劉雙紅，靳 鴻*，陳昌鑫，邊晶晶，劉 璐

(1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，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測試方法

劉雙紅1，2，靳 鴻1，2*，陳昌鑫1，2，邊晶晶1，2，劉 璐1，2

(1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

針對特種車輛扭矩測試信號引線困難、信號易受干擾、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試方法。測試借助PWM電路以及鎖相環(huán)電路對信號進行調(diào)理，不需要載頻和附加解調(diào)線路，電路簡單，克服了安裝困難的缺點，同時降低了系統(tǒng)的傳輸誤差以及隨機噪聲干擾，提高了測試精度。實驗表明系統(tǒng)的相對誤差小于2%。

扭矩測試;容柵傳感器;PWM;鎖相環(huán)

扭矩是動力機械的動力性和經(jīng)濟性評估的重要參數(shù)，扭矩測試作為一種基本的測量手段，在國防軍事、航空航天以及機械制造領(lǐng)域有著十分廣泛的應用。目前，常用的扭矩測試方法有接觸式測量和非接觸式測量［1］。傳統(tǒng)的應變片接觸式測量往往需要利用集流環(huán)來完成信號傳輸，應變片容易磨損、老化，在測量精度、經(jīng)濟性方面存在不足。非接觸性扭矩測試方法，比如光柵式、電感式也已經(jīng)在扭矩測試中得到廣泛的應用，但電容式扭矩測試方法具有更好的特性，例如溫度穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快、環(huán)境適應性強，在一些粉塵、油污、強磁場、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試方法作為一種電容式測試方法，除了具備一般電容式測試的特點外，還具有測量精度高、靈敏幅度高、信號調(diào)理電路簡單、傳輸誤差小等優(yōu)點，滿足特種車輛扭矩測試的特殊要求。

1 容柵傳感器微小扭矩測試原理

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］容柵傳感器由動柵和靜柵組成。動柵上均勻分布N個金屬電極，每個電極的兩端相連接。電極之間為絕緣介質(zhì)，寬度與電極相等，動柵結(jié)構(gòu)上為N個電極并聯(lián)的形式。靜柵由尺寸結(jié)構(gòu)對稱的2組柵狀電極交錯對插組成，不同電極之間有很小的絕緣間隙，靜柵電極的寬度與動柵電極的寬度相同，電極個數(shù)為2N，容柵傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

容柵傳感器的動柵黏貼在旋轉(zhuǎn)軸上，隨旋轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，靜柵黏貼在一個固定在支架上的套筒內(nèi)側(cè)。這樣，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，靜柵的電容柵極相對動柵的電容柵極發(fā)生位移，從而容柵的電容值也隨著軸的轉(zhuǎn)動而發(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。當旋轉(zhuǎn)軸不受扭矩作用時，兩組傳感器的輸出為頻率、相位均相同的兩路信號，當旋轉(zhuǎn)軸收到扭矩作用時會產(chǎn)生扭角，對應的兩個容柵傳感器的電容變化存在一個差值。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)軸兩測量截面的距離，m。由公式得出扭轉(zhuǎn)角θ正比于扭矩Mr，當轉(zhuǎn)軸的形狀、尺寸及材料一定后，測出旋轉(zhuǎn)軸上相對距離為上的兩個橫截面的相對扭轉(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后送入后級測試電路，完成與傳感器匹配、傳輸、編碼、存儲、顯示的過程。測試電路主要由信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)記錄與存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口模塊構(gòu)成。信號調(diào)理模塊完成于傳感器輸出信號的匹配及信號的預處理，主要由差動脈寬調(diào)制電路、差分運算電路、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)輸出的方波信號后，對兩路信號進行異或，得到相位差信號，運用計數(shù)器對相位差信號進行脈沖寬度計數(shù)，數(shù)據(jù)值進入存儲器存儲。數(shù)據(jù)傳輸接口模塊將存儲器中的數(shù)據(jù)送至上位機，由上位機對數(shù)據(jù)進行處理。

圖4 信號調(diào)理模塊框圖

2.1 PWM技術(shù)

PWM技術(shù)就是通過對一系列脈寬的寬度進行調(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控制對噪聲的抵抗能力很強，噪聲只有在強到足以將邏輯1改為邏輯0或者將邏輯0改為邏輯1時，才能對信號產(chǎn)生影響。

容柵傳感器的輸出為周期變化的電容信號，電容值得變化很小，直接測量難度大，借助于差動脈沖調(diào)寬電路將微小電容信號的變化調(diào)制為PWM信號，PWM調(diào)制原理如圖5所示。差動脈沖調(diào)寬電路是利用對差動電容進行充放電，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點為高電位。此刻觸發(fā)器D端接高電平且時鐘上升沿一來，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a點為高電平，二極管D1截止，經(jīng)電阻R1對C1充電，直到c點電位高于e點電位(參考電壓Uf)，則比較器H1輸出端f點(清零端)為低電位，g點(置數(shù)端)為高電位，此時雙穩(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，完成對電容充放電信號脈寬的調(diào)制。

