2011年第3O卷第6期 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)87 基于电容传感器旋转轴转速测量系统设计与实现 付永乐 ,靳鸿 (1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051; 2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验窒,山西太原030051) 摘要:旋转轴转速测量常被用在汽车动力系统和引擎控制系统中。介绍了利用一种新型电容传感器来 测量旋转轴转速的测试系统。该系统结构简单,精度高,特别适合于狭小空间的轴转速测量。通过对电容 传感器的研究,在被测轴上实现了转速的测量,系统最大引用误差为0.18%,测量精度为0.2%。 关键词:电容传感器;转速;存储测试 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2011)06-0087"-03 Design and implementation 0f axis 0f rotation speed measurement system based 0n capacitive sensor FU Yong.1e .JIN Hong ’ (1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,North University of China,’ TMyuan 030051,China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education. North University of China,Taiyuan 03o051,China) Abstract:Axis of rotation speed measurement is commonly used in automotive power systems and engine control systems.A new type of capacitive sensors used to measure the speed of rotation axis test system is introduced.The system has simple structure,high precision,particular suitable for small spaces shaft speed measurement.Through the study of capacitive sensors,a speed measurement is achieved,the system maximum error of the reference is 0.18%.measurement precision is 0.2%. Key words:capacitive sensors;rotation rate;storage testing 0引 言 取得了满意的效果 。电容传感器具有结构简单,成本低 发动机的耗油量是考量发动机性能的一个重要指标, 廉,而且非常适合于非接触测量,特别在狭窄空间的旋转轴 而转速和扭矩正是影响发动机耗油量的2个重要参数。保 上进行转速测量等诸多优点 。在电路方面设计方面,依 持发动机在最低齿轮下加速,能够有效地减少耗油量…。 据我国存储测试技术的奠基人祖静教授提出的“新概念动 因此,发动机转速测量就显得尤为关键。目前,转速测量的 态测试”中的存储测试系统的体系结构、采样策略原理、状 手段也趋于多样化。利用应变计通过滑环实现电气连接的 态设计方法、耐恶劣环境的结构与实现微小体积的理论与 传统方法来进行转速测量,已经不能满足目前非接触测量 实现,最终设计专用的ASIC芯片。“新概念动态测试”是 的要求 J。应变式传感器灵敏度高,结构简单,测试技术 研究在恶劣环境下动态测试的原理,动态测试环境因子,测 比较完善。然而,测试系统损耗很大,需要经常更换,加大 试数据的置信度和特殊的校准原理与技术,提高存活性和 了测试费用和成本 J。近年来,非接触式测量方法得到了 可靠性的原理 J,它为本测试系统提供了有利的理论基 更为广泛的关注和重视。非接触测量转速测试所采用的方 础与技术保证。 法主要有光栅式、霍尔元件式、红外式、光电式、磁栅式 1 系统构成与测量原理 等 。 