圓容柵傳感器設(shè)計及可靠性驗證

任宇佳，尤文斌，馬鐵華

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

圓容柵傳感器設(shè)計及可靠性驗證

任宇佳1，2，尤文斌1，2，馬鐵華1，2

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

為改善旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)扭矩測試中信號傳輸受限、供電復(fù)雜的現(xiàn)狀，提高傳感器靈敏度、響應(yīng)速度以及抗干擾能力，設(shè)計一種基于電容充放電特性的非接觸、無源圓容柵扭矩傳感器，并對其電磁特性進行仿真，分析傳感器的柵極數(shù)量及整體屏蔽對傳感器輸出的影響。通過試驗驗證可知傳感器的可靠性高，達到預(yù)期要求。

扭矩測試；圓容柵傳感器；電磁特性仿真；可靠性

0　引　言

在機械傳動系統(tǒng)中，扭矩是反映生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)性能的最典型機械量之一，扭矩測量及分析是保證各種生產(chǎn)及輔助設(shè)備安全正常運行、節(jié)省能源、提高系統(tǒng)效率的重要手段［1-2］。能否準(zhǔn)確、實時地測出轉(zhuǎn)動軸的扭矩，對于及時發(fā)現(xiàn)傳動軸存在的故障和改進設(shè)計具有非常重要意義［3］。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和生產(chǎn)的發(fā)展，扭矩測量技術(shù)有廣闊的應(yīng)用前景［4］。傳統(tǒng)容柵傳感器在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，如繼應(yīng)變片式［5］、光柵式［6］、磁柵式［7］、電感式［8］后出現(xiàn)的新型扭矩測試傳感器。本文在傳統(tǒng)容柵傳感器［9］研究的基礎(chǔ)上，對影響扭矩測試準(zhǔn)確度的主要因素進行深入分析，設(shè)計了一種圓容柵扭矩傳感器，用Ansoft公司的Maxwell軟件建立圓容柵傳感器模型，對其電磁特性進行仿真，并通過測試驗證了圓容柵傳感器的可靠性［10-11］。

1　圓容柵傳感器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

扭矩測試系統(tǒng)主要由圓容柵傳感器、測試電路和上位機數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。如圖1所示，容柵傳感器采用環(huán)狀容柵形式與被測軸配合連接，輸出的電壓信號經(jīng)過測試電路，再由USB口進入數(shù)據(jù)處理軟件對測試數(shù)據(jù)進行讀取。

圖1　容柵傳感器安裝示意圖

1.1基本結(jié)構(gòu)

圓容柵傳感器是一種角位移式傳感器［12］，它由兩個尺寸相同平行相對的圓環(huán)形柵極板構(gòu)成。安裝在轉(zhuǎn)軸上的極板稱為動?xùn)艠O板，固定在承重底座上的為靜柵極板。柵極板是在環(huán)狀基底上加工出來的扇形電極群。k個金屬扇形極板布局在動?xùn)疟P上，相鄰柵極首尾連接，所有柵極呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，極板中間用絕緣材料相隔。靜柵由大小相同、結(jié)構(gòu)對稱的兩組扇形極板交錯對插組成，即為靜柵極板A與靜柵極板B，相鄰的極板用極細的絕緣介質(zhì)相隔，極板個數(shù)為2k，其寬度和動?xùn)艠O板相同，如圖2所示。

1.2工作原理及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

扭矩測試原理：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，兩組傳感器經(jīng)信號調(diào)理輸出頻率相同、相位差為θ的兩路信號，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸受到扭矩作用時會產(chǎn)生扭角，對應(yīng)的兩組傳感器輸出頻率相同、相位差為θ+φ的兩路信號，φ是由旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角［13-14］。

