测控技术与仪器 毕业论文范文——容柵式扭矩传感器测试系统设计

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Capacitive sensors torque Test System 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 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 structural 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 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 capacity 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 and 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 broad modulation , signal wave filtering , data collect , moment of torsion , rotation rate1 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（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； 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。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。2.1.4 基于容栅的扭矩传感器测试系统（方案三）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d成反比，和介电常量成正比，即： 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：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：图2.6容栅安装示意图当轴旋转时，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：2.2.3 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：图2.10两个电容的变化规律通过这个角，可以解算出扭矩T的关系：其中：Ip为横截面对圆心的的极惯性矩；G为材料的刚性常量；GIp为扭转刚度，对于圆截面，极惯性矩为：2.3系统组成流程图当轴的负载端受到力的作用时，会发生扭曲变形，此时贴在轴内部的一对容栅也会由于转动引起电容的周期性变化规律，并且产生相位差。通过脉宽调制电路将波形整合成方波，以便与观察。再通过低通滤波电路将波形变成正弦波，这样可以很清楚的计算出波形的周期。通过差动电容C1和C2来测出实时输出转速n，再加上一对差动电容C3、C4和前面的差动电容C1、C2的共同作用，可以测量出实时输出扭矩T.其系统组成流程图如下图2.11所示：图2.11 系统构成流程图2.4 容栅扭矩、转速传感器结构设计2.4.1容栅电容的变化规律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d成反比，和介电常量成正比，即： 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2.12），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2.13）。图2.12电容最大时的相对位置图2.13电容最小时的相对位置2.4.2容栅结构设计分析传统的容栅结构是直线形的，它们对容栅的长度有一定的要求，这样往往会造成材料和人力资源的浪费。为了克服这种情况，我们对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，就能很好的解决上述问题。这样既节约了财力和物力，又省去了很多不必要的麻烦。其结构设计如图2.14所示：图2.14容栅结构设计图2.4.3 容栅传感器安装结构设计设计两对相互对称的间隔相等的挠性敷铜板，利用应变片粘贴工艺将他们粘贴在一起，所构成的即为容栅结构。