊較大，電磁環(huán)境復(fù)雜，空間狹小［1］，其轉(zhuǎn)速扭矩的測(cè)量對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出更高的要求。近年來，基于容柵傳感器的轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試方法得到研究。容柵式轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試系統(tǒng)［2］借助于兩個(gè)交叉的差分電容通過差動(dòng)脈寬調(diào)制電路傳輸轉(zhuǎn)速扭矩信號(hào)，但是鑒于實(shí)際測(cè)試中空間狹小，交叉的差分電容之間存在極大的寄生電容，影響測(cè)試精度甚至無法存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)。針對(duì)這一問題，在研究中對(duì)傳統(tǒng)容柵傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，得到分離式差分結(jié)構(gòu)容柵傳感器轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)容柵式轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試系統(tǒng)

1.1 容柵傳感器

傳統(tǒng)容柵傳感器由動(dòng)?xùn)藕徒徊媸浇Y(jié)構(gòu)的靜柵極板組成，如圖1所示。傳統(tǒng)容柵傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是繼應(yīng)變片式［3］、光柵式［4］、磁柵式［5］、電感式［6］后出現(xiàn)的新型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器。容柵傳感器用一種撓性線路板腐蝕而成的電容極板［7］，動(dòng)?xùn)派暇鶆蚍植糔個(gè)金屬電極，每個(gè)電極的兩端相連接，動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)上為N個(gè)電極并聯(lián)的形式，靜柵由尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)稱的2組柵狀電極交叉組成。

圖1 傳統(tǒng)容柵傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of traditional capacitive grate transducer

1.2 測(cè)試系統(tǒng)原理

容柵傳感器轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試系統(tǒng)是借助于電容的周期性變化以及差動(dòng)電容的相位差來加載轉(zhuǎn)速信息和扭矩信息。傳感器模塊采集的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后在CPLD的控制下工作，進(jìn)入存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)傳輸接口模塊將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)測(cè)試原理框圖如圖2所示。

旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器電容發(fā)生周期性變化，如圖3所示。通過差動(dòng)脈寬調(diào)制電路［8］、差分電路、低通濾波電路處理，產(chǎn)生周期性變化的正弦波信號(hào)，正弦信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)［9］轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的周期與轉(zhuǎn)速存在一定的關(guān)系，測(cè)得脈沖信號(hào)的周期就計(jì)算出轉(zhuǎn)速。

扭矩的測(cè)試原理和轉(zhuǎn)速相似，但需要兩組傳感器，傳感器安裝示意圖如圖4所示。扭矩具體測(cè)試為：在旋轉(zhuǎn)軸間隔L的兩端分別安裝一組傳感器。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸不受扭矩作用時(shí)，兩組傳感器經(jīng)信號(hào)調(diào)理輸出頻率相同、相位差為θ0的兩路信號(hào)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸受到扭矩作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭角，對(duì)應(yīng)的兩組傳感器輸出頻率相同、相位差為θ0＋Φ的兩路信號(hào)，Φ是由旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖Fig.2 The schematic diagram of testing system

圖3 電容容值變化規(guī)律Fig.3 The change rule of capacitance

圖4 容柵傳感器安裝示意圖Fig.4 Capacitive grate transducer installation diagram

由彈性轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形關(guān)系得到：

式中：Mr為彈性轉(zhuǎn)軸兩測(cè)量端面的扭矩，單位：N·m；G為彈性轉(zhuǎn)軸的剪切彈性模量，單位：Pa；Ip為截面的極慣性矩，單位：m4；L為彈性轉(zhuǎn)軸兩測(cè)量截面的距離，單位：m。由式（1）得出扭轉(zhuǎn)角Φ正比于扭矩Mr，當(dāng)轉(zhuǎn)軸的形狀、尺寸及材料一定后，測(cè)出旋轉(zhuǎn)軸上相對(duì)距離為上的兩個(gè)橫截面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，即可求出旋轉(zhuǎn)軸的扭矩值。

2 分離式差分結(jié)構(gòu)容柵傳感器結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速、扭矩測(cè)試技術(shù)的發(fā)展取決于傳感器的研究。該系統(tǒng)的傳感器采用分離式差分結(jié)構(gòu)，排除寄生電容的影響，提高了信號(hào)采集精度。

傳統(tǒng)的容柵傳感器為交叉式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)使得極板A和極板B之間產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)含有較多的噪聲并且影響信號(hào)穩(wěn)定性。針對(duì)這一弊端，在研究中，對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，得到分離式差分結(jié)構(gòu)容柵傳感器。分離式差分結(jié)構(gòu)容柵傳感器可以有效避免寄生電容的產(chǎn)生。其動(dòng)?xùn)庞删鶆蚍植嫉腘組柵狀電極組成，每組電極之間相隔絕緣介質(zhì)，N組電極的兩端相連接，構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)的電極；靜柵由尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)稱的2組柵狀電極分離交錯(cuò)對(duì)插組成，每組柵狀電極之間夾有絕緣介質(zhì)。靜柵電極的寬度、動(dòng)?xùn)烹姌O的寬度、絕緣極板寬度相同，電極個(gè)數(shù)各為N，改進(jìn)容柵式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分離式差分結(jié)構(gòu)容柵傳感器結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of separate differential capacitive grate transducer