圖6 差動脈寬調(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)路有恰當程度的低頻通路，壓控振蕩器輸出時鐘的頻率與相位就能跟隨輸入調(diào)相信號的頻率與相位的變化而變化［5］。容柵扭矩信號經(jīng)脈寬調(diào)制電路、差分運算電路、低通濾波電路后輸出的信號為類似正弦波，并伴有各類噪聲信號，需要轉(zhuǎn)換為非常平滑的方波信號送入后級電路進行相位差測試。常用的過零點法在信號受諧波或噪聲干擾時相位差測量誤差較大［6］。目前鎖相環(huán)技術(shù)在微弱信號提取方面應用比較多，它可以把淹沒在噪聲中的信號提取出來，可以對信號進行整形、提純、跟蹤、濾波。我們選用MC14046BDW鎖相環(huán)集成芯片來設(shè)計所需的鎖相環(huán)路，完成對正弦信號的鎖相。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結(jié)構(gòu)的柵狀電容極板，通過多個具有相同間隔的柵條所產(chǎn)生的空間平均效應［7］提高其測量精度。靜柵的差動結(jié)構(gòu)，可降低非線性誤差，靈敏度比單級電容傳感器提高了一倍。差動式電容傳感器還能減小靜電引力給測量帶來的影響，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

動柵輸出做為電容兩極板中的接地極，直接與被測旋轉(zhuǎn)軸相連，減少了系統(tǒng)的寄生電容，提高了系統(tǒng)的測試精度。同時，避免了在高速旋轉(zhuǎn)的測試環(huán)境中傳感器供電和信號輸出的復雜引線問題。

3.3 差分運算電路提高電路抗干擾能力

差動脈寬調(diào)制電路輸出端為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的互補輸出端，對兩輸出端差動形式輸出信號進行差分運算［8］，使得送入后級電路的差模信號與共模信號的幅值之比，即共模抑制比提高，從而使電路抗干擾能力更強。

3.4 D觸發(fā)器設(shè)計提高系統(tǒng)測試精度

測試中，兩路調(diào)理電路的輸出信號之間有一定相位差，信號經(jīng)鎖相環(huán)后在CPLD內(nèi)進行異或，得到相位差信號。相位差信號的脈寬通過計數(shù)電路得到。計數(shù)器是當待測相位差信號為高電平且當計數(shù)脈沖信號上升沿時開始工作，直到待測相位差信號為低電平時停止計數(shù)，在待測相位差信號為低電平期間完成對數(shù)據(jù)的存儲。在計數(shù)過程中，如果待測相位差信號的上升沿到來時，計數(shù)脈沖信號的最后一個上升沿剛好超前待測相位差信號的上升沿，這樣出現(xiàn)了計數(shù)脈沖信號與待測相位差信號不同步的問題，如圖8所示。

圖8 計數(shù)脈沖信號與待測扭矩信號不同步的情況

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

4 仿真與實驗

對電路模塊功能進行功能測試后，將測試系統(tǒng)在模擬試驗臺上完成了扭矩測試，模擬試驗臺實物圖如圖9所示。

圖9 模擬試驗臺實物圖

固定軸的轉(zhuǎn)速為300 rot/min時，設(shè)定8個的扭轉(zhuǎn)角，分別為0.50°、1.00°、1.50°、2.00°、2.50°、3.00°、3.50°、4.00°對測試系統(tǒng)的功能進行精度檢測。

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

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

根據(jù)角度和時間的關(guān)系

可得

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

當測得的相位差信號變化0.27 ms時，對應的旋轉(zhuǎn)角度為0.51°，相對誤差為2%;當測得的相位差信號變化0.57 ms時，對應的旋轉(zhuǎn)角度為1.02°，相對誤差為1.9%。

對測試的8組數(shù)據(jù)進行精度分析，測試數(shù)據(jù)和分析如表1所示。

表1 模擬測試數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)論

容柵傳感器微小扭矩測試系統(tǒng)，實現(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和環(huán)境適應性強等優(yōu)點，特別適合強磁場、強振動以及狹小空間的測量，解決了目前光學、磁學傳感器在粉塵、油污、強磁場下無法測量的難題。容柵傳感器差動結(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)電路對信號調(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，大大降低傳輸誤差以及隨機噪聲干擾，提高了系統(tǒng)的測試精度。實驗表明，該系統(tǒng)的相對誤差低于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 文獻標識碼:A 文章編號: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。研究方向為動態(tài)測試，信號與信息處理，liushuanghong@126.com;

靳 鴻(1974-)，女，副教授，碩士生導師。主要研究方向為惡劣環(huán)境的動態(tài)參數(shù)測試，微型彈載測試儀和智能儀器等;在國內(nèi)外核心期刊和學術(shù)會議上發(fā)表論文十余篇，其中7篇被EI、ISTP收錄。