本测试系统主要由数据采集,信号调理,存储测试三部 目前,国内进行了电容传感器的研究,在测量大位移上 分构成。 收稿日期:20l1__o4-26 基金项目:国家部委资助预研项目基金资助项目(D0920060319) 88 传感器与微系统 成。 第30卷 1.1数据采集部分 电容传感器是一种由挠性线路板腐蚀而成的、梳齿状 的、可变面积型的电容极板。当内层容栅随轴一起转动时, 外层容栅是固定不动的,这样内层容栅的电容栅极就会相 对外层容栅的电容栅极发生位移,从而容栅的电容值也随 1.2.1差动脉宽调制电路 差动脉冲调宽电路原理图如图2所示。 着轴的转动而发生变化。结构如图l所示,图1中左面的 为动栅,右面的为静栅,其上面有一层电介质保护膜,背面 有胶。将动栅贴在旋转轴表面,将静栅贴与旋转轴同轴设 置的外层套筒内表面,这样就形成了一个平行极板电容器。 旋转轴外层套筒用支架将其固定在被测物上,例如:车辆上 的轴,可以安装在车辆底部。安装时,一定要保证外层套筒 与旋转轴的同轴度。贴容栅片时,一定要注意将容栅片的 边沿与筒的边沿对齐,保证动栅和静栅的栅格是相对平行 的,从而减少系统误差。 图2差动脉宽调制电路框图 Fig 2 Circuit diagram of diferential pulse-width modulation 图2中,C ,C2为电容传感器产生的2个差值电容。 Compl,Comp2均为比较器,参考电压为U 。TRINGER为双 稳态触发器。接通电源,将双稳态触发器Q端设为高电平, Q端设为低电平。通过Q端的高电位,经过R 对C 充电, 直到A 点的电位高于参考电压 ,比较器Compl输出脉 冲使得双稳态触发器翻转;Q端变为低电平,Q端变为高电 平。翻转后,C 经R。放电,同时高电位Q端经R 对c2充 电,直至A 电位高于参考电压U ,比较器Comp2输出脉冲 再次使得双稳态触发器翻转。Q和Q输出的波形脉宽满足 下列公式 !--=4 -—————_ ●—・—一.. ●_l_—’ ●●——一1. ●・・—一一. ●l__I. -———... ●———___. ———一I_ 图1 电容传感器结构细部图 Ⅳ Fig 1 Detailed structure diagram of capacitive sensor TQ=R1C1In T1、 , (1) 当旋转轴转动时,动栅和静栅之间就会产生一个相对 的角位移,静栅的2个输出端就会产生2个差动的电容量 的变化。从而,实现对转速信号变化到电容量变化的改变。 1.2信号调理部分 为了便于电路集成,信号调理部分主要由差动脉冲调 宽电路、差分运算电路、滤波放大电路、锁相环路四部分组 10.9 R C2 n :- (2) 这样,差动脉冲调宽电路产生了U , 两个差动的矩 形脉冲信号。 在Mustisim下进行电路仿真,C1,C2在小于,等于,大 于3种不同取值情况下,仿真如图3所示。 l0.9 O.9 9 3 7 7 脚 6 1捌 4.5 2 9 《 1_4 一22 9rn l0 9 0.9 之 9.3 出 7.7 6.1 9.3之之 7.7 6.1 9.3之之 7 7 9.3之 7 7 6 1 6 1脚 捆《 —4.5 2.9 1 4 4.5测蜊 2.9 赠 1 4∞ 22l 9m 一 4.5 2.9赠 1 4∞221 9m 4 5捌 2.9鼎 1 4∞ 22l 9m 221 9m 9 9 2 时间/ s 时间/ s 时间/ s (a)在C <cz情况下电路仿真图 (a)C】<C2 circuit simulation diagram (b)在C.=C2情况下电路仿真图 (b)circuit simulation diagram while Cl=C2 (c)在C >C2情况下电路仿真图 (c)circuit simulation diagram while Cl>G 图3三种不同取值的电路仿真图 Fig 3 Circuit simulation diagram while C1 and C2 have different values 通过上述仿真图可以看出:电容的变化使得差动脉冲 调宽电路输出的脉冲的宽度在发生变化。 1.2.2差分运算和滤波放大电路 模干扰进行消除和抑制,降低测量误差 。 在旋转轴转动的过程中,转速信号引起了电容传感器 电容量的改变,这样就引起了脉冲宽度的改变,通过滤波就 差分运算和滤波放大电路如图4所示。 