劉雙紅，靳 鴻*，陳昌鑫，邊晶晶，劉 璐

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

基于鎖相環(huán)和PWM技術(shù)的容柵傳感器微小扭矩信號(hào)測(cè)試方法

劉雙紅1，2，靳 鴻1，2*，陳昌鑫1，2，邊晶晶1，2，劉 璐1，2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

針對(duì)特種車輛扭矩測(cè)試信號(hào)引線困難、信號(hào)易受干擾、安裝空間狹小的難題，提出了基于容柵傳感器的微小扭矩測(cè)試方法。測(cè)試借助PWM電路以及鎖相環(huán)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，不需要載頻和附加解調(diào)線路，電路簡(jiǎn)單，克服了安裝困難的缺點(diǎn)，同時(shí)降低了系統(tǒng)的傳輸誤差以及隨機(jī)噪聲干擾，提高了測(cè)試精度。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)的相對(duì)誤差小于2%。

扭矩測(cè)試;容柵傳感器;PWM;鎖相環(huán)

扭矩是動(dòng)力機(jī)械的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的重要參數(shù)，扭矩測(cè)試作為一種基本的測(cè)量手段，在國(guó)防軍事、航空航天以及機(jī)械制造領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。目前，常用的扭矩測(cè)試方法有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量［1］。傳統(tǒng)的應(yīng)變片接觸式測(cè)量往往需要利用集流環(huán)來完成信號(hào)傳輸，應(yīng)變片容易磨損、老化，在測(cè)量精度、經(jīng)濟(jì)性方面存在不足。非接觸性扭矩測(cè)試方法，比如光柵式、電感式也已經(jīng)在扭矩測(cè)試中得到廣泛的應(yīng)用，但電容式扭矩測(cè)試方法具有更好的特性，例如溫度穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在一些粉塵、油污、強(qiáng)磁場(chǎng)、空間狹小等惡劣環(huán)境下有其不可替代的作用［2］。本文提出的基于容柵傳感器的扭矩測(cè)試方法作為一種電容式測(cè)試方法，除了具備一般電容式測(cè)試的特點(diǎn)外，還具有測(cè)量精度高、靈敏幅度高、信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)單、傳輸誤差小等優(yōu)點(diǎn)，滿足特種車輛扭矩測(cè)試的特殊要求。

1 容柵傳感器微小扭矩測(cè)試原理

1.1 容柵傳感器結(jié)構(gòu)

容柵傳感器是用一種撓性線路板腐蝕而成的、梳齒狀的、可變面積型的電容極板［3］容柵傳感器由動(dòng)?xùn)藕挽o柵組成。動(dòng)?xùn)派暇鶆蚍植糔個(gè)金屬電極，每個(gè)電極的兩端相連接。電極之間為絕緣介質(zhì)，寬度與電極相等，動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)上為N個(gè)電極并聯(lián)的形式。靜柵由尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)稱的2組柵狀電極交錯(cuò)對(duì)插組成，不同電極之間有很小的絕緣間隙，靜柵電極的寬度與動(dòng)?xùn)烹姌O的寬度相同，電極個(gè)數(shù)為2N，容柵傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

容柵傳感器的動(dòng)?xùn)硼べN在旋轉(zhuǎn)軸上，隨旋轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，靜柵黏貼在一個(gè)固定在支架上的套筒內(nèi)側(cè)。這樣，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，靜柵的電容柵極相對(duì)動(dòng)?xùn)诺碾娙輺艠O發(fā)生位移，從而容柵的電容值也隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，如圖2所示。

圖2 容柵的電容值變化規(guī)律

1.2 扭矩測(cè)試原理

在旋轉(zhuǎn)軸間隔L的兩端分別安裝一組容柵傳感器。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸不受扭矩作用時(shí)，兩組傳感器的輸出為頻率、相位均相同的兩路信號(hào)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸收到扭矩作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭角，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)容柵傳感器的電容變化存在一個(gè)差值。如圖3所示。

