电容式扭矩传感器的微小电容检测系统设计*

刘 波， 谢 锐

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 电气与控制工程学院，山西 太原 030051)

0 引 言

相较于其他传感器来说，电容式传感器输入能量小(极板间静电引力小)、灵敏度高，动态性能好(可动质量小，且固有频率高)；结构简单、适应性好，可在高低温、强辐射环境中工作；可实现非接触测量的场合，应用范围广泛，而且当被测参数变化较快，参数值变化较小且有较高的测试精度要求时，适合使用电容式传感器[1]。现有的微小电容的检测方法主要有跨阻放大检测法[2]、充放电电容检测法以及电荷转移法[3]等。

近年来，针对于微小电容信号的测量已成为电容式传感器技术发展瓶颈的问题，有学者进行了大量的研究与设计。文献[4]针对电容传感器的工作原理，以复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device,CPLD)为核心，采用基于时间数字转换器(time to digital converter,TDC)技术的芯片PS021，设计了一种高精度的微小电容检测电路，可应用于微位移、微加速等电容式传感器的信号检测。文献[5]设计了利用高精度计时芯片基于时间—数字转换的微小电容测量系统，并提出了一个适用于大多数传感器设计的外围电路较为简单的高集成度单芯片解决方案。文献[6]利用非平行板电容传感器的边缘效应，设计了浅层埋线探测系统中的微小电容检测电路，实现了准确探测埋线位置的目的。文献[7]设计了基于电压反馈运算放大器，主要由激励信号产生模块、电容检测模块、峰值检波模块和低通滤波器模块四部分组成的电容检测系统。

本实验室近年来对新的扭矩测试方法进行了深入研究，针对实际应用中扭矩测试存在的空间受限、旋转轴高速旋转、冲击振动和电磁干扰等不利因素，采用了一种圆容栅传感器系统。本文介绍了圆容栅扭矩传感器的工作原理，针对其输出信号的特点以及之前信号检测系统设计中遇到的问题，设计了一种微小电容测量系统，介绍了系统设计原理，并对电路进行Multisim仿真，验证了此系统在基于圆容栅传感器的扭矩测量电路中的有效性。

1 圆容栅扭矩传感器测试工作原理

圆容栅传感器是一种角位移式传感器，具有功耗小，灵敏度高，安装简易、响应速度快，抗干扰能力强等特点。其主要优点是电极呈栅极排列形式，此结构具有平均效应，降低了测试误差，且电极多，灵敏度高[8]。

本实验室提出的圆容栅传感器包括动栅和静栅两部分，动静栅是两个平行相对的圆形栅极板，是在环状基底运用特殊工艺加工的扇形栅极群。动栅极板安装固定于旋转轴，极板上均匀分布着N个金属栅极，相邻栅极的两端互连，栅极之间填充绝缘物质，结构上来看动栅由N个栅极并联而成，其引线直接接地。静栅极板则固定在承重底座上，由结构对称，大小相同的两组扇形基板交叉构成，记为静栅极板A与静栅极板B，两者之间存在很小的绝缘缝隙，动静栅栅极宽度一致，但静栅栅极个数为2N，除此之外，动静栅尺寸完全一致，静栅两个输出引线A,B形成差动输出电容。此种差动电容式传感器很大程度降低了环境因素和静电引力对测试造成的影响。圆容栅传感器扭矩测试过程中，动静栅极板的相对覆盖面积随着旋转运动发生周期性变化并输出呈差动形式且周期变化的输出信号。

在测量传动轴扭矩时，使用两组圆容栅传感器并将其固定在距离为L的传动轴两端。当传动轴不受扭矩作用时，两组传感器输出电容信号频率、相位均相同，若传动轴受到扭矩作用，则会产生相应得扭转角，引起两传感器电容变化存在差值，输出的类正弦电容信号存在相位差，根据相位差与扭转角关系，即可得到扭转角的变化值，由于圆容栅传感器输出的是微小的电容变化信号，变化值一般在PF级别。

在之前应用的信号检测电路中使用差动脉宽调制电路、运算滤波电路构成信号调理模块，与后续的相位差检测电路相结合完成对于传感器电容信号的检测，但是实测中在高速旋转的情况下，存在输出波形振幅下降，电路测试不精确，干扰大，正弦波形存在杂乱波形等情况，为了获得更好的测试精度，需要对微小电容测试系统进行优化。

2 微小电容变化信号检测系统设计原理

对于微小电容变化的检测主要有两种方法，一种是根据电容的定义式对电容器充电并将电容转化为电压或者时间。另一种是使用与已知电感值L构成振荡电路，将电容的变化检测为谐振频率的变化。本文中提出的微小电容变化测试系统原理如下，当LC振荡电路在共振频率附近C的值发生变化时，输出信号相位角会发生比较大变化的特性，将电容变化检测转变为相位差的检测。该系统完全由通用电子元件组成。