它能够很好的解决引线输出的难题，不需要对轴进行加工处理就可以很方便的投入使用。在这种结构中，如上图2.6所示，以动栅作为地的引出线，其它的引线放置在静栅1和2上，从而使得发射电路可以外置，很好的解决了装置体积过大的问题。2.5 适配电路设计2.5.1转换输出电路设计电容式传感器有多种转换输出电路。借助于各种信号调节电路，传感器把微小的电容增量转换成与之成正比的电压、电流或频率输出。按转换的原理来分类，主要有电桥法、脉宽调制法、调频法、电荷法和运算放大器法五种常用转换电路。（1）交流电桥图2.15普通交流电桥和变压交流电桥如图2.15所示，C1与C2以差动形式接入相邻两个桥臂，另两个桥臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。图2.15中所示Z1与Z2是耦合电感，这种电桥的灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作，已广泛应用。图2.15所示另外两桥臂为次级线圈，使用元件少，桥路内阻小，应用较多。输出电压Usc的幅值与被测量成正比，这种电路又称做调幅电路。当传感器接有工作负载时，可见电桥输出电压除与被测量变化有关外，还与电桥电源电压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施。因电桥输出电压幅值小，输出阻抗高（M级），其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。（2）运算放大器式图2.16运算放大器式电路它最大优点是克服了变间隙式电容传感器的非线性及采用虚地法驱动电缆屏蔽（也称不完善屏蔽法，这是运算法屏蔽的一种，此外还有完善屏蔽法，11中和屏蔽法等），解决了11放大器难以实现的中和电路对寄生电容的跟踪问题。其测量最高灵敏度为0.01um。缺点是运算放大器电源电压低，灵敏度受限制且输出稳定性将受信号源及放大器影响。（3）调频法图2.17调频电路它的优点是：频率输出易得到数字量输出，不需A/D转化；灵敏度较高，可测量0.01um级位移变化；能获得伏特级直流电压信号，直接与微机匹配；抗干扰能力强，可长距离发送与接收。但调频电路也有不足之处，主要是稳定性差。因此在使用中，要求元件参数稳定，直流电源电压稳定，并要消除温度和电缆电容的影响。其频率误差范围约为0.11。此外，调频电路输出非线性较大，需误差补偿。中国矿业大学信息与电气工程学院的宗伟林，研究了对电容传感器进行数字化测量的原理及方法，介绍了小容量电容的测量和电容微小变化量的测量的具体办法。传统的模拟测量方法电路环节多，容易受零漂温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难保证测量精度。数字化测量首先是将传感器的电容量变为频率信号，常用的有振荡和振荡。对于电容量微小变化的测量，介绍了一种借助比较电容来测量的方法。在电容式煤粉仓粉位传感器的具体检测应用中，取得了满意的效果。它的电容测量电路原理就是调频电路原理。（4）电荷法电容是衡量导体储存电荷能力的物理量。在两个相互绝缘的导体上，加上一定的电压，它们就会储存一定的电量。其中一个导体储存着正电荷，另一个导体储存着大小相等的负电荷。加上的电压越大，储存的电量就越多。储存的电量和加上的电压是成正比的，它们的比值叫做电容。如果电压用U表示，电量用Q表示，电容用C表示，那么： （1.2）电容器的充、放电，可以通过CMOS开关控制实现。虽然，这个简单的测量电容的原理，人们早已发现，但由于受早期模拟开关性能的限制，这个原理很长一段时间不能得到应用。早期的模拟开关大多工作于20V的电源电压，导通电阻为几百欧姆，主要用于模拟信号与数字控制的接口，近几年，模拟开关的性能有了很大的提高，它们可工作在非常低的电源电压下，具有较低的导通电阻、低漏电流、速度快、和TTL兼容、功耗低、无机械触点、体积小和使用寿命长、微型封装尺寸和极佳的开关特性。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。因此，电荷法测量电容的原理，越来越得到广泛的应用。（5）差动脉宽调制电路图2.18差动脉宽调制电路它的工作原理是：传感器的电容器充放电时，电容量的变化使电路输出的脉冲宽度随之变化，经低通滤波器得到与被测量变化相应的直流信号。该电路输出电压与传感器电容变化的变化量代数和成正比。