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机械系统与信号处理142 (2020)106737
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机械系统和信号处理
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基于电阻和电容光栅的机械系统转轴转矩和转速传感器
Changxin Chena,b,*, Tiehua Maa, Hong Jina, Yaoyan Wua, Zhiwei Houa, Fan Lia
aNational Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi Province, PR China
bShanxi Key Laboratory of Power System Operation amp;Control, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi Province, PR China
条信息
文章历史：
Received 15 November 2019
Received in revised form 18 January 2020
Accepted 11 February 2020
关键字：
传感器
转矩
转速
转动轴
电阻应变计
电容式光栅
摘要
转矩和转速是表征机械系统旋转部件功率的重要参数，因此转轴的转矩和转速传感方法和实时信号处理是车辆、船舶等机械设备的关键技术。因此，先进的转矩和转速传感技术和数据处理技术对提高机械设备的性能具有重要意义。但是由于动力传动装置的转轴结构紧凑，空间狭小，因此很难在转轴上安装传感器的信号传递和供电装置。针对这些难题，本文提出了一种转轴转矩和转速测量耦合电阻和电容的方法。该方法使用两个电阻应变计和一个电容光栅，电容光栅以非接触耦合的方式传输信号。旋转轴上的传感器不需要电源，信号由固定套传输到测量电路，从根本上解决了信号传输和供电的难题。仿真和测量实验表明，电阻应变片可以获取信息，电容式光栅传感器可以传递信息。该方法是可行的，适用于结构紧凑、空间狭小的机械设备转轴转矩和转速的测量。
copy;2020 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1. 介绍
现在我们知道，机械设备的智能制造对信息的要求很高。因此，我们需要先进的动态测量仪器、传感器和测试数据信号处理技术。扭矩和转速是表征发动机转轴功率和其他动力装置功率的重要动态参数[1-4]。扭矩测量的一般方法有传递法、平衡力法和能量转换法，属于非接触法或接触法[5-11]。在正常情况下，非接触法主要采用磁电法、光电法或无线遥测法。同样，转速的测量通常有两种方法，测量频率或周期[12,13]。这两种方法的应用范围不同。根据被测对象的特性，确定实际测试的具体方法。扭矩参数的准确测量对优化设计车辆的性能具有重要意义。
传动轴扭矩的动态测量是传统的技术难题。目前有各种扭矩传感技术，如电阻应变[14,15]、激光[16-21]、光栅、角度和遥测技术等。同时，也出现了一些新的扭矩传感器，如磁电扭矩传感器[13,22-25]、表面声波扭矩传感器[26,27]等，以及其他无线传感器[28-35]或信号传感器[36,37]等。国内外技术人员解决的主要技术问题涉及传感器供电与信号传输、集电极供电与信号传输、无线感应供电、无线遥测等方法，在一定程度上实现了对转轴的动态参数测试。然而，在狭窄、紧凑的空间中，非接触式传感与测试方法明显优于接触式和无线遥测技术。
目前，电阻应变计是主要的扭矩传感器，它依靠wheat-stone桥电路进行扭矩测量，而桥的供电和信号传输则依靠集电极或无线设备[38]。但这种方法涉及集电极环摩擦，机械可靠性低，无线传输易受干扰，因此在高速转轴扭矩测试场合存在信号传输问题和供电困难。利用基于相位差原理的电容式光栅转矩传感器，解决了转动轴上敏感元件的供电和信号传输问题。然而，两个电容传感器必须放置在轴上的距离为L[39-41]。一种嵌入式电容式电网转矩测试方法表明，输出相位差反映转矩信息，其转矩角与距离L有关，即当L较小时，分辨率较低，需要两组电容。栅极很难安装在紧凑的环境中，因为在尺寸为L的紧凑空间中安装两个电容光栅传感器总是很困难。
本文提出了一种将电阻应变计与嵌入式电容传感器相结合的基于电阻电容耦合的转矩测量方法。虽然使用差幅调制的信号调理方法是相同的，但其传感原理和结构是不同的。用于电阻-电容耦合转矩测量的两个电阻应变计获取转矩信息，而电容光栅传感器执行耦合传输功能。它与现有的测试方法在解决传感器的电源和信号在狭小空间内传输的问题上有明显的不同。
总的来说，大量的文献集中在传感器电源和信号传输方面。然而，这两个方面通常是分开研究的。本文提出了一种新的传感方法，实现了传感器在转轴上的零功率供电，并从固定的电网中输出信号。论文的主要贡献如下:
(1)建立了电阻应变片和电容光栅的耦合模型，信号输出幅值反映了转矩、频率和转速。
(2)转动件上的敏感元件不需要电源，信号输出在静止件上。同时只需要一组电容电网，从根本上解决了传动轴上敏感元件的供电和信号输出问题，也解决了两组电容电网的安装问题。特别适用于机械设备狭小的空间环境。
(3)该传感方法巧妙地利用了电容的非接触原理，从根本上解决了桥式集流环在高速旋转场合中机械摩擦可靠性差的问题;同时，从原理上解决了相位差式电容栅极传感器需要两组电容栅极而导致安装困难的问题。
