基于锁相环和PWM技术的容栅传感器微小扭矩信号测试方法

2014-09-28刘双红陈昌鑫边晶晶

电子器件 2014年1期

关键词：锁相环差动扭矩

刘双红，靳鸿*，陈昌鑫，边晶晶，刘璐

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

基于锁相环和PWM技术的容栅传感器微小扭矩信号测试方法

刘双红1，2，靳鸿1，2*，陈昌鑫1，2，边晶晶1，2，刘璐1，2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

针对特种车辆扭矩测试信号引线困难、信号易受干扰、安装空间狭小的难题，提出了基于容栅传感器的微小扭矩测试方法。测试借助PWM电路以及锁相环电路对信号进行调理，不需要载频和附加解调线路，电路简单，克服了安装困难的缺点，同时降低了系统的传输误差以及随机噪声干扰，提高了测试精度。实验表明系统的相对误差小于2%。

扭矩测试;容栅传感器;PWM;锁相环

扭矩是动力机械的动力性和经济性评估的重要参数，扭矩测试作为一种基本的测量手段，在国防军事、航空航天以及机械制造领域有着十分广泛的应用。目前，常用的扭矩测试方法有接触式测量和非接触式测量［1］。传统的应变片接触式测量往往需要利用集流环来完成信号传输，应变片容易磨损、老化，在测量精度、经济性方面存在不足。非接触性扭矩测试方法，比如光栅式、电感式也已经在扭矩测试中得到广泛的应用，但电容式扭矩测试方法具有更好的特性，例如温度稳定性好、动态响应快、环境适应性强，在一些粉尘、油污、强磁场、空间狭小等恶劣环境下有其不可替代的作用［2］。本文提出的基于容栅传感器的扭矩测试方法作为一种电容式测试方法，除了具备一般电容式测试的特点外，还具有测量精度高、灵敏幅度高、信号调理电路简单、传输误差小等优点，满足特种车辆扭矩测试的特殊要求。

1 容栅传感器微小扭矩测试原理

1.1 容栅传感器结构

容栅传感器是用一种挠性线路板腐蚀而成的、梳齿状的、可变面积型的电容极板［3］容栅传感器由动栅和静栅组成。动栅上均匀分布N个金属电极，每个电极的两端相连接。电极之间为绝缘介质，宽度与电极相等，动栅结构上为N个电极并联的形式。静栅由尺寸结构对称的2组栅状电极交错对插组成，不同电极之间有很小的绝缘间隙，静栅电极的宽度与动栅电极的宽度相同，电极个数为2N，容栅传感器的结构如图1所示。

容栅传感器的动栅黏贴在旋转轴上，随旋转轴一起转动，静栅黏贴在一个固定在支架上的套筒内侧。这样，旋转轴转动时，静栅的电容栅极相对动栅的电容栅极发生位移，从而容栅的电容值也随着轴的转动而发生变化，如图2所示。

图2 容栅的电容值变化规律

1.2 扭矩测试原理

在旋转轴间隔L的两端分别安装一组容栅传感器。当旋转轴不受扭矩作用时，两组传感器的输出为频率、相位均相同的两路信号，当旋转轴收到扭矩作用时会产生扭角，对应的两个容栅传感器的电容变化存在一个差值。如图3所示。

图3 容栅传感器安装示意图

由弹性转轴的扭转变形关系得到:

式中:Mr为弹性转轴两测量端面的扭矩，N·m;G为弹性转轴的剪切弹性模量Pa;Ip为截面的极惯性矩，m4;L为弹性转轴两测量截面的距离，m。由公式得出扭转角θ正比于扭矩Mr，当转轴的形状、尺寸及材料一定后，测出旋转轴上相对距离为上的两个横截面的相对扭转角，即可求出旋转轴的扭矩值。

2 关键技术

容栅传感器采集到信号后送入后级测试电路，完成与传感器匹配、传输、编码、存储、显示的过程。测试电路主要由信号调理模块、数据记录与存储模块、数据传输接口模块构成。信号调理模块完成于传感器输出信号的匹配及信号的预处理，主要由差动脉宽调制电路、差分运算电路、滤波放大电路和锁相环电路组成，如图4所示。数据记录与存储模块由CPLD作为主控芯片，接受到两路锁相环输出的方波信号后，对两路信号进行异或，得到相位差信号，运用计数器对相位差信号进行脉冲宽度计数，数据值进入存储器存储。数据传输接口模块将存储器中的数据送至上位机，由上位机对数据进行处理。