此电路要求直流电源电压稳定性要高，输出电压信号一般为0.11MHz的矩形波，再配一低通滤波器就可以得到直流信号。贵州工业大学电气工程学院的胡琴珠等人，基于PIC单片机的倾角传感器的设计，设计中的倾角传感器是新型变面积电容式倾角传感器，该倾角传感器技术是为数不多的、能够兼有结构简单、可靠性高、有通用传感器集成电路等优点的倾角传感器技术之一。在测绘仪器仪表、建筑机械、天线定位、机器人技术、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态、汽车电子控制、石油勘探、海上平台监控等方面有广泛应用。它的电容测量电路原理就是差动脉宽调制电路。电路形式比较内容优点缺点交流电桥灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作输出电压除与被测量变化有关外，还与电桥电源电压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施。因电桥输出电压幅值小，输出阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作运算放大器克服了变间隙式电容传感器的非线性，采用虚地法驱动电缆屏蔽解决了11放大器难以实现的中和电路对寄生电容的跟踪问题运算放大器电源电压低，灵敏度受限制且输出稳定性将受信号源及放大器影响调频法频率输出易得到数字量输出，不需A/D转化；灵敏度较高，可测量0.01um级位移变化；能获得伏特级直流电压信号，直接与微机匹配；抗干扰能力强，可长距离发送与接收。不足之处，主要是稳定性差。因此在使用中，要求元件参数稳定，直流电源电压稳定，并要消除温度和电缆电容的影响。其频率误差范围约为0.11。此外，调频电路输出非线性较大，需误差补偿。电荷法测量原理非常简单，灵敏度和稳定性较高，电路线性度好，电路分辨率较高，特别适合动态测量有一定的开关电荷注入效应，需采取措施克服。连续充放电测量信号中具有脉动噪声，需要滤波除去差动脉宽调制电路电路对线性度要求不高，便于集成组件化；外界干扰对脉冲宽度影响较小，电路抗干扰性能较强，不仅适于静态测量，也适用于动态测量，并有较大的动态工作范围对称性要求较高，要求直流电源稳定性较高由上表可见，采用差动脉宽调制电路原理的电路，比较适合容栅扭矩传感器的设计。脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码3。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。脉宽调制是一种涉及交流和交流之间，交流和直流之间，或直流和直流之间以及用于电源或类似的电力系统的变换设备的脉宽调制方法和装置，其特征在于：包括以下步骤：产生基本载波周期T；确定变更调制区段，其长度为基本载波周期T的N倍，其中N为整数；随机产生N个基本载波周期T的变更量使得各变更量的总和为零，且各变更量不全为零；上述变更调制区段里，将各变更量依次叠加到N个基本载波周期T上，完成脉宽调制，本发明使整个输出电压的噪声频谱变得连续而均匀，从而较大程度地避免了和机械本身固定振动点的谐振作用，效率高而且成本低，适合于各类电机传动的逆变器应用4。 在本设计中，嵌入式容栅扭矩转速传感器是由两个相同的挠性覆铜板分别贴到旋转轴的圆柱面和轴承座的内圆柱面上，形成一对容栅，通过脉宽调制、低通滤波和采集电路构成的，系统构成流程如图2.16所示。动栅和定栅的距离d小于1mm。图2.19系统构成流程图下图2.17为脉宽调制电路：图2.20脉宽调制电路工作原理：其中C1、C2为两对容栅所形成的电容，当双稳态触发器的输出A电为高电平时，则通过R1对C1充电，直到C点的电位高于参考电压Uf时，比较器A1将产生脉冲触发双稳态触发器翻转。在翻转前，B点为低电位，电容C2通过二极管D2迅速放电。一旦双稳态触发器翻转后，A点成为低电位，B点为高电位。这时，在反方向上又重复上述过程，即C2充电，C1放电。2.5.2 滤波电路的设计随着电子工业的发展， 信号滤波技术在电子仪器中的作用日益重要。信号滤波技术的实现主要依托模拟滤波器和数字滤波器， 然而， 数字滤波技术有着更为明显的优势。数字信号处理(Digital Signal Processing， 简称DSP) 是一门涉及多门学科并广泛应用于很多学科和工程领域的新兴学科。数字信号处理是以众多学科为理论基础的， 所涉及的范围极其广泛。