圖3 容柵傳感器安裝示意圖

由彈性轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形關(guān)系得到:

式中:Mr為彈性轉(zhuǎn)軸兩測(cè)量端面的扭矩，N·m;G為彈性轉(zhuǎn)軸的剪切彈性模量Pa;Ip為截面的極慣性矩，m4;L為彈性轉(zhuǎn)軸兩測(cè)量截面的距離，m。由公式得出扭轉(zhuǎn)角θ正比于扭矩Mr，當(dāng)轉(zhuǎn)軸的形狀、尺寸及材料一定后，測(cè)出旋轉(zhuǎn)軸上相對(duì)距離為上的兩個(gè)橫截面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，即可求出旋轉(zhuǎn)軸的扭矩值。

2 關(guān)鍵技術(shù)

容柵傳感器采集到信號(hào)后送入后級(jí)測(cè)試電路，完成與傳感器匹配、傳輸、編碼、存儲(chǔ)、顯示的過程。測(cè)試電路主要由信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口模塊構(gòu)成。信號(hào)調(diào)理模塊完成于傳感器輸出信號(hào)的匹配及信號(hào)的預(yù)處理，主要由差動(dòng)脈寬調(diào)制電路、差分運(yùn)算電路、濾波放大電路和鎖相環(huán)電路組成，如圖4所示。數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)模塊由CPLD作為主控芯片，接受到兩路鎖相環(huán)輸出的方波信號(hào)后，對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行異或，得到相位差信號(hào)，運(yùn)用計(jì)數(shù)器對(duì)相位差信號(hào)進(jìn)行脈沖寬度計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)值進(jìn)入存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)傳輸接口模塊將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖4 信號(hào)調(diào)理模塊框圖

2.1 PWM技術(shù)

PWM技術(shù)就是通過對(duì)一系列脈寬的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形。如果調(diào)制后的PWM波形每個(gè)周期的脈寬占空比都相同，經(jīng)低通濾波后得到的是直流波形，如果每個(gè)周期的脈寬占空比是按照正弦波的規(guī)律變化的，經(jīng)低通濾波器后得到的是正弦波。另外，PWM控制對(duì)噪聲的抵抗能力很強(qiáng)，噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改為邏輯0或者將邏輯0改為邏輯1時(shí)，才能對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。

容柵傳感器的輸出為周期變化的電容信號(hào)，電容值得變化很小，直接測(cè)量難度大，借助于差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路將微小電容信號(hào)的變化調(diào)制為PWM信號(hào)，PWM調(diào)制原理如圖5所示。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路是利用對(duì)差動(dòng)電容進(jìn)行充放電，使電路輸出脈沖的占空比隨電容量變化而變化［4］。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 PWM調(diào)制原理

系統(tǒng)上電之后，比較器H1和H2輸出為高電平，即f和g點(diǎn)為高電位。此刻觸發(fā)器D端接高電平且時(shí)鐘上升沿一來，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的a和b兩端分別為高電平和低電平。當(dāng)a點(diǎn)為高電平，二極管D1截止，經(jīng)電阻R1對(duì)C1充電，直到c點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位(參考電壓Uf)，則比較器H1輸出端f點(diǎn)(清零端)為低電位，g點(diǎn)(置數(shù)端)為高電位，此時(shí)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端發(fā)生翻轉(zhuǎn)，C2開始充電，C1開始放電。如此循環(huán)反復(fù)，完成對(duì)電容充放電信號(hào)脈寬的調(diào)制。

圖6 差動(dòng)脈寬調(diào)制電路

2.2 鎖相環(huán)技術(shù)

鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，具有調(diào)制跟蹤的特性。只要讓環(huán)路有恰當(dāng)程度的低頻通路，壓控振蕩器輸出時(shí)鐘的頻率與相位就能跟隨輸入調(diào)相信號(hào)的頻率與相位的變化而變化［5］。容柵扭矩信號(hào)經(jīng)脈寬調(diào)制電路、差分運(yùn)算電路、低通濾波電路后輸出的信號(hào)為類似正弦波，并伴有各類噪聲信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換為非常平滑的方波信號(hào)送入后級(jí)電路進(jìn)行相位差測(cè)試。常用的過零點(diǎn)法在信號(hào)受諧波或噪聲干擾時(shí)相位差測(cè)量誤差較大［6］。目前鎖相環(huán)技術(shù)在微弱信號(hào)提取方面應(yīng)用比較多，它可以把淹沒在噪聲中的信號(hào)提取出來，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形、提純、跟蹤、濾波。我們選用MC14046BDW鎖相環(huán)集成芯片來設(shè)計(jì)所需的鎖相環(huán)路，完成對(duì)正弦信號(hào)的鎖相。鎖相環(huán)電路如下7圖所示。

圖7 鎖相環(huán)電路

3 提高系統(tǒng)測(cè)量分辨率和精度的措施

3.1 容柵傳感器的特殊結(jié)構(gòu)

容柵傳感器采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)的柵狀電容極板，通過多個(gè)具有相同間隔的柵條所產(chǎn)生的空間平均效應(yīng)［7］提高其測(cè)量精度。靜柵的差動(dòng)結(jié)構(gòu)，可降低非線性誤差，靈敏度比單級(jí)電容傳感器提高了一倍。差動(dòng)式電容傳感器還能減小靜電引力給測(cè)量帶來的影響，并有效地改善由于環(huán)境影響所造成的誤差。

3.2 電容接地極的巧妙選擇

動(dòng)?xùn)泡敵鲎鰹殡娙輧蓸O板中的接地極，直接與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連，減少了系統(tǒng)的寄生電容，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度。同時(shí)，避免了在高速旋轉(zhuǎn)的測(cè)試環(huán)境中傳感器供電和信號(hào)輸出的復(fù)雜引線問題。

3.3 差分運(yùn)算電路提高電路抗干擾能力

差動(dòng)脈寬調(diào)制電路輸出端為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的互補(bǔ)輸出端，對(duì)兩輸出端差動(dòng)形式輸出信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算［8］，使得送入后級(jí)電路的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比，即共模抑制比提高，從而使電路抗干擾能力更強(qiáng)。

3.4 D觸發(fā)器設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)測(cè)試精度

測(cè)試中，兩路調(diào)理電路的輸出信號(hào)之間有一定相位差，信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)后在CPLD內(nèi)進(jìn)行異或，得到相位差信號(hào)。相位差信號(hào)的脈寬通過計(jì)數(shù)電路得到。計(jì)數(shù)器是當(dāng)待測(cè)相位差信號(hào)為高電平且當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)上升沿時(shí)開始工作，直到待測(cè)相位差信號(hào)為低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)，在待測(cè)相位差信號(hào)為低電平期間完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在計(jì)數(shù)過程中，如果待測(cè)相位差信號(hào)的上升沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)的最后一個(gè)上升沿剛好超前待測(cè)相位差信號(hào)的上升沿，這樣出現(xiàn)了計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)與待測(cè)相位差信號(hào)不同步的問題，如圖8所示。

圖8 計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)與待測(cè)扭矩信號(hào)不同步的情況

在出現(xiàn)上述情況時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)器的各觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)變化時(shí)間不足而產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。為避免上述情況發(fā)生，需要將待測(cè)相位差信號(hào)與計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)進(jìn)行同步處理，具體方法如下:采用一個(gè)上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，待測(cè)相位差信號(hào)作為輸入信號(hào)，計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，這樣從D觸發(fā)器的Q端輸出的信號(hào)的上升沿就與計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)的上升沿同步了。計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)是在待測(cè)相位差信號(hào)為低且計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)為上升沿的時(shí)刻，同步后的脈沖信號(hào)同樣會(huì)在周期上產(chǎn)生誤差，可能會(huì)出現(xiàn)多記或少記的情況，但最大也只是一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期，從而提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