本文的其余部分组织如下。第二部分讨论了传感器的结构和原理。第三部分对电容传感器的边缘效应进行了详细的仿真分析。第四部分给出了实验验证和结果分析。第五部分给出了结论。
2. 传感器的结构和原理
2.1传感器结构
本节介绍了该传感器的结构和工作原理。基于电容传感器的电容光栅传感器是一种新型传感器。该传感器由光栅式移动电容光栅和被铜腐蚀的固定电容光栅组成。
提出的转矩传感器结合了电阻和电容;它包括两个电阻应变仪和一组电容光栅传感器。电阻应变计获取扭矩信息，电容式光栅传感器传递扭矩信息。电阻和电容的耦合实现了转矩和转速的传感。
两个电阻应变计，即Ra and Rb，放置在沿转轴轴线方向的测量位置上，位置为plusmn;450。一端连接到转轴上。履带式车辆的转轴与车身连接，以建立车辆与地面之间的连接。电阻应变计的另一端与电源相连。我们把移动电容光栅粘贴到转轴上。移动的电容光栅是由铜对A、B片的腐蚀形成的;这两块是互补的，是绝缘的。然后，将固定的电容光栅粘贴在套筒上。电阻应变仪的另一端与移动的电容光栅连接，固定的电容光栅通过a和b的金属引线产生信号，其安装示意图如图1所示。
动、静止电容光栅及旋转轴截面如图2所示。
2.2试验方法的比较分析
现在我们定义基于电阻和电容的扭矩传感方法1转动轴的方法,构建桥梁的扭矩测试方法与电阻应变计方法2(14、15),和电容的扭矩测量方法基于相位差方法3 (39-41)。这三种方法的比较如表1所示。
本文提出了一种基于电阻电容耦合的转矩转速信息采集方法，不同于桥式转矩测试方法和基于相位差的电容测试方法。其传感原理和结构各不相同，其显著差异和创新点如下。
第一，传动轴上的电阻应变计不构成桥，不需要电源。
其次，信号通过电容的电容式无触点耦合传输，输出在套筒的固定栅极上，敏感元件布置在非旋转元件上。
第三，它只有一组电容电网。两个电阻应变计采集转矩信息，电容式门耦合传递信息，从根本上解决了敏感元件在供电和转动过程中敏感元件输出信号的问题。
2.3遥感模型分析
本节对传感模型进行了分析。结合电阻和电容的新型扭矩传感器包括两个电阻和四个电容。A部分的静止和移动的栅极构成电容器C1a。A部分的固定栅极和B部分的移动栅极构成电容器C1b。B部分的固定栅极和A部分的移动栅极构成电容器C2a, B部分的固定栅极和移动栅极构成电容器C2b，如图3所示。
电阻与电容耦合电路模型如图4所示。信号输入连接到差分脉宽调制电路。
当转轴受到扭转载荷时，电阻应变计被拉伸和压缩，电阻随之改变。Ra(t)和Rb(t)的电阻参考值均为R0，变化量为△R(t)。电阻应变片Ra and Rb 时间t如图所示:
电容器C1a和C1b如下图所示:
图1 安装图
图2 电容光栅和旋转轴的截面
Whereine是空气的介电常数,d是板距离,年代的面积是固定网格的一部分,和Ds是静止和移动网格之间的区域变化部分的A . C2a(t)和C2b(t)也可以获得与方程式:(3)和(4)。
在保护过程中，固定栅和移动栅的形状和结构是一致的，介电常数保持恒定。因此，电容器依赖于相对面积。忽略边缘效应和寄生电容,电网将形成四个电容,也就是说,C1a=C2b表示为Ca和C2a=C1b表示为Cb。例如，如果A的静止网格和移动网格重合，B的静止网格和移动网格将完全重合。电容器C1a、C1b、C2a、C2b随旋转交替变化。等效电阻R1、R2、等效电容C1、C2与Ra、Rb、C1a、C1b、C2a、C2b有关，复阻抗的多元函数关系如下:
该模型通过差分脉宽调制电路[39]产生脉宽调制信号。电路如图5所示。Ur是基准电压，A1和A2是比较器，J1是D的触发器，D是二极管，R是电阻，C1和C2是等效电容，R1和R2是等效电阻。
C1的充电时间常数为1, C2的充电时间常数为2。
其中A、B、K表示如下:
表1
几种测量方法的比较:
图3 电容光栅的三维示意图
通过对该模型的分析，我们可以得出以下结论。
第一，电容器交替变化，变化频率反映转速信息。
第二，电容器的最大电容差与C1和C2的最大充电时间常数差呈正相关关系，如下图所示:
第三，转轴使Ca和 Cb交替变化，而Ca和 Cb又使1、2交替变化。随着传动轴的转动影响电容的充电，微分电路的占空比波形发生变化。在微分脉冲宽度由充电时间,最大值（反映了。通过标定，建立了输出信号与转矩之间的关系。由此得到扭矩传感器信息。充电时间与的差值如图6所示。
在扭转载荷的作用下，转轴使电阻应变计的电阻发生变化。从而改变了电容充放电时间，改变了脉宽调制电路的输出信号占空比。通过使用差减和低通滤波等电路，我们得到了正弦信号，而正弦信号的电压幅值反映了R。
信号的频率与转速有关。由于扭矩是一个缓慢变化的信号，其变化频率小于正弦信号的频率。正弦信号的包络线反映了转矩信息，通过标定可以得到转矩-时间曲线。转矩和转速测量原理如图7所示。正弦信号的幅值表征转矩信息，正弦信号的频率表征转速信息。事实上，噪音在实际测试中是不可避免的。所以，这个信号不是标准的正弦信号。
3.电容传感器边缘效应仿真分析
3.1电容传感器的边缘效应
在实际测量中，需要在被测零件上镀上电容栅极，移动栅极和静止栅极形成同轴圆形电容栅极。运动网格与静止网格的面积不同。运动网格的网格总是小于静止网格，且网格表面呈圆弧状。由于栅极边缘存在发散电场，如图8所示，会产生附加电容，即在栅极之间产生边缘效应。实际电容值大于理论计算值，会引起实验误差。
图4 模型电路
图5 差分脉宽调制电路
CActual为两板间的实际电容; CTheoretic理论上是板间电容
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