圆容栅传感器设计及可靠性验证

任宇佳，尤文斌，马铁华

（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）

圆容栅传感器设计及可靠性验证

任宇佳1，2，尤文斌1，2，马铁华1，2

（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）

为改善旋转轴动态扭矩测试中信号传输受限、供电复杂的现状，提高传感器灵敏度、响应速度以及抗干扰能力，设计一种基于电容充放电特性的非接触、无源圆容栅扭矩传感器，并对其电磁特性进行仿真，分析传感器的栅极数量及整体屏蔽对传感器输出的影响。通过试验验证可知传感器的可靠性高，达到预期要求。

扭矩测试；圆容栅传感器；电磁特性仿真；可靠性

0　引　言

在机械传动系统中，扭矩是反映生产设备系统性能的最典型机械量之一，扭矩测量及分析是保证各种生产及辅助设备安全正常运行、节省能源、提高系统效率的重要手段［1-2］。能否准确、实时地测出转动轴的扭矩，对于及时发现传动轴存在的故障和改进设计具有非常重要意义［3］。随着科学技术的进步和生产的发展，扭矩测量技术有广阔的应用前景［4］。传统容栅传感器在变面积型电容传感器的基础上发展起来，如继应变片式［5］、光栅式［6］、磁栅式［7］、电感式［8］后出现的新型扭矩测试传感器。本文在传统容栅传感器［9］研究的基础上，对影响扭矩测试准确度的主要因素进行深入分析，设计了一种圆容栅扭矩传感器，用Ansoft公司的Maxwell软件建立圆容栅传感器模型，对其电磁特性进行仿真，并通过测试验证了圆容栅传感器的可靠性［10-11］。

1　圆容栅传感器总体结构设计

扭矩测试系统主要由圆容栅传感器、测试电路和上位机数据处理软件构成。如图1所示，容栅传感器采用环状容栅形式与被测轴配合连接，输出的电压信号经过测试电路，再由USB口进入数据处理软件对测试数据进行读取。

图1　容栅传感器安装示意图

1.1基本结构

圆容栅传感器是一种角位移式传感器［12］，它由两个尺寸相同平行相对的圆环形栅极板构成。安装在转轴上的极板称为动栅极板，固定在承重底座上的为静栅极板。栅极板是在环状基底上加工出来的扇形电极群。k个金属扇形极板布局在动栅盘上，相邻栅极首尾连接，所有栅极呈并联结构，极板中间用绝缘材料相隔。静栅由大小相同、结构对称的两组扇形极板交错对插组成，即为静栅极板A与静栅极板B，相邻的极板用极细的绝缘介质相隔，极板个数为2k，其宽度和动栅极板相同，如图2所示。

1.2工作原理及结构优势

扭矩测试原理：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θ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θ+φ的两路信号，φ是由旋转轴扭转产生的扭转角［13-14］。

测试过程中，传感器的动静栅平行放置，动栅和静栅圆盘与转轴垂直。动栅圆盘和转轴安装在一起，与转轴同步旋转；静栅圆盘与底座固定在一起，保持静止，如图3所示。相对平行的动静栅，实现完全相互覆盖，动静栅间保持较小的间距，两者构成平行板电容器，在发生相对旋转运动过程中，动栅极板和静栅极板A、B的相互覆盖面积发生周期性变化，进而形成差动式电容输出。这种动栅的并联结构可以改善传感器分辨率，静栅的差动结构，能够大幅度增强传感器的抗干扰性能，降低非线性误差，灵敏度比单级电容传感器提高了一倍。不仅如此，静电引力和环境因素对测试造成的影响也能通过这种差动式电容传感器得到很大程度的降低。

测试过程中，动栅与转轴直接相连作为公共地；静栅的两路差分输出信号能够直接输入到后续信号处理电路。这种方式有效地解决了在高速旋转过程中，传感器供电和信号传输的问题。

图2　圆容栅传感器结构

2　容栅栅极数的选择

2.1圆容栅传感器静电场模型建立

用Ansoft Maxwell软件建立圆容栅传感器三维仿真模型。模型的具体尺寸如图4所示，内圆r= 43mm，外圆R=130mm，动静栅为厚度1mm，动栅与静栅间距为2mm，容栅栅极个数随仿真要求而定。动静栅栅极材料为铜，动栅栅极之间为绝缘材料，求解区域采用软件默认的材料属性，即空气。

为研究容栅栅极个数对传感器输出电容值的影响，对不同栅极个数的圆容栅传感器进行仿真，所建三维模型如图4所示。图中圆容栅传感器动栅栅极个数k=10，相应的静栅栅极个数为20。同理画出传感器栅极个数k为20，30的模型。针对每个模型，在动静栅完全正对时进行仿真，即动栅旋转0°，得到此时容栅的电容输出值。再将动栅极板分别旋转1°，2°，3°，4°，5°，6°，得到仿真结果，对比观察输出电容值的变化。

图3　圆容栅传感器结构示意图

图4　圆容栅传感器仿真模型示意图

2.2变栅极数仿真结果分析

圆容栅传感器栅极个数k为10，20，30，分别旋转相应度数后仿真得到的结果如表1所示。

由表可知，当圆容栅的栅极个数k=10，动栅和静栅两极板完全正对时，动栅极板相对于静栅A与静栅B的差动电容值为173.97pF。静栅保持不变，动栅相对静栅转过1°，2°，3°，4°，5°，6°后，得到相应的差动电容值，同理仿真可以得到栅极个数k为20、30的差动电容数据。

