嵌入式容栅传感器在旋转轴测试中的应用

嵌入式容栅传感器在旋转轴测试中的应用

1容栅传感和动态扭矩测试系统在旋转机的设计和开发中，准确获取传输轴的功率不仅有助于提高传输轴的功率密度，而且有助于优化总体规划中的功率分布。轴功率测试一般是通过测试传动轴的扭矩与转速得到,由于传动轴工作时处于高速旋转状态,温度高、电磁环境复杂,并存在轴系的振动,工作环境恶劣本文在容栅传感技术和动态扭矩测试方面进行研究,提出一种新型容栅传感技术和测试系统,容栅传感器可嵌入到旋转轴中或与被测旋转轴一体化设计,提高了旋转轴的可测试性,这样的方法适用于应用环境下轴功率的测量。2传感器的结构形式容栅传感器是在电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、功耗低的优点,并且具有平均效应,减小了寄生电容的影响、提高了抗干扰能力和测量精度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。如图1(a)所示。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相同,电极个数为2N。如图1(b)所示。静栅与动栅电极相对,其间保持很小的间隔,动栅作为接地极,静栅的2个输出即形成了差动电容。动栅和静栅制作成覆铜的薄膜形式,可根据被测轴的尺寸进行加工,测试时粘贴在相应位置。测试时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,静栅的输出信号可直接接入测试系统进行处理。这种方式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。容栅传感器的电极设计成多个电极并联的结构,提高了分辨率。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。同时,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测量原理3.1测试电路分析当轴以速度v旋转时,动栅与静栅的正对面积不断变化,形成的电容从最小变到最大,再变到最小,呈周期性。容栅输出的信号经测试电路处理后为正弦波。设动栅的栅极个数为n,则轴旋转一周产生的正弦波个数为n,只要测出正弦波的周期t,即可得到轴旋转一周的时间nt,则有转速:3.2旋转轴相位扭矩时,传统测量为频率时,相位由弹性转轴的扭转变形关系得到:式中:M由式(2)得出扭转角θ正比于扭矩M在旋转轴上间隔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、相位均相同的两路正弦波信号。旋转轴受到扭矩时,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,反映到输出信号上就是两路频率相同,相位不同的正弦波a式中:v为轴转速,n为容栅个数。直接测量相位差φ是比较困难的,所以,采用把测量φ的大小转化为测量相位差内高频脉冲的个数,这样可以简化测试。因为扭转角θ与高频脉冲的频率f,计数脉冲个数m和旋转轴转速v之间存在如下关系:测量电路中通过对相位差φ进行测量,得出相位差φ与扭角θ的关系,从而计算出扭矩M4差动脉冲调宽电路设计容栅传感器的输出为周期变化的电容信号,由于电容值的变化很小,直接测量难度较大,所以采用差动脉冲调宽电路将微小电容的变化转换成与其成正比的电压的变化进行测量。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。系统结构如图3所示。将2组差动容栅传感器的输出C5轴效率测试5.1相对应外圆尺寸的确定在实验样机上进行测试,验证采用嵌入式容栅传感器进行动态扭矩测试的可行性。根据被测旋转轴和固定支撑体的尺寸,计算动栅、静栅的外形尺寸,并在动栅上分布100个电极。将动栅和静栅做成厚度为0.2mm的薄膜形式的覆铜板,分别紧贴到旋转轴的表面和对应的固定支撑体的内圆表面上,保证动栅和静栅感应面积相对应。变频调速电机作为动力驱动,使旋转轴保持稳定的转速,同时给转轴施加扭矩,使旋转轴产生扭角。5.2动栅电极组式电容量变换电路容栅传感器的静栅电极嵌入到固定支撑体上,沿其圆周方向安装,静栅的输出与测量电路连接。动栅电极嵌入到旋转轴上与之对应的部位,动栅和静栅之间保持0.5mm的间隙并设有绝缘层,从而形成了电容量可变的电容组。动栅通过旋转轴接地,在大型机械中金属构件通常作为电系统的地6试验结果及波形测量6.1转速测试结果将电机调到不同转速,用仪器记录下波形和电路输出的结果。图4为在600r/min、1000r/min、1200r/min转速下的电路输出曲线。计算转速时:若计数脉冲频率为f(Hz),则脉宽为1/f,一个周期内脉冲个数为m,容栅的栅极的个数为n,转速v(r/min)与脉宽采样数m之间关系:测量时,取n=100,计数电路晶振频率为f=1MHz,使用容栅传感器对不同转速进行测试,将测试数据通过最小二乘法拟合,数据拟合曲线如图5所示。转速取值范围为100~2500r/min。从曲线可以得到工作直线方程:y=0.9949x,R6.2容栅传感器输出波形的相位差将电机调至固定转速,进行扭矩的测试。旋转轴上距离L处有2组容栅,给轴施加一个已知的固定的载荷,通过仪器记录下2组容栅的信号的波形,并采用高频脉冲计数得到相位差,从而计算出扭角。图6为转速在200rad/min时施加不同扭矩后2组容栅传感器的输出波形。图6(a)、(b)、(c)分别对应不同扭矩时,2个容栅传感器的输出波形,波形显示了2路正弦波频率不变,但是在相位上产生了不同的偏差,相位差分别为φ2路同频信号经过带通滤波后,得到2路同周期的方波。该两方波经异或后得到的脉冲宽度与信号周期的比值即对应为两信号的相位差。通过微处理器或定时、计数器对脉冲宽度计数,由得到的计数结果可求出相位差。式中:N相位差φ得到后,通过当前的角速度和计数频率即可得出扭转角θ。由于测量结果与容栅传感器输出信号的相位差有关,并且2组容栅传感器同轴一起旋转,可以抵消安装误差。实验结果证明在动态环境下扭角与容栅传感器输出之间存在对应关系,即容栅传感器可以通过感受旋转轴的扭角的变化进而得到动态扭矩的大小。7容栅的测量和定位本文主要介绍了一种嵌入式容栅传感技术和旋转轴功率测试方法,并通过实验验证了方法的可行性和可靠性。差动容栅传感器结构简单,可根据不同轴的尺寸对电极进一步细分。容栅电容周期性变化的平均效用可以提高分辨率和信噪比,降低随机噪声。研究基于相位差测量扭矩的方法,通过