1、第 1 页 共 38 页容柵式扭矩传感器测试系统设计摘要容栅式扭矩传感器测试系统是随着工程和测试技术的发展而兴起的一种新型的测量手段，本课题所要设计的系统主要用来测试动力轴或负载轴所受的扭矩和其转速。在传感器测试系统中，扭矩测量是本系统的核心部分，也是难点部分。本文结合了脉宽调制电路、低通滤波电路、数据采集系统和实时显示系统等相关知识，对扭矩传感器测试系统进行深入的研究和设计。容栅传感器具有结构简洁明了、分辨力高、抗干扰能力强、动态响应快和旋转部件上无需引线输出等优点，因此广泛应用于汽车、轮船等动力轴或负载轴的扭矩和转速测试系统中，具有重大的显示意义和广泛的市场前景。基于扭矩测试系统可通过容栅
2、电容的周期性变化规律，然后利用脉宽调制电路测量电容相位差，来完成转速和扭矩的测量难题。在设计过程中，重点研究了容栅电容的结构设计方法、容栅传感器结构设计、脉宽调制电路设计、低通滤波电路设计及容栅电容变化规律等等，通过 Protel99 SE 设计脉宽调制电路和滤波电路的原理图和 PCB 图，最后对栅格数的细分、容栅的加工和安装误差、电磁干扰等等相关方面进行相关的讨论，验证容栅扭矩、转速传感技术完全可以应用到汽车、轮船等动力轴或负载轴的扭矩、转速测试。关键词：脉宽调制，低通滤波，数据采集，扭矩，转速第 2 页 共 38 页Capacitive sensors torque Test System
3、 DesignAbstract:Capacitive type torque sensor test system, with the engineering and testing technology development and the rise of a new means of measurement, The topics to be designed mainly to test the dynamic axial load or suffered axis of its speed and torque. The sensor test system, the torque
4、measurement system is a core component is difficult part. By combining pulse-width modulation circuit, a low pass filter circuit, data acquisition systems and real-time systems, and other related knowledge, of torque sensor test system for in-depth research and design. Capacitive sensors with struct
5、ural simplicity, high resolution, anti-interference capability. Dynamic Response Express and the rotating components on the export of lead without merit and therefore widely used in automobiles, the ferry or dynamic axial load axis torque and speed test system, The show is of great significance and
6、broad market prospects. Based on the torque testing system capacity through the gate capacitance of the cyclical changes in the law, and then using the PWM circuit capacitance measurement phase difference and to accomplish the speed and torque measurement problems. In the design process, focus on ca
7、pacity gate capacitance of the structure design, capacitive sensor design, PWM circuit design, low-pass filter circuit design and high gate capacitance changes, etc., Protel99 SE through design PWM circuit and filter circuit schematic and PCB map Finally, the number of sub-grid, the grid capacity an
8、d the installation error processing, electromagnetic interference, and so on relevant aspects related to the discussion, Verification of capacitive torque, speed sensing technology can be applied to complete automobiles, ships or other dynamic axial load torque shaft, Speed tests.Keywords: Pulse bro
9、ad modulation , signal wave filtering , data collect , moment of torsion , rotation rate第 3 页 共 38 页1 绪论1.1 研究现状及意义1.1.1 课题背景容柵式传感器测试系统是近 20 余年来在国外发展起来的一大类新型电容传感器。此类传感器的结构形式较多，其主要特征是电极呈栅状，依据电容量随电极之间相互覆盖面积变化而变的原理，实现长度、角度等参数的测量。与其它大位移传感器（如感应同步器，磁栅，光栅）相比，它具有体积小、抗干扰能力强、造价低、功耗低和环境适应性强等优点。而且容栅技术已经被广泛应用于电子