当旋转轴转速较高时，输出信号会有较高的频率，为了使输出信号更大便于检测，减弱边缘效应的作用，应该相应减小栅极个数，增大栅极面积。但如果减小栅极个数，会影响传感器的分辨率。当栅极个数k增大，栅极宽度变窄，降低了传感器的灵敏度，造成线性失真；同时，容栅传感器的输出电容量也受到影响。由此可见，栅极个数k不能过大或过小。通过比较仿真数据可知k=20时，传感器的差动电容值为189pF左右，输出的电容信号最大。因此，选用圆容栅传感器栅极个数k=20，使得传感器的输出电容信号更显著，便于后期检测。

表1　圆容栅变栅极个数仿真结果　pF

3　容栅传感器整体屏蔽仿真及分析

3.1容栅传感器金属壳体屏蔽模型建立

实际测试过程中，动静栅极板需要置于铝制的金属壳体中，二者组成完整的圆容栅传感器进行测量。由于测试环境中夹杂着大量的电场干扰，会影响后期实验数据。因此对金属壳体的电场屏蔽作用进行仿真分析很有必要。

首先建立铝制壳体容栅传感器二维模型，设置求解类型为涡流磁场，壳体边缘厚度为5mm。在距铝制壳体两侧3mm的位置，放置两块平行电容板，在左侧极板位置施加5 V激励，右侧为0V，形成一个恒定电场。绘制一条直线A从电容板出发横向穿过铝制壳体，直线穿越壳体示意图如图5所示。

3.2金属壳体电场屏蔽结果分析

通过对上述金属壳体容栅传感器的二维模型进行仿真，得到壳体区域的电场分布云图如图6所示。

由图6和图7可知，直线在0～8mm区域（铝制壳体外部）有较高的场强，一旦进入壳体，电场强度骤降。因此，铝制金属壳体对外界电场有较好的屏蔽作用，可以有效地屏蔽电场干扰，减少外部噪声，提高测试准确度。

4　圆容栅传感器实地试验验证

在高速旋转轴试验台上进行扭矩实地测试，旋转轴规定转速范围为800～1500r/min，分别取转速为800，1000，1200，1400r/min时的输出信号，将示波器显示的波形截取任意一段再通过软件绘制出来，如图8～图11所示，其中红、蓝线分别为静栅A、静栅B得到的信号变化曲线。

在不同的转速下，低通滤波输出的是类正弦波信号，信号频率随转速的增大而明显增大，通过计算两个通道信号的相位差得到转轴的扭矩，从而验证了圆容栅扭矩传感器的合理性和可行性。

图5　直线穿越壳体示意图

图6　壳体电场分布云图

图7　直线区域电场强度图

图8　800r/min测试曲线

图9　1000r/min测试曲线

图10　1200r/min测试曲线

图11　1400r/min测试曲线

5　结束语

本文设计的圆容栅扭矩传感器具有装配更加简单，抗干扰能力强和环境适应性强等优点，适用于旋转轴的动态扭矩测试。通过对传感器的电磁特性仿真实现了容栅栅极个数的优选以及金属壳体对外部电场干扰的有效屏蔽，并得到实地扭矩测试波形数据，验证了圆容栅传感器的可靠性。

［1］闫晓强，张海，杨舒拉，等.轧机扭矩遥测系统［J］.冶金设备，2001，130（6）：63-65.

［2］SACKFIELD A，BARBERJ R，HILLS D A.A shrink-fit shaft subject to torsion［J］.European Journal of Mechanics A/Soilds，2002，21（10）：73-84.

［3］张建伟，杨卓静，马铁华，等.容栅传感技术在动态扭矩测试中的应用［J］.技术与应用，2012：17-19.

［4］LIN F J，WAI R J，LIN P C.Robust speed sensorless induction motor drive［J］.IEEE Trans Aerosp Electron Syst，1999，35（3）：566-578.

［5］王丹，林中.高准确度小扭矩标准机的研究与实现［D］.北京：北京邮电大学，2007.

［6］喻洪麟，刘旭飞，吴永烽.光栅扭矩传感器的信号电路设计［J］.光电工程，2005，32（8）：93-96.

［7］樊星，赵美蓉.基于光纤光栅的扭矩传感系统的研究［D］.天津：天津大学，2013.

［8］王华强，颜文俊.一种用于EPS系统的电感式扭矩传感器实施方案［C］∥第二十九届中国控制会议论文集.北京：TCCT，2010.

［9］刘双红，靳鸿，陈昌鑫，等.基于锁相环和PWM技术的容栅传感器微小扭矩信号测试方法［J］.电子器件，2014，37（1）：59-62.

［10］赵博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出社，2010：87-260.

［11］丁志强，陈仁文，章飘艳，等.单方向电磁式振动能量采集结构的设计与优化［J］.国外电子测量技术，2014（12）：43-48.

［12］张宇鹏，徐钰蕾，王昱棠.高精度电容式角位移传感器测量方法［J］.仪器仪表学报，2014，35（S1）：147-150.

［13］刘双红，靳鸿，张海龙，等.离式差分结构容栅传感器转速扭矩测试系统［J］.探测与控制学报，2013，35（5）：49-52.

［14］谢锐，马铁华，武耀艳，等.嵌入式容栅传感技术及轴功率测试研究［J］.仪器仪表学报，2012，33（4）：844-849.

（编辑：刘杨）

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，山西吕梁市人，硕士研究生，专业方向为动态测试与智能仪器。