電容式扭矩傳感器的微小電容檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉 波， 謝 銳

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

相較于其他傳感器來說，電容式傳感器輸入能量小(極板間靜電引力小)、靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好(可動(dòng)質(zhì)量小，且固有頻率高)；結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好，可在高低溫、強(qiáng)輻射環(huán)境中工作；可實(shí)現(xiàn)非接觸測量的場合，應(yīng)用范圍廣泛，而且當(dāng)被測參數(shù)變化較快，參數(shù)值變化較小且有較高的測試精度要求時(shí)，適合使用電容式傳感器[1]。現(xiàn)有的微小電容的檢測方法主要有跨阻放大檢測法[2]、充放電電容檢測法以及電荷轉(zhuǎn)移法[3]等。

近年來，針對于微小電容信號(hào)的測量已成為電容式傳感器技術(shù)發(fā)展瓶頸的問題，有學(xué)者進(jìn)行了大量的研究與設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[4]針對電容傳感器的工作原理，以復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device,CPLD)為核心，采用基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time to digital converter,TDC)技術(shù)的芯片PS021，設(shè)計(jì)了一種高精度的微小電容檢測電路，可應(yīng)用于微位移、微加速等電容式傳感器的信號(hào)檢測。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了利用高精度計(jì)時(shí)芯片基于時(shí)間—數(shù)字轉(zhuǎn)換的微小電容測量系統(tǒng)，并提出了一個(gè)適用于大多數(shù)傳感器設(shè)計(jì)的外圍電路較為簡單的高集成度單芯片解決方案。文獻(xiàn)[6]利用非平行板電容傳感器的邊緣效應(yīng)，設(shè)計(jì)了淺層埋線探測系統(tǒng)中的微小電容檢測電路，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確探測埋線位置的目的。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于電壓反饋運(yùn)算放大器，主要由激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊、電容檢測模塊、峰值檢波模塊和低通濾波器模塊四部分組成的電容檢測系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)室近年來對新的扭矩測試方法進(jìn)行了深入研究，針對實(shí)際應(yīng)用中扭矩測試存在的空間受限、旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)、沖擊振動(dòng)和電磁干擾等不利因素，采用了一種圓容柵傳感器系統(tǒng)。本文介紹了圓容柵扭矩傳感器的工作原理，針對其輸出信號(hào)的特點(diǎn)以及之前信號(hào)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的問題，設(shè)計(jì)了一種微小電容測量系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，并對電路進(jìn)行Multisim仿真，驗(yàn)證了此系統(tǒng)在基于圓容柵傳感器的扭矩測量電路中的有效性。

1 圓容柵扭矩傳感器測試工作原理

圓容柵傳感器是一種角位移式傳感器，具有功耗小，靈敏度高，安裝簡易、響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是電極呈柵極排列形式，此結(jié)構(gòu)具有平均效應(yīng)，降低了測試誤差，且電極多，靈敏度高[8]。

本實(shí)驗(yàn)室提出的圓容柵傳感器包括動(dòng)?xùn)藕挽o柵兩部分，動(dòng)靜柵是兩個(gè)平行相對的圓形柵極板，是在環(huán)狀基底運(yùn)用特殊工藝加工的扇形柵極群。動(dòng)?xùn)艠O板安裝固定于旋轉(zhuǎn)軸，極板上均勻分布著N個(gè)金屬柵極，相鄰柵極的兩端互連，柵極之間填充絕緣物質(zhì)，結(jié)構(gòu)上來看動(dòng)?xùn)庞蒒個(gè)柵極并聯(lián)而成，其引線直接接地。靜柵極板則固定在承重底座上，由結(jié)構(gòu)對稱，大小相同的兩組扇形基板交叉構(gòu)成，記為靜柵極板A與靜柵極板B，兩者之間存在很小的絕緣縫隙，動(dòng)靜柵柵極寬度一致，但靜柵柵極個(gè)數(shù)為2N，除此之外，動(dòng)靜柵尺寸完全一致，靜柵兩個(gè)輸出引線A,B形成差動(dòng)輸出電容。此種差動(dòng)電容式傳感器很大程度降低了環(huán)境因素和靜電引力對測試造成的影響。圓容柵傳感器扭矩測試過程中，動(dòng)靜柵極板的相對覆蓋面積隨著旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生周期性變化并輸出呈差動(dòng)形式且周期變化的輸出信號(hào)。