图4 信号调理模块框图

2.1 PWM技术

PWM技术就是通过对一系列脉宽的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。如果调制后的PWM波形每个周期的脉宽占空比都相同，经低通滤波后得到的是直流波形，如果每个周期的脉宽占空比是按照正弦波的规律变化的，经低通滤波器后得到的是正弦波。另外，PWM控制对噪声的抵抗能力很强，噪声只有在强到足以将逻辑1改为逻辑0或者将逻辑0改为逻辑1时，才能对信号产生影响。

容栅传感器的输出为周期变化的电容信号，电容值得变化很小，直接测量难度大，借助于差动脉冲调宽电路将微小电容信号的变化调制为PWM信号，PWM调制原理如图5所示。差动脉冲调宽电路是利用对差动电容进行充放电，使电路输出脉冲的占空比随电容量变化而变化［4］。差动脉冲调宽电路结构如图6所示。

图5 PWM调制原理

系统上电之后，比较器H1和H2输出为高电平，即f和g点为高电位。此刻触发器D端接高电平且时钟上升沿一来，双稳态触发器的a和b两端分别为高电平和低电平。当a点为高电平，二极管D1截止，经电阻R1对C1充电，直到c点电位高于e点电位(参考电压Uf)，则比较器H1输出端f点(清零端)为低电位，g点(置数端)为高电位，此时双稳态触发器输出端发生翻转，C2开始充电，C1开始放电。如此循环反复，完成对电容充放电信号脉宽的调制。

图6 差动脉宽调制电路

2.2 锁相环技术

锁相环路是一种反馈控制电路，具有调制跟踪的特性。只要让环路有恰当程度的低频通路，压控振荡器输出时钟的频率与相位就能跟随输入调相信号的频率与相位的变化而变化［5］。容栅扭矩信号经脉宽调制电路、差分运算电路、低通滤波电路后输出的信号为类似正弦波，并伴有各类噪声信号，需要转换为非常平滑的方波信号送入后级电路进行相位差测试。常用的过零点法在信号受谐波或噪声干扰时相位差测量误差较大［6］。目前锁相环技术在微弱信号提取方面应用比较多，它可以把淹没在噪声中的信号提取出来，可以对信号进行整形、提纯、跟踪、滤波。我们选用MC14046BDW锁相环集成芯片来设计所需的锁相环路，完成对正弦信号的锁相。锁相环电路如下7图所示。

图7 锁相环电路

3 提高系统测量分辨率和精度的措施

3.1 容栅传感器的特殊结构

容栅传感器采用差动结构的栅状电容极板，通过多个具有相同间隔的栅条所产生的空间平均效应［7］提高其测量精度。静栅的差动结构，可降低非线性误差，灵敏度比单级电容传感器提高了一倍。差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效地改善由于环境影响所造成的误差。

3.2 电容接地极的巧妙选择

动栅输出做为电容两极板中的接地极，直接与被测旋转轴相连，减少了系统的寄生电容，提高了系统的测试精度。同时，避免了在高速旋转的测试环境中传感器供电和信号输出的复杂引线问题。

3.3 差分运算电路提高电路抗干扰能力

差动脉宽调制电路输出端为双稳态触发器的互补输出端，对两输出端差动形式输出信号进行差分运算［8］，使得送入后级电路的差模信号与共模信号的幅值之比，即共模抑制比提高，从而使电路抗干扰能力更强。

3.4 D触发器设计提高系统测试精度

测试中，两路调理电路的输出信号之间有一定相位差，信号经锁相环后在CPLD内进行异或，得到相位差信号。相位差信号的脉宽通过计数电路得到。计数器是当待测相位差信号为高电平且当计数脉冲信号上升沿时开始工作，直到待测相位差信号为低电平时停止计数，在待测相位差信号为低电平期间完成对数据的存储。在计数过程中，如果待测相位差信号的上升沿到来时，计数脉冲信号的最后一个上升沿刚好超前待测相位差信号的上升沿，这样出现了计数脉冲信号与待测相位差信号不同步的问题，如图8所示。

