分離式差分結構容柵傳感器轉速扭矩測試系統

劉雙紅，靳 鴻，張海龍，鄭鳳琴

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

0 引言

轉速和扭矩是各種工作機轉動軸的基本載荷形式，是旋轉機械動力輸出的重要指標。車輛行駛過程中旋轉軸轉速和扭矩的測量，不僅能發現轉動軸存在的故障，也為研究其功率分配提供了重要的依據。特種車輛工作環境苛刻，行駛過程中振動和沖擊較大，電磁環境復雜，空間狹小［1］，其轉速扭矩的測量對測試系統提出更高的要求。近年來，基于容柵傳感器的轉速扭矩測試方法得到研究。容柵式轉速扭矩測試系統［2］借助于兩個交叉的差分電容通過差動脈寬調制電路傳輸轉速扭矩信號，但是鑒于實際測試中空間狹小，交叉的差分電容之間存在極大的寄生電容，影響測試精度甚至無法存儲有效數據。針對這一問題，在研究中對傳統容柵傳感器結構進行改進，得到分離式差分結構容柵傳感器轉速扭矩測試系統。

1 傳統容柵式轉速扭矩測試系統

1.1 容柵傳感器

傳統容柵傳感器由動柵和交叉式結構的靜柵極板組成，如圖1所示。傳統容柵傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎上發展起來的，是繼應變片式［3］、光柵式［4］、磁柵式［5］、電感式［6］后出現的新型轉速扭矩傳感器。容柵傳感器用一種撓性線路板腐蝕而成的電容極板［7］，動柵上均勻分布N個金屬電極，每個電極的兩端相連接，動柵結構上為N個電極并聯的形式，靜柵由尺寸結構對稱的2組柵狀電極交叉組成。

圖1 傳統容柵傳感器結構Fig.1 The structure of traditional capacitive grate transducer

1.2 測試系統原理

容柵傳感器轉速扭矩測試系統是借助于電容的周期性變化以及差動電容的相位差來加載轉速信息和扭矩信息。傳感器模塊采集的信號經調理后在CPLD的控制下工作，進入存儲器存儲。數據傳輸接口模塊將存儲器中的數據送至上位機，由上位機對數據進行處理。系統測試原理框圖如圖2所示。

旋轉軸轉動時，傳感器電容發生周期性變化，如圖3所示。通過差動脈寬調制電路［8］、差分電路、低通濾波電路處理，產生周期性變化的正弦波信號，正弦信號經鎖相環［9］轉換電路轉換成脈沖信號。脈沖信號的周期與轉速存在一定的關系，測得脈沖信號的周期就計算出轉速。

扭矩的測試原理和轉速相似，但需要兩組傳感器，傳感器安裝示意圖如圖4所示。扭矩具體測試為：在旋轉軸間隔L的兩端分別安裝一組傳感器。當旋轉軸不受扭矩作用時，兩組傳感器經信號調理輸出頻率相同、相位差為θ0的兩路信號，當旋轉軸受到扭矩作用時會產生扭角，對應的兩組傳感器輸出頻率相同、相位差為θ0＋Φ的兩路信號，Φ是由旋轉軸扭轉產生的扭轉角。

圖2 測試系統原理框圖Fig.2 The schematic diagram of testing system

圖3 電容容值變化規律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

由彈性轉軸的扭轉變形關系得到：

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

2 分離式差分結構容柵傳感器結構

轉速、扭矩測試技術的發展取決于傳感器的研究。該系統的傳感器采用分離式差分結構，排除寄生電容的影響，提高了信號采集精度。

傳統的容柵傳感器為交叉式結構，其結構使得極板A和極板B之間產生寄生電容，導致測試數據含有較多的噪聲并且影響信號穩定性。針對這一弊端，在研究中，對傳感器結構進行改進，得到分離式差分結構容柵傳感器。分離式差分結構容柵傳感器可以有效避免寄生電容的產生。其動柵由均勻分布的N組柵狀電極組成，每組電極之間相隔絕緣介質，N組電極的兩端相連接，構成一個并聯的電極；靜柵由尺寸結構對稱的2組柵狀電極分離交錯對插組成，每組柵狀電極之間夾有絕緣介質。靜柵電極的寬度、動柵電極的寬度、絕緣極板寬度相同，電極個數各為N，改進容柵式傳感器的結構如圖5所示。