在測量傳動(dòng)軸扭矩時(shí)，使用兩組圓容柵傳感器并將其固定在距離為L的傳動(dòng)軸兩端。當(dāng)傳動(dòng)軸不受扭矩作用時(shí)，兩組傳感器輸出電容信號(hào)頻率、相位均相同，若傳動(dòng)軸受到扭矩作用，則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)得扭轉(zhuǎn)角，引起兩傳感器電容變化存在差值，輸出的類正弦電容信號(hào)存在相位差，根據(jù)相位差與扭轉(zhuǎn)角關(guān)系，即可得到扭轉(zhuǎn)角的變化值，由于圓容柵傳感器輸出的是微小的電容變化信號(hào)，變化值一般在PF級(jí)別。

在之前應(yīng)用的信號(hào)檢測電路中使用差動(dòng)脈寬調(diào)制電路、運(yùn)算濾波電路構(gòu)成信號(hào)調(diào)理模塊，與后續(xù)的相位差檢測電路相結(jié)合完成對于傳感器電容信號(hào)的檢測，但是實(shí)測中在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，存在輸出波形振幅下降，電路測試不精確，干擾大，正弦波形存在雜亂波形等情況，為了獲得更好的測試精度，需要對微小電容測試系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 微小電容變化信號(hào)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

對于微小電容變化的檢測主要有兩種方法，一種是根據(jù)電容的定義式對電容器充電并將電容轉(zhuǎn)化為電壓或者時(shí)間。另一種是使用與已知電感值L構(gòu)成振蕩電路，將電容的變化檢測為諧振頻率的變化。本文中提出的微小電容變化測試系統(tǒng)原理如下，當(dāng)LC振蕩電路在共振頻率附近C的值發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)相位角會(huì)發(fā)生比較大變化的特性，將電容變化檢測轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔徊畹臋z測。該系統(tǒng)完全由通用電子元件組成。

檢測系統(tǒng)原理圖如圖1所示，參考通道由R，C2以及L和C1組成的LC諧振構(gòu)成，測試通道在參考通道的基礎(chǔ)上在C1處并聯(lián)了待測電容。電容C2設(shè)置遠(yuǎn)小于C1，且為了使LC網(wǎng)絡(luò)的總阻抗不成為純虛數(shù)需插入電阻R，對電路施加周期性的固定頻率信號(hào)，并測量L和C1之間的電壓，參考通道輸出信號(hào)與測試通道輸出信號(hào)均通過比較器進(jìn)行數(shù)字化，之后利用相位差檢測電路測量這些數(shù)字化信號(hào)的脈沖邊緣之間的時(shí)間差，相位差檢測電路的輸出脈沖由低通濾波器(LPF)平均，并轉(zhuǎn)換為代表相位差的直流電壓信號(hào)。

圖1 微小電容信號(hào)檢測系統(tǒng)原理

由R，C2，L和C1構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為

(1)

式中 j為虛數(shù)單位，ω為信號(hào)的角頻率，定義共振頻率如下所示

(2)

(3)

式中 由于C1遠(yuǎn)小于C2,ωR1小于ωR2，但兩者之間的差距很小。ω=ωR1時(shí)，G(jω)分母的實(shí)部變?yōu)榱悖摬繛樨?fù)，由此可知，在ω=ωR1時(shí)，相角為90°。當(dāng)ω=ωR2時(shí)，因?yàn)棣豏1<ωR2，所以實(shí)部是正的，虛部變?yōu)榱恪Ｒ灿纱丝芍?ωR2時(shí)，相角變?yōu)?°。相角的變化函數(shù)為

(4)

由于ωR1和ωR2的差異不大，所以在非常窄的范圍內(nèi)，相位角急劇變化90°,考慮到Arctan函數(shù)的對稱性，180°～90°之間的相位角的變化也發(fā)生在較小的范圍內(nèi)。因此，相位角在ωR1頻率附近的一定范圍內(nèi)急劇單調(diào)變化。所以，如果在ωR1附近的頻率上施加信號(hào)后，C1變化，則共振頻率變化，輸出信號(hào)的相位也會(huì)有所變化。