10、数显卡尺，千分尺，高度仪，坐标仪和机床行程测量等精密仪器中。如果将容栅传感技术进行适当的结构设计改进，如将直行程的测量变化为圆周行程测量或扇型面积测量，能应用到汽车、轮船等领域中的动力轴或负载轴的扭矩和转速测试系统中。在容栅传感器研究和应用方面，国外提出了不少专利，但研究论文发表不多，容栅扭矩、转速传感器也未问世。我国自 80 年代中期开始引进容栅技术的部分产品，尔后又开展国产化工作，对其工作原理、转换原理，结构设计已有一定的了解和应用，但是对参数和误差规律等未做深入系统的研究，部分产品质量不高，应用范围也有限 1。1.1.2 课题的目的和实现意义目前，汽车、轮船中动力轴的存在安装空间狭小、不
11、能对旋转轴进行另行的加工处理等要求，传统的扭矩、转速传感器几乎无法满足这些测试要求。利用容栅传感器的众多优点，再对容栅的安装方法进行改进设计，如将直行程的容栅改进为圆周行程或圆端面的容栅结构，可以测量动力轴所受的扭矩及其转速。而且结构紧凑、采用嵌入式安装、无需对被测转轴进行附加加工处理，特别适合于汽车、轮船等安装空间狭小，对传感器的体积有严格要求的车辆测试系统中，这是传统的大体积、高功耗、需要对被测件进行改装处理的传感器所不能达到的，因此嵌入式容栅扭矩、转速传感技术具有重大的现实意义和广阔的市场应用前景。1.2 国内外相关技术研究概况、水平和发展趋势1.2.1 扭矩传感 器的研究现状和发展趋势
12、第 4 页 共 38 页（1）应变型扭矩传感器这种扭矩传感器国内外使用最多、技术最为成熟的扭矩传感器，它采用在旋转轴表面的轴线 45和 135两个方向各贴两片应变片，并将它们接成全桥，其输出电压正比与转轴所受的扭矩，20 世纪 80 年代以来，国内外相继出现无线电遥测技术在旋转轴扭矩测量上的应用，国内代表为：洛阳工学院等单位研制的在线动态扭矩测试仪、燕山大学研制的红外扭矩测试仪和北京冶金一局超硬材料研究所李国林研制的环形变压器供电的应变扭矩传感器；（2）磁弹性型扭矩传感器国内外自 20 世纪 80 年代中期开始发展出了磁弹性型扭矩传感器，此类扭矩传感器是根据转轴中的应力变化而引起磁导率的响应变
13、化，最终转化成检验线圈中磁通的变化，从而可以测量出旋转轴扭矩的变化，典型代表为：日本福冈九州大学研制的新型磁头扭矩传感器、1986 年 Sasada 等人研制的螺线管式扭矩传感器、1992 年韩国科学与标准研究磁学实验室研制的非晶态线圈最大差分感应装置和 1992 年由王荣等人研制的逆磁致伸缩扭矩传感器等；（3）转角型扭矩传感器转角型扭矩传感器，在旋转轴的两端各安装一个 MR 编码器，通过两个编码器的转角计算出转轴的扭矩，其典型代表为日本九州技术研制的非晶态星形线圈扭矩传感器；（4）其它类型的扭矩传感器1999 年清华大学研制的无线无源声表面波（SAW）扭矩传感器，美国佛吉尼亚西蒙斯飞行器公司
14、研制的光纤扭矩传感器，南岸普大学机械工程系研制的电容式扭矩传感器；1.2.2 扭矩传感器的国内外发展趋势 由静态测试向动态测试方向发展； 由先测应变再间接转换成应力或扭矩而向直接测量应力或扭矩方向发展，并提供测量精度； 测试系统向微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化方向发展； 从单功能向多功能方向发展，包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆等；第 5 页 共 38 页 扭矩测量与动力装置的控制系统相结合，达到扭矩、转速、输出功率之间的优化配置，保证机械运行的在最佳状态；1.3 本课题的主要研究工作本设计的主要工作有：1）查阅相关资料，了解和掌握扭矩、转速测量的
15、工作原理及使用方法；2）掌握脉宽调制电路的工作原理；3）掌握低通滤波电路的工作原理；4）利用软件仿真脉宽调制电路和低通滤波电路；5）利用 Protel99 SE 绘制电路原理图，制作印制电路图；6）系统调试和优化设计；1.4 本文的结构安排本系统主要介绍如何利用容栅电容的周期性变化规律，并通过脉宽调制电路和低通滤波电路来实现旋转轴的转速和扭矩的测试系统。本设计主要记录了扭矩和转速的测量数据，并且利用脉冲宽度调制电路设计结构合理的应用程序。第一章回顾了容栅式扭矩传感器系统的背景，说明了传感器系统的目的和现实意义，最后简单介绍了一下设计该系统所涉及到的主要研究内容：容栅扭矩中的脉宽调制和容栅扭矩中
16、的电容式传感器；第二章说明了设计方案，有具体的原理说明、系统组成流程图、容栅扭矩和转速传感器结构设计及适配电路设计的详细介绍；第三章介绍了使用电路仿真软件在理论上对系统中的一些电路进行了仿真；第四章介绍了系统功能的应用，通过对各方面系统应用一些介绍，使认识更加清晰；第五六章分析了系统性能，并相应的提出了改进意见；第六章对整个设计进行概括性的总结，还有对设计中存在问题及其展望。第 6 页 共 38 页2 容栅式扭矩传感器测试系统的方案设计2.1 测试系统方案设计2.1.1 顶丝式检测系统（方案一）通过测量转盘顶紧螺丝的支反力来测量转盘扭矩的方法，是用传感器测出某一支座反力 F ，转盘输出的扭矩越
17、大，该点的支座反力也越大1 。但该检测点测量值与转盘扭矩是有差别的，这是因为，除了装有力传感器的支点外，还有其他支点，此外还有转盘底部摩擦力的影响，可以肯定的是该检测点测量值与转盘输出扭矩成正比，它可以反映转盘扭矩变化的趋势。为了减小误差，可以在转盘底部放置润滑油，使由传感器测出的扭矩更接近转盘输出扭矩，并在与钻具旋转方向相同的支点上垫橡胶垫，目的为了能够较好的复零，支反力的取得一般可以用顶丝传感器或盘式液压传感器。2.1.2 转盘链条张力检测系统（方案二）对于链条传动的钻机，可以通过测量传动链条的张力来导出转盘扭矩，用这种方法来取得转盘扭矩参数。用转盘传动轴上的链轮节圆半径，乘以该轮上链条的
18、紧边张力，就是转盘的输入扭矩，根据机械原理，把转盘的输入扭矩乘以转盘传动比，就可以得到转盘的输出扭矩(这里忽略机械效率) 。这种方法关键是张力的测量，一般情况下是采用张紧轮液压传感器。从理论上来讲，这种方法取得的转盘扭矩，比前一种方法更准确，但是张紧力测量轮安装不方便、易磨损，给使用带来很大的麻烦。2.1.3 以上两种系统的致命弱点上述两种常用的测量转盘扭矩的方法，在实际应用时常常会碰到:钻机转盘上没有顶丝装置，同时又不用链条传动或者无法安装链条张力传感器。在这种情况下，钻井施工方为了抢工程进度，转盘扭矩参数就不检测了。另外，上述两种方法测量扭矩不能精确定量，很难用法定计量单位来刻度。2.1.