測試過程中，傳感器的動靜柵平行放置，動?xùn)藕挽o柵圓盤與轉(zhuǎn)軸垂直。動?xùn)艌A盤和轉(zhuǎn)軸安裝在一起，與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)；靜柵圓盤與底座固定在一起，保持靜止，如圖3所示。相對平行的動靜柵，實現(xiàn)完全相互覆蓋，動靜柵間保持較小的間距，兩者構(gòu)成平行板電容器，在發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運動過程中，動?xùn)艠O板和靜柵極板A、B的相互覆蓋面積發(fā)生周期性變化，進而形成差動式電容輸出。這種動?xùn)诺牟⒙?lián)結(jié)構(gòu)可以改善傳感器分辨率，靜柵的差動結(jié)構(gòu)，能夠大幅度增強傳感器的抗干擾性能，降低非線性誤差，靈敏度比單級電容傳感器提高了一倍。不僅如此，靜電引力和環(huán)境因素對測試造成的影響也能通過這種差動式電容傳感器得到很大程度的降低。

測試過程中，動?xùn)排c轉(zhuǎn)軸直接相連作為公共地；靜柵的兩路差分輸出信號能夠直接輸入到后續(xù)信號處理電路。這種方式有效地解決了在高速旋轉(zhuǎn)過程中，傳感器供電和信號傳輸?shù)膯栴}。

圖2　圓容柵傳感器結(jié)構(gòu)

2　容柵柵極數(shù)的選擇

2.1圓容柵傳感器靜電場模型建立

用Ansoft Maxwell軟件建立圓容柵傳感器三維仿真模型。模型的具體尺寸如圖4所示，內(nèi)圓r= 43mm，外圓R=130mm，動靜柵為厚度1mm，動?xùn)排c靜柵間距為2mm，容柵柵極個數(shù)隨仿真要求而定。動靜柵柵極材料為銅，動?xùn)艝艠O之間為絕緣材料，求解區(qū)域采用軟件默認的材料屬性，即空氣。

為研究容柵柵極個數(shù)對傳感器輸出電容值的影響，對不同柵極個數(shù)的圓容柵傳感器進行仿真，所建三維模型如圖4所示。圖中圓容柵傳感器動?xùn)艝艠O個數(shù)k=10，相應(yīng)的靜柵柵極個數(shù)為20。同理畫出傳感器柵極個數(shù)k為20，30的模型。針對每個模型，在動靜柵完全正對時進行仿真，即動?xùn)判D(zhuǎn)0°，得到此時容柵的電容輸出值。再將動?xùn)艠O板分別旋轉(zhuǎn)1°，2°，3°，4°，5°，6°，得到仿真結(jié)果，對比觀察輸出電容值的變化。

圖3　圓容柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　圓容柵傳感器仿真模型示意圖

2.2變柵極數(shù)仿真結(jié)果分析

圓容柵傳感器柵極個數(shù)k為10，20，30，分別旋轉(zhuǎn)相應(yīng)度數(shù)后仿真得到的結(jié)果如表1所示。

由表可知，當(dāng)圓容柵的柵極個數(shù)k=10，動?xùn)藕挽o柵兩極板完全正對時，動?xùn)艠O板相對于靜柵A與靜柵B的差動電容值為173.97pF。靜柵保持不變，動?xùn)畔鄬o柵轉(zhuǎn)過1°，2°，3°，4°，5°，6°后，得到相應(yīng)的差動電容值，同理仿真可以得到柵極個數(shù)k為20、30的差動電容數(shù)據(jù)。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較高時，輸出信號會有較高的頻率，為了使輸出信號更大便于檢測，減弱邊緣效應(yīng)的作用，應(yīng)該相應(yīng)減小柵極個數(shù)，增大柵極面積。但如果減小柵極個數(shù)，會影響傳感器的分辨率。當(dāng)柵極個數(shù)k增大，柵極寬度變窄，降低了傳感器的靈敏度，造成線性失真；同時，容柵傳感器的輸出電容量也受到影響。由此可見，柵極個數(shù)k不能過大或過小。通過比較仿真數(shù)據(jù)可知k=20時，傳感器的差動電容值為189pF左右，輸出的電容信號最大。因此，選用圓容柵傳感器柵極個數(shù)k=20，使得傳感器的輸出電容信號更顯著，便于后期檢測。