傳感器的動(dòng)?xùn)硼べN在旋轉(zhuǎn)軸上，隨旋轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；靜柵粘貼在固定套筒的內(nèi)側(cè)。這樣，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，靜柵的電容柵極相對(duì)動(dòng)?xùn)诺碾娙輺艠O發(fā)生位移，從而容柵的電容值也隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化。電容值的變化周期加載轉(zhuǎn)速信號(hào)，電容A和電容B的相位差加載扭矩信號(hào)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

對(duì)電路模塊功能進(jìn)行功能測(cè)試，測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)采用電池供電，由于測(cè)試電路主要是對(duì)信號(hào)相位的檢測(cè)，并不是檢測(cè)電壓幅值，因此選用單電源供電就滿足要求。供電電池一般為7.4V，因此在測(cè)試電路中需要采用LP2985系列電源芯片，分別為模擬電路和數(shù)字電路提供5V和3.3V電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，可以將坦克裝甲車上的電瓶電壓經(jīng)電源管理芯片轉(zhuǎn)換成所需要的電壓值。

待電路功能穩(wěn)定后，將測(cè)試系統(tǒng)在模擬試驗(yàn)臺(tái)上完成了轉(zhuǎn)速、扭矩測(cè)試，模擬被測(cè)軸的外徑是60mm，那么圓軸的周長(zhǎng)為60πmm。取柵極個(gè)數(shù)為20，動(dòng)?xùn)艠O板和蔽極板寬度相同，則動(dòng)?xùn)诺臉O板寬度為1.5πmm。靜柵黏貼在一個(gè)內(nèi)徑為62mm的套筒上，取20對(duì)。通過調(diào)整絕緣間隙大小，使得靜柵的寬度和動(dòng)?xùn)艑挾认嗟葹?.5πmm。模擬試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 模擬試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.6 The experiment platform

3.1 轉(zhuǎn)速測(cè)試

選用高精度電機(jī)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)試功能進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)置軸的轉(zhuǎn)速為100r／min、500r／min、1 500r／min、2 000r／min、2 500r／min。假設(shè)某段時(shí)間內(nèi)方波的個(gè)數(shù)為N，單個(gè)容柵的寬度為L(zhǎng)，每次記錄容柵個(gè)數(shù)的時(shí)間為T，容柵所在位置處的半徑為R，則轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)式（2），轉(zhuǎn)速的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)速測(cè)試數(shù)據(jù)及分析Tab.1 Speed testing data and data analysis

3.2 扭矩測(cè)試

固定軸的轉(zhuǎn)速為300r／min時(shí)，設(shè)定8個(gè)的扭轉(zhuǎn)角，分 別 為 0.50°，1.00°，1.50°，2.00°，2.50°，3.00°，3.50°，4.00°對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的功能進(jìn)行精度檢測(cè)。

設(shè)定扭轉(zhuǎn)角為0.50°時(shí)檢測(cè)到的測(cè)試電路的兩路正弦波信號(hào)。未扭轉(zhuǎn)角之間兩路輸出信號(hào)的相位差為1.8ms，當(dāng)旋轉(zhuǎn)3.5°時(shí)，兩路輸出信號(hào)的相位差為2.07ms，則電路測(cè)量的相位差變化了0.27ms。

設(shè)定扭轉(zhuǎn)角為1.00°時(shí)檢測(cè)到的測(cè)試電路的兩路正弦波信號(hào)。未扭轉(zhuǎn)角之間兩路輸出信號(hào)的相位差為5.4ms，當(dāng)旋轉(zhuǎn)1.00°時(shí)，兩路輸出信號(hào)的相位差為6.07 ms，則電路測(cè)量的相位差變化了0.57ms。

根據(jù)角度和時(shí)間的關(guān)系：

其中，φ表示扭角值，單位：rad；Tφ表示轉(zhuǎn)過φ所用的時(shí)間，單位：s；n表示旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，單位：r／min。

當(dāng)測(cè)得的相位差信號(hào)變化0.27ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為0.51°，相對(duì)誤差為2%；當(dāng)測(cè)得的相位差信號(hào)變化0.57ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為1.02°，相對(duì)誤差為1.9%。

對(duì)測(cè)試的8組數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，測(cè)試數(shù)據(jù)和分析如表2所示。

表2 扭矩測(cè)試數(shù)據(jù)及分析Tab.2 Torque testing data and data analysis

4 結(jié)論

分離式差分結(jié)構(gòu)容柵傳感器轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)容柵式轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)，其分離式差分傳感器結(jié)構(gòu)能夠有效的減少系統(tǒng)寄生電容。另外，將傳感器粘貼于軸上，安裝方式不改變被測(cè)軸原有的結(jié)構(gòu)，消除了車輛在正常行駛過程中輸出軸所受徑向載荷以及轉(zhuǎn)彎過程中所受附加橫向載荷的影響。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差低于0.5%，扭矩相對(duì)誤差低于2%。分離式差分結(jié)構(gòu)容柵傳感器轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試系統(tǒng)存在的不足是：在扭矩測(cè)試時(shí)要求兩組傳感器相距一定的距離。在以后的研究中，將通過改善傳感器結(jié)構(gòu)，使一組傳感器就可以測(cè)試轉(zhuǎn)速、扭矩兩種動(dòng)態(tài)信號(hào)。

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