其应用已涵盖了国民经济和国防建设的所有领域， 包括雷达、航天、声纳、通信、海洋高技术、微电子、计算机、人工智能、消费电子等5。为了将有用信号部分放大，在滤出直流分量和高频分量之后，可将一经过滤波的信号与未经滤波的输入信号相加。在欲滤波的信号部分经过频率相关的滤波之后，在至少一轮廓滤波级中将欲滤波信号部分的具有超过一预定阈值的幅度的成分去除。此阈值根据输入信号的幅度作相应调整。此外，为产生总滤波信号将轮廓滤波级的输出信号由与频率相关的滤波器的输出信号中减去6。根据具体情况，可以用三种方法确定截止频率：模拟信号：信号的频率要低于截止频率。脉冲信号：若上升/下降时间为tr，则1/ tr 小于截止频率。脉冲信号：若脉冲信号的重覆频率是f，则15f小于截止频率。滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入式（电感器L接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，仅用一电感器与负载串联）。图2.21为低通滤波电路：图2.21 低通滤波电路3电路图仿真3.1 EWB软件简介电子工作平台Electronics Workbench (EWB)(现称为MultiSim) 软件是加拿Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件,其工作界面如下：图3.1 EWB工作界面3.1.1 EWB的特点（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果；（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法；（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据；（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。与其他电路仿真软件(Protel99)相比，具有界面直观、操作方便等优点。他改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路选用元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。电子电路的分析、设计与仿真工作蕴含于轻点鼠标之间，不仅为电子电路设计者带来了无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量和效率。3.1.2 EWB的优点1、各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得快捷方便。对模拟电子技术基础课程中的绝大部分电路都能应用，不仅能用于对单个电路特性和原理进行验证，也能就用于多级的组合电路。2、元件库不但提供了各种丰富的分立元件和集成电路等元器件,是一个全开放性的仿真实验和课件制作平台,给我们提供了一个实验器具完备的综合性电子技术实验室。可以在任意组合的实验环境中，搭建实验。通过元件复制或单级电路的复制来完成整个电路的组装。因此也适用于较大型的设计性实验。3、EWB（电子学工作平台）为我们提供了一个很好的实用工具，使我们能够在教学过程中随时提供实验、演示和电路分析。教师可以在多媒体教室中深入浅出地分析各种电路的特性，讲解各种参数改变对电路的影响。学生可结合学习内容，进行接近于实际电路的调试分析，有利于对加深对理论理解。特别是一些大中专院校和广播电视大学，通过这样的计算机模拟仿真实验，把电子技术的理论教学和实验教学有机地结合了起来。3.2 运用EWB对电路进行仿真在本设计中，嵌入式容栅扭矩转速传感器是由两个相同的挠性覆铜板分别贴到旋转轴的圆柱面和轴承座的内圆柱面上，形成一对容栅，通过脉宽调制、低通滤波和采集电路构成的，系统构成流程如图3.2所示。动栅和定栅的距离d小于1mm。图3.2系统构成流程图3.2.1转换输出电路仿真设计在本设计中用脉宽调制电路作为转换输出电路，其中脉宽调制电路原理图如下图3。3所示：图3.3脉宽调制电路工作原理：其中C1、C2为两对容栅所形成的电容，当双稳态触发器的输出A电为高电平时，则通过R1对C1充电，直到C点的电位高于参考电压Uf时，比较器A1将产生脉冲触发双稳态触发器翻转。在翻转前，B点为低电位，电容C2通过二极管D2迅速放电。一旦双稳态触发器翻转后，A点成为低电位，B点为高电位。