图8 计数脉冲信号与待测扭矩信号不同步的情况

在出现上述情况时，可能会出现计数器的各触发器翻转变化时间不足而产生错误数据的现象。为避免上述情况发生，需要将待测相位差信号与计数脉冲信号进行同步处理，具体方法如下:采用一个上升沿触发的D触发器，待测相位差信号作为输入信号，计数脉冲信号作为D触发器的时钟信号，这样从D触发器的Q端输出的信号的上升沿就与计数脉冲信号的上升沿同步了。计数器停止计数是在待测相位差信号为低且计数脉冲信号为上升沿的时刻，同步后的脉冲信号同样会在周期上产生误差，可能会出现多记或少记的情况，但最大也只是一个计数脉冲周期，从而提高了系统的测试精度。

4 仿真与实验

对电路模块功能进行功能测试后，将测试系统在模拟试验台上完成了扭矩测试，模拟试验台实物图如图9所示。

图9 模拟试验台实物图

固定轴的转速为300 rot/min时，设定8个的扭转角，分别为0.50°、1.00°、1.50°、2.00°、2.50°、3.00°、3.50°、4.00°对测试系统的功能进行精度检测。

设定扭转角为0.50°时检测到的测试电路的两路正弦波信号。未扭转角之间两路输出信号的相位差为1.8 ms，当旋转3.5°时，两路输出信号的相位差为 2.07 ms，则电路测量的相位差变化了0.27 ms。

设定扭转角为1.00°时检测到的测试电路的两路正弦波信号。未扭转角之间两路输出信号的相位差为5.4ms，当旋转1.00°时，两路输出信号的相位差为6.07 ms，则电路测量的相位差变化了0.57 ms。

根据角度和时间的关系

可得

其中，φ表示扭角值，rad;Tφ表示转过φ所用的时间，s;n表示旋转轴的转速，单位rot/min。

当测得的相位差信号变化0.27 ms时，对应的旋转角度为0.51°，相对误差为2%;当测得的相位差信号变化0.57 ms时，对应的旋转角度为1.02°，相对误差为1.9%。

对测试的8组数据进行精度分析，测试数据和分析如表1所示。

表1 模拟测试数据分析

5 结论

容栅传感器微小扭矩测试系统，实现了旋转件无引线连接，有效解决旋转件上缠绕过多引线的问题，容栅传感器具有抗干扰能力强和环境适应性强等优点，特别适合强磁场、强振动以及狭小空间的测量，解决了目前光学、磁学传感器在粉尘、油污、强磁场下无法测量的难题。容栅传感器差动结构的栅状电容为差分形式输出，经PWM调制电路以及锁相环电路对信号调理，不需载频和附加解调线路，无波形失真，便于传感器一体化设计，大大降低传输误差以及随机噪声干扰，提高了系统的测试精度。实验表明，该系统的相对误差低于2%。

［1］王岩，储江伟.扭矩测量方法现状及发展趋势［J］.林业机械与土木设计，2010，38(11):14-18.

［2］付永乐，靳鸿.容栅式旋转轴动态扭矩测试系统研究［D］.太原:中北大学，2012.

［3］Kim JG，Lee T J，Park N C，et al.SAW Signal Conditioner-Based Dynamic Capacitive Sensor for High-Speed Gap Measurement［J］. Sensors and Actuators A:Physical，2013，189(15):204-211.

［4］卢翠珍.差动脉宽调制电路的研究［J］.中国科技信息，2012 (4):120-121.

［5］赵寒秋.高速ADC时钟发生器的设计与实现［D］.西安:西安电子科技大学，2011.

［6］贾惠芹，郭恩全，张卫东.基于锁相环的相位差测量仪［J］.自动化仪表，2006，27(10):64-66.

［7］凌锐鸿，张跃华.容栅传感器的误差平均效应［J］.实用测试技术，1991(1):26-29.

［8］陈方，常洪龙，苑伟政.一种用于MEMS陀螺的高精度电容读出电路设计［J］.传感技术学报，2010，23(11):1561-1564.

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 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0059-04

2013-06-03修改日期:2013-06-25

EEACC:6140

刘双红(1988-)，女，山东省泰安市人，硕士研究生。研究方向为动态测试，信号与信息处理，liushuanghong@126.com;