劉 波, 謝 銳
(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051;2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,山西 太原 030051)
相較于其他傳感器來說,電容式傳感器輸入能量小(極板間靜電引力小)、靈敏度高,動(dòng)態(tài)性能好(可動(dòng)質(zhì)量小,且固有頻率高);結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好,可在高低溫、強(qiáng)輻射環(huán)境中工作;可實(shí)現(xiàn)非接觸測量的場合,應(yīng)用范圍廣泛,而且當(dāng)被測參數(shù)變化較快,參數(shù)值變化較小且有較高的測試精度要求時(shí),適合使用電容式傳感器[1]?,F(xiàn)有的微小電容的檢測方法主要有跨阻放大檢測法[2]、充放電電容檢測法以及電荷轉(zhuǎn)移法[3]等。
近年來,針對于微小電容信號(hào)的測量已成為電容式傳感器技術(shù)發(fā)展瓶頸的問題,有學(xué)者進(jìn)行了大量的研究與設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[4]針對電容傳感器的工作原理,以復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device,CPLD)為核心,采用基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time to digital converter,TDC)技術(shù)的芯片PS021,設(shè)計(jì)了一種高精度的微小電容檢測電路,可應(yīng)用于微位移、微加速等電容式傳感器的信號(hào)檢測。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了利用高精度計(jì)時(shí)芯片基于時(shí)間—數(shù)字轉(zhuǎn)換的微小電容測量系統(tǒng),并提出了一個(gè)適用于大多數(shù)傳感器設(shè)計(jì)的外圍電路較為簡單的高集成度單芯片解決方案。文獻(xiàn)[6]利用非平行板電容傳感器的邊緣效應(yīng),設(shè)計(jì)了淺層埋線探測系統(tǒng)中的微小電容檢測電路,實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確探測埋線位置的目的。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于電壓反饋運(yùn)算放大器,主要由激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊、電容檢測模塊、峰值檢波模塊和低通濾波器模塊四部分組成的電容檢測系統(tǒng)。
本實(shí)驗(yàn)室近年來對新的扭矩測試方法進(jìn)行了深入研究,針對實(shí)際應(yīng)用中扭矩測試存在的空間受限、旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)、沖擊振動(dòng)和電磁干擾等不利因素,采用了一種圓容柵傳感器系統(tǒng)。本文介紹了圓容柵扭矩傳感器的工作原理,針對其輸出信號(hào)的特點(diǎn)以及之前信號(hào)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的問題,設(shè)計(jì)了一種微小電容測量系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理,并對電路進(jìn)行Multisim仿真,驗(yàn)證了此系統(tǒng)在基于圓容柵傳感器的扭矩測量電路中的有效性。
圓容柵傳感器是一種角位移式傳感器,具有功耗小,靈敏度高,安裝簡易、響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是電極呈柵極排列形式,此結(jié)構(gòu)具有平均效應(yīng),降低了測試誤差,且電極多,靈敏度高[8]。