这时，在反方向上又重复上述过程，即C2充电，C1放电。通过仿真软件对脉宽调制电路进行初步的仿真，仿真截图如下图所示：图3.4脉宽调制电路仿真图示波器显示的波形图如下图3.5所示：图3.5脉宽调制电路仿真波形在完成脉宽调制电路仿真后，又对阻抗电桥电路进行了仿真，以和脉宽调制电路的仿真作对比，下图3.6为阻抗电桥电路仿真的截图：图3.6阻抗电桥电路仿真截图阻抗电桥电路的波形如下图3.7所示：图3.7阻抗电桥电路仿真波形通过比较，差动脉宽调制电路更适合通过测量容栅电容的变化来测量扭矩。3.2.2滤波电路仿真的设计滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入式（电感器L接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，仅用一电感器与负载串联）。本设计中的低通滤波器如图3.8所示：图3.8低通滤波电路下图为低通滤波电路仿真截图：图3.9低通滤波仿真电路截图4系统各功能的应用4.1 扭矩传感器的应用4.1.1 电动转向系统微波式扭矩传感器的研究在汽车电动转向器中，为解决扭矩的高可靠性、低成本、小尺寸、高线性度测量问题，叙述了一种基于收发器技术的扭矩传感器的设计原理和特点，分析了该扭矩传感器的关键器件收发器的制作步骤，提出了正弦耦合窗的概念，建立了其数学模型的矩阵描述，给出了信号处理电路的参考模型。采用相位调制技术，可减小功率波动、安装未对准度等误差。汽车电动转向器(EPS) 具有节能、环保、安全、舒适等优点， 体现了汽车“全电子控制”的发展方向。如何准确测量司机转向操作时方向盘产生的扭矩或转角， 是EPS 中的关键技术之一。目前， 用于EPS 的扭矩传感器有多种类型， 但各有其缺点: 电阻式转向传感器在早期的EPS 中应用较多，这种传感器体积大， 价格低， 由于是接触式结构， 工作时易产生噪声、滑动触头易于磨损; 电感式扭矩传感器采用非接触工作方式， 是目前EPS 的主流产品， 但由于探测线圈受温度和外部噪声影响较大， 需要补偿线圈， 使其价格偏高、体积较大， 且对安装的相对位置敏感， 存在较强的电磁干扰(EMI) 和较大的未对准误差;磁环式霍尔传感器使用新的磁性材料， 沿圆筒的内壁制成一族螺旋状条形磁环， 利用转轴上的霍尔传感器获取方向盘回转轴的扭矩、转角或转角速度， 为了形成清晰的条形磁场， 这种传感器需要特殊的磁性材料， 制作工艺复杂， 成本高; 光电式扭矩传感器需要光源且价格昂贵， 应用于EPS 存在明显的弊端。这种基于微波技术的相位调制型角度和扭矩测量方法，利用该方法设计的扭矩传感器， 能同时满足电动转向器(EPS) 对成本、尺寸、精度及抗干扰性能等方面的严格要求7。4.1.2 夹持式扭矩传感器针对目前录井现场各类在用扭矩传感器存在的安装方便性、精度、稳定性和耐用性差等不足，开发研制了新型夹持式扭矩传感器。在简要分析在用扭矩传感器的优缺点基础上，重点介绍了夹持式传感器的测量原理和电路、样机测试结果及产品特点。与在用各类扭矩传感器相比，夹持式扭矩传感器不仅具有设计思路新颖、重量轻、安装方便、使用寿命长、测量灵敏度高等特点，而且能够获得真扭矩值，可为分析井下钻具工况提供十分有价值的参数。转盘扭矩是石油钻井工程中一项十分重要的参数，它的监测对于合理使用钻头、优化钻具组合、防止工程事故的发生、提高钻井效率具有非常重要的意义。多年来，石油科技工作者在对转盘扭矩的测量中做了大量卓有成效的工作，开发研制了多种扭矩传感器，但是，由于在实际应用中还存在着这样或那样的不足，给现场技术人员带来了不少困难，在安装方便性、测量精度、稳定性和耐用性等方面远远达不到用户的满意度。同时，传统的扭矩传感器所测量的“扭矩”是压力、张力或电参数的换算值，不是真正意义上的扭矩。夹持式扭矩传感器的研制克服了传统扭矩传感器存在的不足，它以全新的概念和独到的设计赢得了用户的广泛好评8。4.2 脉宽调制电路的应用4.2.1 脉宽调制在气动减压阀中的应用由于高速开关阀在PWM 信号作用下，可以对气动系统的压力和流量进行直接数字控制，因而在现代气动系统中得到越来越广泛的应用。气动比例调压阀利用高速开关电磁阀的开关特性，运用脉宽调制技术，通过改变高速开关电磁阀的通断时间比，从而改变进入调压阀的通气量(时间平均值) 通过压力传感器的信号反馈而达到按比例控制调压阀压力的目的。从而实现了调压阀对压力的比例调节功能9。由二位三通高速开关电磁阀与先导式气动减压阀组成的比例减压阀，采用脉宽调制控制，能够达到良好的控制效果。