检测系统原理图如图1所示，参考通道由R，C2以及L和C1组成的LC谐振构成，测试通道在参考通道的基础上在C1处并联了待测电容。电容C2设置远小于C1，且为了使LC网络的总阻抗不成为纯虚数需插入电阻R，对电路施加周期性的固定频率信号，并测量L和C1之间的电压，参考通道输出信号与测试通道输出信号均通过比较器进行数字化，之后利用相位差检测电路测量这些数字化信号的脉冲边缘之间的时间差，相位差检测电路的输出脉冲由低通滤波器(LPF)平均，并转换为代表相位差的直流电压信号。

图1 微小电容信号检测系统原理

由R，C2，L和C1构成网络的传递函数为

(1)

式中 j为虚数单位，ω为信号的角频率，定义共振频率如下所示

(2)

(3)

式中 由于C1远小于C2,ωR1小于ωR2，但两者之间的差距很小。ω=ωR1时，G(jω)分母的实部变为零，虚部为负，由此可知，在ω=ωR1时，相角为90°。当ω=ωR2时，因为ωR1<ωR2，所以实部是正的，虚部变为零。也由此可知，ω=ωR2时，相角变为0°。相角的变化函数为

(4)

由于ωR1和ωR2的差异不大，所以在非常窄的范围内，相位角急剧变化90°,考虑到Arctan函数的对称性，180°～90°之间的相位角的变化也发生在较小的范围内。因此，相位角在ωR1频率附近的一定范围内急剧单调变化。所以，如果在ωR1附近的频率上施加信号后，C1变化，则共振频率变化，输出信号的相位也会有所变化。

根据传递函数，增益在ωR1和ωR2之间的频率下取最大值。令

(5)

(6)

由此可以看出，R值越小、C1/C2越大则其特征曲线的坡度越陡。并进一步通过对传递函数的理论推导和MATLAB仿真得，当L的取值较大时，检测C1变化的灵敏度越高。根据传递函数，C1的变化为0.01 pF时对应大约6°的位移。目前已存在很多检测相位位移的方法，检测到1°左右变化并不困难。

3 测试电路Multisim仿真验证

依据检测系统设计原理以及各参数及灵敏度的关系，L电感值设为100 μH,C1=100 pF，C2=10 pF，R=100 Ω，而因为比较器输入阻抗增加，灵敏度将大大提高，故比较器输入阻抗设置为100 kΩ。比较器使用的是AD8611，AD8611是单电源4 ns快速比较器，与之功能相似的还有双通道快速比较器AD8612和单电源7 ns快速比较器AD8561。信号发生器的固定频率正弦波作为传感信号施加到系统中，比较器分别将参考通道和测试通道两端的检测信号数字化。这些信号电容性地耦合到比较器。比较器的参考电压是电源电压的50 %。

相位检测电路由5 V单电源供电，由两个D触发器组成的相位检测产生比较之后的脉冲，脉冲宽度代表两个信号之间的相位差。该脉冲由LPF转换成DC电压信号，LPF由100 kΩ电阻和0.1 μF电容器组成。

在Multisim中搭建测试电路仿真验证，参考通道、测试通道以及比较器部分如图2所示，图3是相位差比较电路及LPF的仿真电路。

图2 参考通道、测试通道、比较器Multisim模型

图3 相位差检测电路、LPF Multisim模型

以此系统为基础，对多个不同输入信号下(包括10,30,50,70,90 pF以及更小的1,3,5,7,9 pF)进行仿真，以输入5 pF左右变化信号电容为例，参考通道、测试通道两路AD8611输入如图4所示(为便于观察，两通道波形进行了分离处理)，脉冲差检测电路两路输入如图5所示，脉冲差检测电路输出如图6所示。以上实验结果证明所提出的微小电容检测系统可以实现检测目的。

图4 两路AD8611输入

图5 脉冲差检测电路两路输入

图6 脉冲差检测电路输出

4 结 论

微小电容信号测量已逐渐成为电容式传感器技术发展的瓶颈，对此问题的研究对于电容式传感器的更广泛应用和更高精度应用大有裨益。本文针对圆容栅扭矩传感器应用中输出微小电容信号的测试中遇到的问题，提出了一种利用LC谐振来检测电容微小变化的方法。说明了圆容栅传感器的扭矩测试的基本工作原理。针对其输出信号的特点，提出了微小电容检测系统并对其设计原理进行了介绍，最后在Multisim软件中对提出电路进行搭建仿真。仿真实验结果表明：所提出的系统可以对微小电容信号进行有效检测，并且系统中使用的电路仅由通用器件组成，不使用任何特殊的功能器件，这在成本和适用性方面具有优势。将其应用在圆容栅扭矩测试传感器的输出信号检测上可以取得不错的效果，在之后的工作中，需要进一步对电路进行深入研究和优化，提高检测系统其他各方面性能指标。