表1　圓容柵變柵極個數(shù)仿真結(jié)果　pF

3　容柵傳感器整體屏蔽仿真及分析

3.1容柵傳感器金屬殼體屏蔽模型建立

實際測試過程中，動靜柵極板需要置于鋁制的金屬殼體中，二者組成完整的圓容柵傳感器進行測量。由于測試環(huán)境中夾雜著大量的電場干擾，會影響后期實驗數(shù)據(jù)。因此對金屬殼體的電場屏蔽作用進行仿真分析很有必要。

首先建立鋁制殼體容柵傳感器二維模型，設(shè)置求解類型為渦流磁場，殼體邊緣厚度為5mm。在距鋁制殼體兩側(cè)3mm的位置，放置兩塊平行電容板，在左側(cè)極板位置施加5 V激勵，右側(cè)為0V，形成一個恒定電場。繪制一條直線A從電容板出發(fā)橫向穿過鋁制殼體，直線穿越殼體示意圖如圖5所示。

3.2金屬殼體電場屏蔽結(jié)果分析

通過對上述金屬殼體容柵傳感器的二維模型進行仿真，得到殼體區(qū)域的電場分布云圖如圖6所示。

由圖6和圖7可知，直線在0～8mm區(qū)域（鋁制殼體外部）有較高的場強，一旦進入殼體，電場強度驟降。因此，鋁制金屬殼體對外界電場有較好的屏蔽作用，可以有效地屏蔽電場干擾，減少外部噪聲，提高測試準(zhǔn)確度。

4　圓容柵傳感器實地試驗驗證

在高速旋轉(zhuǎn)軸試驗臺上進行扭矩實地測試，旋轉(zhuǎn)軸規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍為800～1500r/min，分別取轉(zhuǎn)速為800，1000，1200，1400r/min時的輸出信號，將示波器顯示的波形截取任意一段再通過軟件繪制出來，如圖8～圖11所示，其中紅、藍線分別為靜柵A、靜柵B得到的信號變化曲線。

在不同的轉(zhuǎn)速下，低通濾波輸出的是類正弦波信號，信號頻率隨轉(zhuǎn)速的增大而明顯增大，通過計算兩個通道信號的相位差得到轉(zhuǎn)軸的扭矩，從而驗證了圓容柵扭矩傳感器的合理性和可行性。

圖5　直線穿越殼體示意圖

圖6　殼體電場分布云圖

圖7　直線區(qū)域電場強度圖

圖8　800r/min測試曲線

圖9　1000r/min測試曲線

圖10　1200r/min測試曲線

圖11　1400r/min測試曲線

5　結(jié)束語

本文設(shè)計的圓容柵扭矩傳感器具有裝配更加簡單，抗干擾能力強和環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，適用于旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)扭矩測試。通過對傳感器的電磁特性仿真實現(xiàn)了容柵柵極個數(shù)的優(yōu)選以及金屬殼體對外部電場干擾的有效屏蔽，并得到實地扭矩測試波形數(shù)據(jù)，驗證了圓容柵傳感器的可靠性。

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（編輯：劉楊）

Design and reliability verification of round capacitive sensor

REN Yujia1，2，YOU Wenbin1，2，MA Tiehua1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Inordertoimprovethecurrentsituationofsignaltransmissionlimitationand complicated power supply during dynamic torque test of rotating shaft and the sensitivity，response speed and the ability to resist interference of the sensor，a kind of non-contact and passive round capacitive torque sensor based on the characteristic of capacitance charge-discharge is designed，and its electromagnetic property is simulated to analyze the influence of the number of sensor grids and the whole shield on the sensor output.Experimental results show that the reliability of the sensor is high，and the sensor is expected to meet the requirements.

torque measurement；round capacitive sensor；electromagnetic characteristic simulation；reliability

A

1674-5124（2016）07-0079-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.016

2015-10-17；

2015-12-06

任宇佳（1991-），男，山西呂梁市人，碩士研究生，專業(yè)方向為動態(tài)測試與智能儀器。