与传统的比例阀和伺服阀相比具有结构简单，成本低廉、抗污染能力强，可靠性高、便于通过计算机进行控制。该阀具有较高的使用价值。4.2.2 空间矢量脉宽调制的仿真研究及其实现在分析了空间矢量脉宽调制( SVPWM)理论的基础上，详细地介绍了在Simulink仿真环境下实现SVPWM的方法。对交流永磁同步电动机控制系统进行了仿真研究，给出了电流仿真波形，并对电流波形进行了谐波分析。基于TMS320LF2407A，对SVPWM两种实现方案进行了分析研究。实验结果表明， SVPWM能有效地提高电机的运行性能。空间矢量脉宽调制( SVPWM)技术具有电流谐波含量少、转矩脉动小、噪声低，与正弦矢量脉宽调制( SPWM)相比具有直流电压利用率高，以及易于数字化实现等优点。随着电力电子技术的发展以及数字信号处理器(DSP)的出现， SVPWM在交流传动领域已得到了广泛应用。本文从仿真的角度对SVPWM 进行了分析研究， 同时基于DSP，对软硬件两种实现方法进行了分析，并给出了相应的仿真和实验结果10。本文从仿真和DSP实现两个角度对SVPWM进行了分析和研究。仿真和实验结果表明:(1) 电压矢量转换模式的确定至关重要，它的选取直接影响了电流谐波的多少。(2) 相对于其他PWM来说， SVPWM具有谐波少、电压利用率高、易于实现等特点;它简化了电路设计，提高了可靠性和实时性，是目前用于电机控制方面较为理想的选择。4.2.3 一种CMOS 脉宽调制功率放大器的设计目前，采用PWM 技术实现的脉宽调制功率放大器广泛应用于电机的驱动控制电路中，这些芯片多为国外的产品，且基本都是二次集成实现的，因此，研制一次集成脉宽调制芯片有着广泛的市场和重要的价值。这里提出了一种采用CMOS 电路实现的PWM脉宽功率调制放大器，给出了此系统的工作原理，及各子电路模块的设计方法并指出设计难点。各子电路和低压部分通过PSPACE 模拟，性能良好。此系统可用于小功率的直流电机驱动。设计了一种PWM 功率放大器，其内部所有电路均可在CMOS 工艺下实现，采用了PSPACE 对子电路和整体低压部分进行了模拟，性能良好，满足设计要求。首先给出了其工作原理，分析了内部的各子电路模块的设计方法并指出设计难点，此系统有广泛的市场应用前景和重要的研究价值，可用于驱动小功率的直流电机。如果希望在大功率直流电机中应用，则设计的方法相同，只是考虑到功耗和散热等问题，而将H 桥部分外接，便可用来驱动大功率直流电机11。4.3 滤波电路的应用4.3.1 滤波技术在电连接器中的应用随着现代信息技术的发展，电磁干扰问题越来越成为电子设备或系统中的一个严重问题。各种电磁波和电磁辐射都会对电子设备的稳定性、可靠性和信息数据的正确性产生影响，导致判断失误，造成不可估量的损失。因此，使产品具有良好的电磁兼容性，已经成为电子产品设计人员所面临的重大挑战和追求。电连接器是在部件、设备与系统间传输电气信号的重要元件，任何电子设备都使用电连接器与外界相连。我们知道，任何直接穿透屏蔽体的导线或导体都会造成屏蔽体失效，在实际应用中，某些屏蔽严密的机箱(机柜)就是由于连接器的安装形成导体穿透，造成屏蔽失效，因此在连接器上应用滤波技术是降低电磁干扰的重要途径。滤波电连接器的外形与普通电连接器的外形一样，可以直接替换，它的每一个导体(针或孔)上都有个低通滤波器12。4.3.2 数字滤波技术在电磁海流计中的应用随着电子工业的发展， 信号滤波技术在电子仪器中的作用日益重要。信号滤波技术的实现主要依托模拟滤波器和数字滤波器， 然而， 数字滤波技术有着更为明显的优势。数字信号处理(D igital Signal P rocessing， 简称DSP) 是一门涉及多门学科并广泛应用于很多学科和工程领域的新兴学科。数字信号处理是以众多学科为理论基础的， 所涉及的范围极其广泛。其应用已涵盖了国民经济和国防建设的所有领域， 包括雷达、航天、声纳、通信、海洋高技术、微电子、计算机、人工智能、消费电子等。本文介绍利用数字信号处理技术来提高海流的测量精度。通过数字滤波器在电磁海流计中的应用， 表明了数字滤波技术对电磁海流计的信号提取起到了关键性作用。数字滤波技术采用数字系统完成信号的处理， 它具有数字系统的优点， 抗干扰、可靠性强、集成度高。在海洋监测仪器研制中， 应加大数字滤波技术的使用力度， 扩大数字滤波技术的使用范围， 使我们的海洋监测仪器有可靠的性能保证13。4.4 数据采集存储的应用4.4.1 数据采集系统关键模块的研究与设计实现数据