分离式差分结构容栅传感器转速扭矩测试系统

刘双红，靳 鸿，张海龙，郑凤琴

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

转速和扭矩是各种工作机转动轴的基本载荷形式，是旋转机械动力输出的重要指标。车辆行驶过程中旋转轴转速和扭矩的测量，不仅能发现转动轴存在的故障，也为研究其功率分配提供了重要的依据。特种车辆工作环境苛刻，行驶过程中振动和冲击较大，电磁环境复杂，空间狭小［1］，其转速扭矩的测量对测试系统提出更高的要求。近年来，基于容栅传感器的转速扭矩测试方法得到研究。容栅式转速扭矩测试系统［2］借助于两个交叉的差分电容通过差动脉宽调制电路传输转速扭矩信号，但是鉴于实际测试中空间狭小，交叉的差分电容之间存在极大的寄生电容，影响测试精度甚至无法存储有效数据。针对这一问题，在研究中对传统容栅传感器结构进行改进，得到分离式差分结构容栅传感器转速扭矩测试系统。

1 传统容栅式转速扭矩测试系统

1.1 容栅传感器

传统容栅传感器由动栅和交叉式结构的静栅极板组成，如图1所示。传统容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的，是继应变片式［3］、光栅式［4］、磁栅式［5］、电感式［6］后出现的新型转速扭矩传感器。容栅传感器用一种挠性线路板腐蚀而成的电容极板［7］，动栅上均匀分布N个金属电极，每个电极的两端相连接，动栅结构上为N个电极并联的形式，静栅由尺寸结构对称的2组栅状电极交叉组成。

图1 传统容栅传感器结构Fig.1 The structure of traditional capacitive grate transducer

1.2 测试系统原理

容栅传感器转速扭矩测试系统是借助于电容的周期性变化以及差动电容的相位差来加载转速信息和扭矩信息。传感器模块采集的信号经调理后在CPLD的控制下工作，进入存储器存储。数据传输接口模块将存储器中的数据送至上位机，由上位机对数据进行处理。系统测试原理框图如图2所示。

旋转轴转动时，传感器电容发生周期性变化，如图3所示。通过差动脉宽调制电路［8］、差分电路、低通滤波电路处理，产生周期性变化的正弦波信号，正弦信号经锁相环［9］转换电路转换成脉冲信号。脉冲信号的周期与转速存在一定的关系，测得脉冲信号的周期就计算出转速。

扭矩的测试原理和转速相似，但需要两组传感器，传感器安装示意图如图4所示。扭矩具体测试为：在旋转轴间隔L的两端分别安装一组传感器。当旋转轴不受扭矩作用时，两组传感器经信号调理输出频率相同、相位差为θ0的两路信号，当旋转轴受到扭矩作用时会产生扭角，对应的两组传感器输出频率相同、相位差为θ0＋Φ的两路信号，Φ是由旋转轴扭转产生的扭转角。

图2 测试系统原理框图Fig.2 The schematic diagram of testing system

图3 电容容值变化规律Fig.3 The change rule of capacitance

图4 容栅传感器安装示意图Fig.4 Capacitive grate transducer installation diagram

由弹性转轴的扭转变形关系得到：

式中：Mr为弹性转轴两测量端面的扭矩，单位：N·m；G为弹性转轴的剪切弹性模量，单位：Pa；Ip为截面的极惯性矩，单位：m4；L为弹性转轴两测量截面的距离，单位：m。由式（1）得出扭转角Φ正比于扭矩Mr，当转轴的形状、尺寸及材料一定后，测出旋转轴上相对距离为上的两个横截面的相对扭转角，即可求出旋转轴的扭矩值。

2 分离式差分结构容栅传感器结构

转速、扭矩测试技术的发展取决于传感器的研究。该系统的传感器采用分离式差分结构，排除寄生电容的影响，提高了信号采集精度。

传统的容栅传感器为交叉式结构，其结构使得极板A和极板B之间产生寄生电容，导致测试数据含有较多的噪声并且影响信号稳定性。针对这一弊端，在研究中，对传感器结构进行改进，得到分离式差分结构容栅传感器。分离式差分结构容栅传感器可以有效避免寄生电容的产生。其动栅由均匀分布的N组栅状电极组成，每组电极之间相隔绝缘介质，N组电极的两端相连接，构成一个并联的电极；静栅由尺寸结构对称的2组栅状电极分离交错对插组成，每组栅状电极之间夹有绝缘介质。静栅电极的宽度、动栅电极的宽度、绝缘极板宽度相同，电极个数各为N，改进容栅式传感器的结构如图5所示。