對(duì)電路模塊功能進(jìn)行功能測(cè)試后，將測(cè)試系統(tǒng)在模擬試驗(yàn)臺(tái)上完成了扭矩測(cè)試，模擬試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 模擬試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

固定軸的轉(zhuǎn)速為300 rot/min時(shí)，設(shè)定8個(gè)的扭轉(zhuǎn)角，分別為0.50°、1.00°、1.50°、2.00°、2.50°、3.00°、3.50°、4.00°對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的功能進(jìn)行精度檢測(cè)。

設(shè)定扭轉(zhuǎn)角為0.50°時(shí)檢測(cè)到的測(cè)試電路的兩路正弦波信號(hào)。未扭轉(zhuǎn)角之間兩路輸出信號(hào)的相位差為1.8 ms，當(dāng)旋轉(zhuǎn)3.5°時(shí)，兩路輸出信號(hào)的相位差為 2.07 ms，則電路測(cè)量的相位差變化了0.27 ms。

設(shè)定扭轉(zhuǎn)角為1.00°時(shí)檢測(cè)到的測(cè)試電路的兩路正弦波信號(hào)。未扭轉(zhuǎn)角之間兩路輸出信號(hào)的相位差為5.4ms，當(dāng)旋轉(zhuǎn)1.00°時(shí)，兩路輸出信號(hào)的相位差為6.07 ms，則電路測(cè)量的相位差變化了0.57 ms。

根據(jù)角度和時(shí)間的關(guān)系

可得

其中，φ表示扭角值，rad;Tφ表示轉(zhuǎn)過φ所用的時(shí)間，s;n表示旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，單位rot/min。

當(dāng)測(cè)得的相位差信號(hào)變化0.27 ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為0.51°，相對(duì)誤差為2%;當(dāng)測(cè)得的相位差信號(hào)變化0.57 ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為1.02°，相對(duì)誤差為1.9%。

對(duì)測(cè)試的8組數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，測(cè)試數(shù)據(jù)和分析如表1所示。

表1 模擬測(cè)試數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)論

容柵傳感器微小扭矩測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)件無引線連接，有效解決旋轉(zhuǎn)件上纏繞過多引線的問題，容柵傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)振動(dòng)以及狹小空間的測(cè)量，解決了目前光學(xué)、磁學(xué)傳感器在粉塵、油污、強(qiáng)磁場(chǎng)下無法測(cè)量的難題。容柵傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)的柵狀電容為差分形式輸出，經(jīng)PWM調(diào)制電路以及鎖相環(huán)電路對(duì)信號(hào)調(diào)理，不需載頻和附加解調(diào)線路，無波形失真，便于傳感器一體化設(shè)計(jì)，大大降低傳輸誤差以及隨機(jī)噪聲干擾，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的相對(duì)誤差低于2%。

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M icro Torque Measurement Utilizing Capacitive Sensor Based on PLL and PWM

LIU Shuanghong1，2，JIN Hong1，2*，CHEN Changxin1，2，BIAN Jingjing1，2，LIU Lu1，2
(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)

The challenges in special vehicle torque test come from the signal transmission difficulties，signal disturbance and limited installation space.To solve the problems，amicro-torquemeasurementmethods based on capacitive sensor is proposed.Themethods does notneed to designmodulating and demodulating circuitwith the help of pulsewidth modulation(PWM)circuit and phase locked loop(PLL)circuit.Simple circuitwhich overcomes the shortcomings of complex installation reduces transmission error and random noise，while increasing testing precision Experiments show that the relative error of thismethods is less than 2%.

torquemeasurement;capacitive sensor;PWM;PLL

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.015

TP202.43;TH823.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0059-04

2013-06-03修改日期:2013-06-25

EEACC:6140

劉雙紅(1988-)，女，山東省泰安市人，碩士研究生。研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試，信號(hào)與信息處理，liushuanghong@126.com;

靳 鴻(1974-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)閻毫迎h(huán)境的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，微型彈載測(cè)試儀和智能儀器等;在國(guó)內(nèi)外核心期刊和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文十余篇，其中7篇被EI、ISTP收錄。