本實(shí)驗(yàn)室提出的圓容柵傳感器包括動(dòng)?xùn)藕挽o柵兩部分,動(dòng)靜柵是兩個(gè)平行相對的圓形柵極板,是在環(huán)狀基底運(yùn)用特殊工藝加工的扇形柵極群。動(dòng)?xùn)艠O板安裝固定于旋轉(zhuǎn)軸,極板上均勻分布著N個(gè)金屬柵極,相鄰柵極的兩端互連,柵極之間填充絕緣物質(zhì),結(jié)構(gòu)上來看動(dòng)?xùn)庞蒒個(gè)柵極并聯(lián)而成,其引線直接接地。靜柵極板則固定在承重底座上,由結(jié)構(gòu)對稱,大小相同的兩組扇形基板交叉構(gòu)成,記為靜柵極板A與靜柵極板B,兩者之間存在很小的絕緣縫隙,動(dòng)靜柵柵極寬度一致,但靜柵柵極個(gè)數(shù)為2N,除此之外,動(dòng)靜柵尺寸完全一致,靜柵兩個(gè)輸出引線A,B形成差動(dòng)輸出電容。此種差動(dòng)電容式傳感器很大程度降低了環(huán)境因素和靜電引力對測試造成的影響。圓容柵傳感器扭矩測試過程中,動(dòng)靜柵極板的相對覆蓋面積隨著旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生周期性變化并輸出呈差動(dòng)形式且周期變化的輸出信號(hào)。
在測量傳動(dòng)軸扭矩時(shí),使用兩組圓容柵傳感器并將其固定在距離為L的傳動(dòng)軸兩端。當(dāng)傳動(dòng)軸不受扭矩作用時(shí),兩組傳感器輸出電容信號(hào)頻率、相位均相同,若傳動(dòng)軸受到扭矩作用,則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)得扭轉(zhuǎn)角,引起兩傳感器電容變化存在差值,輸出的類正弦電容信號(hào)存在相位差,根據(jù)相位差與扭轉(zhuǎn)角關(guān)系,即可得到扭轉(zhuǎn)角的變化值,由于圓容柵傳感器輸出的是微小的電容變化信號(hào),變化值一般在PF級(jí)別。
在之前應(yīng)用的信號(hào)檢測電路中使用差動(dòng)脈寬調(diào)制電路、運(yùn)算濾波電路構(gòu)成信號(hào)調(diào)理模塊,與后續(xù)的相位差檢測電路相結(jié)合完成對于傳感器電容信號(hào)的檢測,但是實(shí)測中在高速旋轉(zhuǎn)的情況下,存在輸出波形振幅下降,電路測試不精確,干擾大,正弦波形存在雜亂波形等情況,為了獲得更好的測試精度,需要對微小電容測試系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
對于微小電容變化的檢測主要有兩種方法,一種是根據(jù)電容的定義式對電容器充電并將電容轉(zhuǎn)化為電壓或者時(shí)間。另一種是使用與已知電感值L構(gòu)成振蕩電路,將電容的變化檢測為諧振頻率的變化。本文中提出的微小電容變化測試系統(tǒng)原理如下,當(dāng)LC振蕩電路在共振頻率附近C的值發(fā)生變化時(shí),輸出信號(hào)相位角會(huì)發(fā)生比較大變化的特性,將電容變化檢測轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔徊畹臋z測。該系統(tǒng)完全由通用電子元件組成。
檢測系統(tǒng)原理圖如圖1所示,參考通道由R,C2以及L和C1組成的LC諧振構(gòu)成,測試通道在參考通道的基礎(chǔ)上在C1處并聯(lián)了待測電容。電容C2設(shè)置遠(yuǎn)小于C1,且為了使LC網(wǎng)絡(luò)的總阻抗不成為純虛數(shù)需插入電阻R,對電路施加周期性的固定頻率信號(hào),并測量L和C1之間的電壓,參考通道輸出信號(hào)與測試通道輸出信號(hào)均通過比較器進(jìn)行數(shù)字化,之后利用相位差檢測電路測量這些數(shù)字化信號(hào)的脈沖邊緣之間的時(shí)間差,相位差檢測電路的輸出脈沖由低通濾波器(LPF)平均,并轉(zhuǎn)換為代表相位差的直流電壓信號(hào)。
圖1 微小電容信號(hào)檢測系統(tǒng)原理
由R,C2,L和C1構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為
(1)
式中 j為虛數(shù)單位,ω為信號(hào)的角頻率,定義共振頻率如下所示
(2)
(3)
式中 由于C1遠(yuǎn)小于C2,ωR1小于ωR2,但兩者之間的差距很小。ω=ωR1時(shí),G(jω)分母的實(shí)部變?yōu)榱悖摬繛樨?fù),由此可知,在ω=ωR1時(shí),相角為90°。當(dāng)ω=ωR2時(shí),因?yàn)棣豏1<ωR2,所以實(shí)部是正的,虛部變?yōu)榱?。也由此可知,?ωR2時(shí),相角變?yōu)?°。相角的變化函數(shù)為