考虑到本系统中电容传感器在恶劣环境下的测试,将 会受到环境温度变化、外界电磁干扰等诸多影响。采用了 会得到正弦信号,正弦信号的周期即反映了旋转轴的转速 情况。 1.2.3锁相环路 差分运算电路对采集部分输出的 , 两个差动形式的 矩形波脉冲信号进行差分运算,这样能够有效地对这些共 前面电路输出的信号为类似正弦波的模拟信号,带有 各种噪声信号,因此,在测量前需要进行信号处理,对这种 第6期 付永乐,等:基于电容传感器旋转轴转速测量系统设计与实现 89 图4差分滤波放大电路图 Fig 4 Circuit diagram of diferential filter enIarge 类似正弦波的模拟信号跟踪、提纯,并转换为数字信号,利 用锁相环路可以实现这些功能。 1.3存储测试部分 存储测试部分分为两部分:1)计数;2)存储。用CPLD 进行计数和数据的存储。计数通过20 MHz晶振脉冲得到, 如果取一个keyplus信号。若计数器计整个周期,需要key— plus信号的相邻2个上升沿(或者下降沿)中的前一个控制 计数开始,后一个控制计数结束,因此,需要辅助的检测电 路。若计数器只记了半个周期,如果电容栅板不均匀而导 致波形的占空比并非0.5时,就会引起计数误差。这样,就 需要分频器进行二分频以后再计数,而一个T触发器本身 就是一个二分频器。用Keyplus作为T触发器的时钟,设T 触发器的2个输出分别为Q和Q,设置一个写入存储器使 能端K,K=0,发送至存储器;K=1,则不发送到存储器。 当Q为低电平时,计数器为清零阶段。当Q为高电平 时,计数器为计数阶段,用Q波形的上升沿控制开始计数, 下降沿控制结束计数。对应的Q的上升沿为寄存器读取 计数器的值,然后进入Q为低电平阶段,即计数清零阶段, 开始下一个工作过程。 这个工作过程中,又存在一个keyplus信号与2O MHz 的CP信号不同步的问题。如果当keyplus信号的上升沿控 制开始计数时,正赶上20 MHz时钟信号的上升沿刚来过, 则计数器就会少计一个数。所以,需要用一个下降沿触发 的D触发器,keyplus信号作为输入信号,20 MHz时钟信号 作为D触发器的时钟信号,这样就使得输出信号与20 MHz 时钟信号的下降沿同步了。从而,通过CPLD实现对数据 的采样与存储 。 2实验结果 选用容栅栅数为N=200的电容传感器,旋转轴转速 范围在100-2 500 r/min。通过示波器对滤波后的模拟信 号的输出端进行测量。抽取某一特定的转速下得到的波 形,如图5所示。 图5(a)所示,转速在500 r/min下,正弦波的周期Ax 为5.76 ms,频率1/Ax为173.6 Hz;图5(b)所示,转速在 1200 r/min下,正弦波的周期 为2.48 ms,频率1/Ax为 2.0 1.5 1.0 之0.5 趟0 脚一0.5 —1.0 —1.5 -2.0 时间/ms (a)500 r/min的输出波形 (a)500 r/min outputwaveform Bxoe●-h ~ 圈 ^ q , 2.0 1.5 1.O 之 0.5 出0 脚 一0.5 —1.0 —1.5 —2.0I Tl■●I.●●●●喀■■l5 ● 1O 12 14 l6 18 2O 22 24 时间/ms (b)1200 r/arin的输出波形 (b)1200 r/rain outputwaveform 图5 500,1200r/rain的输出波形图 Fig 5 Output waveform while rotation rate are 500 r/rain and 1200r/min 403.2 Hz。图5由于模拟装置本身的结构还不够合理,两组 容栅不够平整,从而产生的一些噪声信号,对转速测量影响 不大。实际在旋转轴上测量时,这些噪声可以基本消除。 如图6所示,用Matlab对示波器存储下的信号进行小 波去噪,得到在3种不同转速下的波形,较好地反映了转速 与正弦波信号频率之间的关系。 之 幽 时间/s 图6小波去噪波形图 Fig 6 Waveform diagram of wavelet denoising 本系统容栅传感器,选取栅数N=200,测试仪计数电 路晶振频率为f=20 MHz;电路将转速信号转换为与之有关 的脉冲,电路输出的即脉冲宽度,其值与电路所选的晶振频 率有关,测试结果如表l。 表1 电容传感器测试系统测试数据 Tab 1 Test data of arpadtive sensor test system (下转第92页) 传感器与微系统 设计要求。 