根據(jù)傳遞函數(shù)，增益在ωR1和ωR2之間的頻率下取最大值。令

(5)

(6)

由此可以看出，R值越小、C1/C2越大則其特征曲線的坡度越陡。并進(jìn)一步通過對傳遞函數(shù)的理論推導(dǎo)和MATLAB仿真得，當(dāng)L的取值較大時(shí)，檢測C1變化的靈敏度越高。根據(jù)傳遞函數(shù)，C1的變化為0.01 pF時(shí)對應(yīng)大約6°的位移。目前已存在很多檢測相位位移的方法，檢測到1°左右變化并不困難。

3 測試電路Multisim仿真驗(yàn)證

依據(jù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理以及各參數(shù)及靈敏度的關(guān)系，L電感值設(shè)為100 μH,C1=100 pF，C2=10 pF，R=100 Ω，而因?yàn)楸容^器輸入阻抗增加，靈敏度將大大提高，故比較器輸入阻抗設(shè)置為100 kΩ。比較器使用的是AD8611，AD8611是單電源4 ns快速比較器，與之功能相似的還有雙通道快速比較器AD8612和單電源7 ns快速比較器AD8561。信號(hào)發(fā)生器的固定頻率正弦波作為傳感信號(hào)施加到系統(tǒng)中，比較器分別將參考通道和測試通道兩端的檢測信號(hào)數(shù)字化。這些信號(hào)電容性地耦合到比較器。比較器的參考電壓是電源電壓的50 %。

相位檢測電路由5 V單電源供電，由兩個(gè)D觸發(fā)器組成的相位檢測產(chǎn)生比較之后的脈沖，脈沖寬度代表兩個(gè)信號(hào)之間的相位差。該脈沖由LPF轉(zhuǎn)換成DC電壓信號(hào)，LPF由100 kΩ電阻和0.1 μF電容器組成。

在Multisim中搭建測試電路仿真驗(yàn)證，參考通道、測試通道以及比較器部分如圖2所示，圖3是相位差比較電路及LPF的仿真電路。

圖2 參考通道、測試通道、比較器Multisim模型

圖3 相位差檢測電路、LPF Multisim模型

以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對多個(gè)不同輸入信號(hào)下(包括10,30,50,70,90 pF以及更小的1,3,5,7,9 pF)進(jìn)行仿真，以輸入5 pF左右變化信號(hào)電容為例，參考通道、測試通道兩路AD8611輸入如圖4所示(為便于觀察，兩通道波形進(jìn)行了分離處理)，脈沖差檢測電路兩路輸入如圖5所示，脈沖差檢測電路輸出如圖6所示。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提出的微小電容檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)檢測目的。

圖4 兩路AD8611輸入

圖5 脈沖差檢測電路兩路輸入

圖6 脈沖差檢測電路輸出

4 結(jié) 論

微小電容信號(hào)測量已逐漸成為電容式傳感器技術(shù)發(fā)展的瓶頸，對此問題的研究對于電容式傳感器的更廣泛應(yīng)用和更高精度應(yīng)用大有裨益。本文針對圓容柵扭矩傳感器應(yīng)用中輸出微小電容信號(hào)的測試中遇到的問題，提出了一種利用LC諧振來檢測電容微小變化的方法。說明了圓容柵傳感器的扭矩測試的基本工作原理。針對其輸出信號(hào)的特點(diǎn)，提出了微小電容檢測系統(tǒng)并對其設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了介紹，最后在Multisim軟件中對提出電路進(jìn)行搭建仿真。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的系統(tǒng)可以對微小電容信號(hào)進(jìn)行有效檢測，并且系統(tǒng)中使用的電路僅由通用器件組成，不使用任何特殊的功能器件，這在成本和適用性方面具有優(yōu)勢。將其應(yīng)用在圓容柵扭矩測試傳感器的輸出信號(hào)檢測上可以取得不錯(cuò)的效果，在之后的工作中，需要進(jìn)一步對電路進(jìn)行深入研究和優(yōu)化，提高檢測系統(tǒng)其他各方面性能指標(biāo)。