图5 分离式差分结构容栅传感器结构Fig.5 The structure of separate differential capacitive grate transducer

传感器的动栅黏贴在旋转轴上，随旋转轴一起转动；静栅粘贴在固定套筒的内侧。这样，旋转轴转动时，静栅的电容栅极相对动栅的电容栅极发生位移，从而容栅的电容值也随着轴的转动而发生变化。电容值的变化周期加载转速信号，电容A和电容B的相位差加载扭矩信号。

3 仿真与实验

对电路模块功能进行功能测试，测试时，系统采用电池供电，由于测试电路主要是对信号相位的检测，并不是检测电压幅值，因此选用单电源供电就满足要求。供电电池一般为7.4V，因此在测试电路中需要采用LP2985系列电源芯片，分别为模拟电路和数字电路提供5V和3.3V电压。在实际应用中，可以将坦克装甲车上的电瓶电压经电源管理芯片转换成所需要的电压值。

待电路功能稳定后，将测试系统在模拟试验台上完成了转速、扭矩测试，模拟被测轴的外径是60mm，那么圆轴的周长为60πmm。取栅极个数为20，动栅极板和蔽极板宽度相同，则动栅的极板宽度为1.5πmm。静栅黏贴在一个内径为62mm的套筒上，取20对。通过调整绝缘间隙大小，使得静栅的宽度和动栅宽度相等为1.5πmm。模拟试验台实物图如图6所示。

图6 模拟试验台实物图Fig.6 The experiment platform

3.1 转速测试

选用高精度电机对测试系统的转速测试功能进行检测。设置轴的转速为100r／min、500r／min、1 500r／min、2 000r／min、2 500r／min。假设某段时间内方波的个数为N，单个容栅的宽度为L，每次记录容栅个数的时间为T，容栅所在位置处的半径为R，则转速为：

根据式（2），转速的测试数据如表1所示。

表1 转速测试数据及分析Tab.1 Speed testing data and data analysis

3.2 扭矩测试

固定轴的转速为300r／min时，设定8个的扭转角，分 别 为 0.50°，1.00°，1.50°，2.00°，2.50°，3.00°，3.50°，4.00°对测试系统的功能进行精度检测。

设定扭转角为0.50°时检测到的测试电路的两路正弦波信号。未扭转角之间两路输出信号的相位差为1.8ms，当旋转3.5°时，两路输出信号的相位差为2.07ms，则电路测量的相位差变化了0.27ms。

设定扭转角为1.00°时检测到的测试电路的两路正弦波信号。未扭转角之间两路输出信号的相位差为5.4ms，当旋转1.00°时，两路输出信号的相位差为6.07 ms，则电路测量的相位差变化了0.57ms。

根据角度和时间的关系：

其中，φ表示扭角值，单位：rad；Tφ表示转过φ所用的时间，单位：s；n表示旋转轴的转速，单位：r／min。

当测得的相位差信号变化0.27ms时，对应的旋转角度为0.51°，相对误差为2%；当测得的相位差信号变化0.57ms时，对应的旋转角度为1.02°，相对误差为1.9%。

对测试的8组数据进行精度分析，测试数据和分析如表2所示。

表2 扭矩测试数据及分析Tab.2 Torque testing data and data analysis

4 结论

分离式差分结构容栅传感器转速扭矩测试系统是对传统容栅式转速扭矩测试系统的改进，其分离式差分传感器结构能够有效的减少系统寄生电容。另外，将传感器粘贴于轴上，安装方式不改变被测轴原有的结构，消除了车辆在正常行驶过程中输出轴所受径向载荷以及转弯过程中所受附加横向载荷的影响。实验表明，该系统的转速相对误差低于0.5%，扭矩相对误差低于2%。分离式差分结构容栅传感器转速扭矩测试系统存在的不足是：在扭矩测试时要求两组传感器相距一定的距离。在以后的研究中，将通过改善传感器结构，使一组传感器就可以测试转速、扭矩两种动态信号。

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