19、4 基于容栅的扭矩传感器测试系统（方案三）第 7 页 共 38 页容栅式扭矩传感器测试系统是随着工程和测试技术的发展而兴起的一种新型的测量手段，主要用来测试动力轴或负载轴所受的扭矩和其转速。容栅传感器具有结构简洁明了、分辨力高、抗干扰能力强、动态响应快和旋转部件上无需引线输出等优点，因此广泛应用于汽车、轮船等动力轴或负载轴的扭矩和转速测试系统中。容栅的结构图如图 2.2 所示：图 2.2 容栅式结构图2.1.5 总体方案确定经过多方面的比较，本设计采用容栅式扭矩传感器测试系统。在应变式扭矩传感系统中，它的滑环比较大，这就从无形中增大了系统的体积。此外，噪声大也是很重要的影响因素之一，还需要对测
20、试间的装置进行改装，因而没有得到更广泛的应用。而容栅式扭矩传感器测试系统则很好的解决了上述难题，它以动栅作为地的引出线，其它的引线放置在静栅上，从而使得发射电路可以外置，这样就不需要对轴进行加工处理，从而可以很方便的使用。从根本上解决了装置体积过大的问题。 因此广泛应用于汽车、轮船等动力轴或负载轴的扭矩和转速测试系统中，具有重大的显示意义和广泛的市场前景。2.2 测试基本原理2.2.1 容栅原理容栅式扭矩传感器是通过嵌入式的两对容栅组电容的周期性变化规律，并且通过两个电容的相位差，计算出旋转轴的扭矩和转速。通过物理知识可知：两块平行的金属板间的电容与它们的正对面积 S 成正比，与极板间的距离
21、d 成反比，和介电常量 成正比，即： Cd如果制作一对间隔相等的挠性敷铜板，容栅形状如图 2.3 所示：第 8 页 共 38 页图 2.3 容栅形状图设齿数（容栅数）为 N，当上下两块平行板的 N 个齿正好相对时，电容最大（正对面积最大，如图 2.4） ，当上下两块平行板刚好错开一个齿时，电容最小，几乎等于零（正对面积最小，如图 2.5） 。图 2.4：电容最大时的相对位置图 2.5：电容最小时的相对位置如果将一个挠性板（连接着金属外壳，作为信号地）贴到一个旋转轴上，另一个相同尺寸的挠性板（作为信号的正极）贴到轴承座上，如图 2.6 所示：第 9 页 共 38 页图 2.6 容栅安装示意图当轴
22、旋转时，正极信号通过一个脉宽调制和低通滤波电路，可以发现该电容的输出是呈正弦波变化的，可以计算出旋转轴的转速和扭矩。2.2.2 测速原理如果将一个柔性板贴到一个旋转轴上，并且正好有 M 个齿， （齿间距和赤宽是相等的） ，另一个相同尺寸的柔性板贴到轴承外筒上。其原理示意图如下图 2.7 所示：图 2.7 轴部容栅安装示意图当轴以一定速度 n 旋转时，电容的大小从最小变到最大，再变到最小，周而复始，波形呈三角波变化，设在固定一段时间内其三角波的周期数为 N 个，齿宽和间距同为 L，所用时间为 t，容栅所在位置处的转轴半径为 r，则转速为：第 10 页 共 38 页NLnrt2.2.3 测扭矩原理如果在转轴上的距离为 L 的两处分别安装一个嵌入式的容栅传感器，如图 2.8所示：图 2.8 嵌入式容栅扭矩、转速传感器的工作示意图其局部放大示意图如下图 2.9 所示：图 2.9 扭转部分放大图当轴受到载荷发生扭曲变形时，两个电容 C1 和 C2 的大小将会出现一个相位差，设扭转角为 ，变化规律如图 2.10 所示：