圖5 分離式差分結構容柵傳感器結構Fig.5 The structure of separate differential capacitive grate transducer

傳感器的動柵黏貼在旋轉軸上，隨旋轉軸一起轉動；靜柵粘貼在固定套筒的內側。這樣，旋轉軸轉動時，靜柵的電容柵極相對動柵的電容柵極發生位移，從而容柵的電容值也隨著軸的轉動而發生變化。電容值的變化周期加載轉速信號，電容A和電容B的相位差加載扭矩信號。

3 仿真與實驗

對電路模塊功能進行功能測試，測試時，系統采用電池供電，由于測試電路主要是對信號相位的檢測，并不是檢測電壓幅值，因此選用單電源供電就滿足要求。供電電池一般為7.4V，因此在測試電路中需要采用LP2985系列電源芯片，分別為模擬電路和數字電路提供5V和3.3V電壓。在實際應用中，可以將坦克裝甲車上的電瓶電壓經電源管理芯片轉換成所需要的電壓值。

待電路功能穩定后，將測試系統在模擬試驗臺上完成了轉速、扭矩測試，模擬被測軸的外徑是60mm，那么圓軸的周長為60πmm。取柵極個數為20，動柵極板和蔽極板寬度相同，則動柵的極板寬度為1.5πmm。靜柵黏貼在一個內徑為62mm的套筒上，取20對。通過調整絕緣間隙大小，使得靜柵的寬度和動柵寬度相等為1.5πmm。模擬試驗臺實物圖如圖6所示。

圖6 模擬試驗臺實物圖Fig.6 The experiment platform

3.1 轉速測試

選用高精度電機對測試系統的轉速測試功能進行檢測。設置軸的轉速為100r／min、500r／min、1 500r／min、2 000r／min、2 500r／min。假設某段時間內方波的個數為N，單個容柵的寬度為L，每次記錄容柵個數的時間為T，容柵所在位置處的半徑為R，則轉速為：

根據式（2），轉速的測試數據如表1所示。

表1 轉速測試數據及分析Tab.1 Speed testing data and data analysis

3.2 扭矩測試

固定軸的轉速為300r／min時，設定8個的扭轉角，分 別 為 0.50°，1.00°，1.50°，2.00°，2.50°，3.00°，3.50°，4.00°對測試系統的功能進行精度檢測。

設定扭轉角為0.50°時檢測到的測試電路的兩路正弦波信號。未扭轉角之間兩路輸出信號的相位差為1.8ms，當旋轉3.5°時，兩路輸出信號的相位差為2.07ms，則電路測量的相位差變化了0.27ms。

設定扭轉角為1.00°時檢測到的測試電路的兩路正弦波信號。未扭轉角之間兩路輸出信號的相位差為5.4ms，當旋轉1.00°時，兩路輸出信號的相位差為6.07 ms，則電路測量的相位差變化了0.57ms。

根據角度和時間的關系：

其中，φ表示扭角值，單位：rad；Tφ表示轉過φ所用的時間，單位：s；n表示旋轉軸的轉速，單位：r／min。

當測得的相位差信號變化0.27ms時，對應的旋轉角度為0.51°，相對誤差為2%；當測得的相位差信號變化0.57ms時，對應的旋轉角度為1.02°，相對誤差為1.9%。

對測試的8組數據進行精度分析，測試數據和分析如表2所示。

表2 扭矩測試數據及分析Tab.2 Torque testing data and data analysis

4 結論

分離式差分結構容柵傳感器轉速扭矩測試系統是對傳統容柵式轉速扭矩測試系統的改進，其分離式差分傳感器結構能夠有效的減少系統寄生電容。另外，將傳感器粘貼于軸上，安裝方式不改變被測軸原有的結構，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彎過程中所受附加橫向載荷的影響。實驗表明，該系統的轉速相對誤差低于0.5%，扭矩相對誤差低于2%。分離式差分結構容柵傳感器轉速扭矩測試系統存在的不足是：在扭矩測試時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構，使一組傳感器就可以測試轉速、扭矩兩種動態信號。

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