第30卷 布纱、上胶、控温、折边、翻边、剪切,剪切后的成品纸袋自动 下机。能够准确剪切600—1 200 mm范围内设置的任意袋 长。对无色标袋和各种图案的色标袋均能按设定长度准确 剪切,能储存多种基本袋长,可以根据具体情况实现随时更 改袋速、袋长、纬密等参数并使执行机构平滑过渡。能预置 袋子的工件数,并实现自动记录完成工件数。能够自动检 测故障并能在异常情况下紧急停机。结果表明:切袋长度 不合格率在0.1%以内;制袋机工作在1-20 m/min袋速范 仅以2010年4月6日下午记录的数据进行分析。纸 袋工况:袋速10m/min,设定袋长930mm,数据抽取参考休 哈特(Shewha ̄W A)的“合理子组原则”,每生产10条纸袋 抽取1条,共40条纸袋,测得袋长,部分袋长如表1所示。 表1测量纸袋长度 Tab 1 Measured bag length 围内和在加速或减速过程中系统稳定可靠工作,并且纸袋 加工误差在±2 mm之内,优于设计要求指标。 本文受陇原创新人才扶持计划项目(252003);兰州市科技局 由表1可得,标准差S=0.911,均值m=929.9。 项目(404085);兰州交通大学“青蓝”人才资助项目(2006)资助。 纸袋过程能力指数 J 参考文献: [1] 刘丽荣.基于PLC的全自动纸纱复合制袋机生产线的研究与 Cp= _l_o97, (1) 开发[D].兰州:兰州理工大学,2008. 式中 USL为规范上限(930+3)mm; £为规范下限 [2] 吴志敏.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程[M].北 (930-3)mm;USL一 L为公差,其值为6mm。 京:中国电力出版社,2009. 实际过程能力指数 [3]廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].北 京:机械工业出版社,2008. CG'pk :mim L— 一,n L—USL-m__一,m ̄LSL):mim Ln(1 ‘.1 26,1,.0’ 0609)9 … [4]樊恩健,审核员统计技术应用指南[M].北京:中国计量出版 =1.069. (2) 社,2007. 由于过程能力指数C。和实际过程能力指数G 均大于 [5]Montgomery D C.Introduction to statistical quality control[M]. 1,表明剪切纸袋长度的不合格率控制在0.1%以内,优于 3rd ed.New York:John Wiley&Sons,1996. 要求的指标。 作者简介: 4结论 彭珍瑞(1972一),男,甘肃民勤人,博士,副教授,主要从事控 本文设计的自动控制系统能够自动连续地完成上纸、 制工程、检测技术和支持向量机等的研究。 [5]余成波,张莲,陈学军,等.螺管形差动变压器的非接触式 扭矩传感器研究[J].仪器仪表学报,2006,27(8):882— 通过测试,系统得到了精度较高的转速值,最大引用误 884. 差为O.18%,精度为0.2%。利用电容传感器来测量狭小 [6] Wolfeenbuttel R F.Non-contact capacitive torque sensor for use 空间转速具有一定优势。系统采用CPLD来实现控制存 on a rotating axle[J].IEEE Transactions on Instrumentation and 储,有利于进一步优化系统结构,大大减小系统自身体积和 Measurement,1990,39(6):1008--1013. 质量,方便搭载在轴上进行测试。此结构简单,便于集成和 [7]马铁华,祖静.冲击波超压存储测试技术研究[J].仪器仪 表学报,2004,25(z1):135. 大规模生产。 [8]尤文斌,祖静,范锦彪,等.冲击波存储测试技术[J].仪器 参考文献: 仪表学报,2006,27(Z2):1229. [1] Brook M H W.Sensors for automotive application[J].Phys E: [9] 张国雄,金篆芷.测控电路[M].北京:机械工业出版社, Sci Instrum,1985,18:751--758. 2000:96--99. 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