(4)
由于ωR1和ωR2的差異不大,所以在非常窄的范圍內(nèi),相位角急劇變化90°,考慮到Arctan函數(shù)的對稱性,180°~90°之間的相位角的變化也發(fā)生在較小的范圍內(nèi)。因此,相位角在ωR1頻率附近的一定范圍內(nèi)急劇單調(diào)變化。所以,如果在ωR1附近的頻率上施加信號(hào)后,C1變化,則共振頻率變化,輸出信號(hào)的相位也會(huì)有所變化。
根據(jù)傳遞函數(shù),增益在ωR1和ωR2之間的頻率下取最大值。令
(5)
(6)
由此可以看出,R值越小、C1/C2越大則其特征曲線的坡度越陡。并進(jìn)一步通過對傳遞函數(shù)的理論推導(dǎo)和MATLAB仿真得,當(dāng)L的取值較大時(shí),檢測C1變化的靈敏度越高。根據(jù)傳遞函數(shù),C1的變化為0.01 pF時(shí)對應(yīng)大約6°的位移。目前已存在很多檢測相位位移的方法,檢測到1°左右變化并不困難。
依據(jù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理以及各參數(shù)及靈敏度的關(guān)系,L電感值設(shè)為100 μH,C1=100 pF,C2=10 pF,R=100 Ω,而因?yàn)楸容^器輸入阻抗增加,靈敏度將大大提高,故比較器輸入阻抗設(shè)置為100 kΩ。比較器使用的是AD8611,AD8611是單電源4 ns快速比較器,與之功能相似的還有雙通道快速比較器AD8612和單電源7 ns快速比較器AD8561。信號(hào)發(fā)生器的固定頻率正弦波作為傳感信號(hào)施加到系統(tǒng)中,比較器分別將參考通道和測試通道兩端的檢測信號(hào)數(shù)字化。這些信號(hào)電容性地耦合到比較器。比較器的參考電壓是電源電壓的50 %。
相位檢測電路由5 V單電源供電,由兩個(gè)D觸發(fā)器組成的相位檢測產(chǎn)生比較之后的脈沖,脈沖寬度代表兩個(gè)信號(hào)之間的相位差。該脈沖由LPF轉(zhuǎn)換成DC電壓信號(hào),LPF由100 kΩ電阻和0.1 μF電容器組成。
在Multisim中搭建測試電路仿真驗(yàn)證,參考通道、測試通道以及比較器部分如圖2所示,圖3是相位差比較電路及LPF的仿真電路。
圖2 參考通道、測試通道、比較器Multisim模型
圖3 相位差檢測電路、LPF Multisim模型
以此系統(tǒng)為基礎(chǔ),對多個(gè)不同輸入信號(hào)下(包括10,30,50,70,90 pF以及更小的1,3,5,7,9 pF)進(jìn)行仿真,以輸入5 pF左右變化信號(hào)電容為例,參考通道、測試通道兩路AD8611輸入如圖4所示(為便于觀察,兩通道波形進(jìn)行了分離處理),脈沖差檢測電路兩路輸入如圖5所示,脈沖差檢測電路輸出如圖6所示。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提出的微小電容檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)檢測目的。
圖4 兩路AD8611輸入
圖5 脈沖差檢測電路兩路輸入
圖6 脈沖差檢測電路輸出
微小電容信號(hào)測量已逐漸成為電容式傳感器技術(shù)發(fā)展的瓶頸,對此問題的研究對于電容式傳感器的更廣泛應(yīng)用和更高精度應(yīng)用大有裨益。本文針對圓容柵扭矩傳感器應(yīng)用中輸出微小電容信號(hào)的測試中遇到的問題,提出了一種利用LC諧振來檢測電容微小變化的方法。說明了圓容柵傳感器的扭矩測試的基本工作原理。針對其輸出信號(hào)的特點(diǎn),提出了微小電容檢測系統(tǒng)并對其設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了介紹,最后在Multisim軟件中對提出電路進(jìn)行搭建仿真。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所提出的系統(tǒng)可以對微小電容信號(hào)進(jìn)行有效檢測,并且系統(tǒng)中使用的電路僅由通用器件組成,不使用任何特殊的功能器件,這在成本和適用性方面具有優(yōu)勢。將其應(yīng)用在圓容柵扭矩測試傳感器的輸出信號(hào)檢測上可以取得不錯(cuò)的效果,在之后的工作中,需要進(jìn)一步對電路進(jìn)行深入研究和優(yōu)化,提高檢測系統(tǒng)其他各方面性能指標(biāo)。