基于鎖相環和PWM技術的容柵傳感器微小扭矩信號測試方法

劉雙紅，靳 鴻*，陳昌鑫，邊晶晶，劉 璐

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

基于鎖相環和PWM技術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國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態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電路以及鎖相環電路對信號進行調理，不需要載頻和附加解調線路，電路簡單，克服了安裝困難的缺點，同時降低了系統的傳輸誤差以及隨機噪聲干擾，提高了測試精度。實驗表明系統的相對誤差小于2%。

扭矩測試;容柵傳感器;PWM;鎖相環

扭矩是動力機械的動力性和經濟性評估的重要參數，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］。傳統的應變片接觸式測量往往需要利用集流環來完成信號傳輸，應變片容易磨損、老化，在測量精度、經濟性方面存在不足。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，例如溫度穩定性好、動態響應快、環境適應性強，在一些粉塵、油污、強磁場、空間狹小等惡劣環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、信號調理電路簡單、傳輸誤差小等優點，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 容柵傳感器結構

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，寬度與電極相等，動柵結構上為N個電極并聯的形式。靜柵由尺寸結構對稱的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，電極個數為2N，容柵傳感器的結構如圖1所示。

容柵傳感器的動柵黏貼在旋轉軸上，隨旋轉軸一起轉動，靜柵黏貼在一個固定在支架上的套筒內側。這樣，旋轉軸轉動時，靜柵的電容柵極相對動柵的電容柵極發生位移，從而容柵的電容值也隨著軸的轉動而發生變化，如圖2所示。

圖2 容柵的電容值變化規律

1.2 扭矩測試原理

在旋轉軸間隔L的兩端分別安裝一組容柵傳感器。當旋轉軸不受扭矩作用時，兩組傳感器的輸出為頻率、相位均相同的兩路信號，當旋轉軸收到扭矩作用時會產生扭角，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

由彈性轉軸的扭轉變形關系得到:

式中:Mr為彈性轉軸兩測量端面的扭矩，N·m;G為彈性轉軸的剪切彈性模量Pa;Ip為截面的極慣性矩，m4;L為彈性轉軸兩測量截面的距離，m。由公式得出扭轉角θ正比于扭矩Mr，當轉軸的形狀、尺寸及材料一定后，測出旋轉軸上相對距離為上的兩個橫截面的相對扭轉角，即可求出旋轉軸的扭矩值。

2 關鍵技術

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理模塊、數據記錄與存儲模塊、數據傳輸接口模塊構成。信號調理模塊完成于傳感器輸出信號的匹配及信號的預處理，主要由差動脈寬調制電路、差分運算電路、濾波放大電路和鎖相環電路組成，如圖4所示。數據記錄與存儲模塊由CPLD作為主控芯片，接受到兩路鎖相環輸出的方波信號后，對兩路信號進行異或，得到相位差信號，運用計數器對相位差信號進行脈沖寬度計數，數據值進入存儲器存儲。數據傳輸接口模塊將存儲器中的數據送至上位機，由上位機對數據進行處理。

圖4 信號調理模塊框圖

2.1 PWM技術

PWM技術就是通過對一系列脈寬的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形。如果調制后的PWM波形每個周期的脈寬占空比都相同，經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律變化的，經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，借助于差動脈沖調寬電路將微小電容信號的變化調制為PWM信號，PWM調制原理如圖5所示。差動脈沖調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］。差動脈沖調寬電路結構如圖6所示。

圖5 PWM調制原理

系統上電之后，比較器H1和H2輸出為高電平，即f和g點為高電位。此刻觸發器D端接高電平且時鐘上升沿一來，雙穩態觸發器的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(置數端)為高電位，此時雙穩態觸發器輸出端發生翻轉，C2開始充電，C1開始放電。如此循環反復，完成對電容充放電信號脈寬的調制。

圖6 差動脈寬調制電路

2.2 鎖相環技術

鎖相環路是一種反饋控制電路，具有調制跟蹤的特性。只要讓環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相信號的頻率與相位的變化而變化［5］。容柵扭矩信號經脈寬調制電路、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］。目前鎖相環技術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鎖相環集成芯片來設計所需的鎖相環路，完成對正弦信號的鎖相。鎖相環電路如下7圖所示。

圖7 鎖相環電路

3 提高系統測量分辨率和精度的措施

3.1 容柵傳感器的特殊結構

容柵傳感器采用差動結構的柵狀電容極板，通過多個具有相同間隔的柵條所產生的空間平均效應［7］提高其測量精度。靜柵的差動結構，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，直接與被測旋轉軸相連，減少了系統的寄生電容，提高了系統的測試精度。同時，避免了在高速旋轉的測試環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

差動脈寬調制電路輸出端為雙穩態觸發器的互補輸出端，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觸發器設計提高系統測試精度

測試中，兩路調理電路的輸出信號之間有一定相位差，信號經鎖相環后在CPLD內進行異或，得到相位差信號。相位差信號的脈寬通過計數電路得到。計數器是當待測相位差信號為高電平且當計數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，在待測相位差信號為低電平期間完成對數據的存儲。在計數過程中，如果待測相位差信號的上升沿到來時，計數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，這樣出現了計數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 計數脈沖信號與待測扭矩信號不同步的情況

在出現上述情況時，可能會出現計數器的各觸發器翻轉變化時間不足而產生錯誤數據的現象。為避免上述情況發生，需要將待測相位差信號與計數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的D觸發器，待測相位差信號作為輸入信號，計數脈沖信號作為D觸發器的時鐘信號，這樣從D觸發器的Q端輸出的信號的上升沿就與計數脈沖信號的上升沿同步了。計數器停止計數是在待測相位差信號為低且計數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生誤差，可能會出現多記或少記的情況，但最大也只是一個計數脈沖周期，從而提高了系統的測試精度。

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

固定軸的轉速為300 rot/min時，設定8個的扭轉角，分別為0.50°、1.00°、1.50°、2.00°、2.50°、3.00°、3.50°、4.00°對測試系統的功能進行精度檢測。

設定扭轉角為0.50°時檢測到的測試電路的兩路正弦波信號。未扭轉角之間兩路輸出信號的相位差為1.8 ms，當旋轉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。

設定扭轉角為1.00°時檢測到的測試電路的兩路正弦波信號。未扭轉角之間兩路輸出信號的相位差為5.4ms，當旋轉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。

根據角度和時間的關系

可得

其中，φ表示扭角值，rad;Tφ表示轉過φ所用的時間，s;n表示旋轉軸的轉速，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，對應的旋轉角度為1.02°，相對誤差為1.9%。

對測試的8組數據進行精度分析，測試數據和分析如表1所示。

表1 模擬測試數據分析

5 結論

容柵傳感器微小扭矩測試系統，實現了旋轉件無引線連接，有效解決旋轉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境適應性強等優點，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。容柵傳感器差動結構的柵狀電容為差分形式輸出，經PWM調制電路以及鎖相環電路對信號調理，不需載頻和附加解調線路，無波形失真，便于傳感器一體化設計，大大降低傳輸誤差以及隨機噪聲干擾，提高了系統的測試精度。實驗表明，該系統的相對誤差低于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境的動態參數測試，微型彈載測試儀和智能儀器等;在國內外核心期刊和學術會議上發表論文十余篇，其中7篇被EI、ISTP收錄。