用于旋轉(zhuǎn)軸的非接觸電容式傳感器

摘要- 在機(jī)械軸上測(cè)量扭矩是汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)所需要的。到目前為止，扭矩傳感主要是利用應(yīng)變計(jì)連接到軸上的滑環(huán)，使能夠進(jìn)行電氣接觸來實(shí)現(xiàn)的。非接觸式磁性和光學(xué)技術(shù)也被加以運(yùn)用。在提出的電容扭矩傳感器，兩個(gè)角位移傳感器被間隔一個(gè)明確定義的距離。在序列0，90，180 ，270。。。每一個(gè)電容位移傳感器的轉(zhuǎn)子組成一個(gè)電極陣列和相位角的正弦波電壓. 這些電壓電容從定子至轉(zhuǎn)子耦合。定子還裝有一個(gè)讀出電極。這個(gè)讀數(shù)電極讀出的正弦波相位角是成正比的轉(zhuǎn)子-定子電極重疊，因此與角位置成比例。相位角區(qū)別兩個(gè)角位移傳感器的輸出信號(hào)是它是一個(gè)直接測(cè)量的扭角，因此是軸上的扭矩。該傳感器能夠使非接觸式扭矩在0-100納米范圍內(nèi)對(duì)10毫米直徑的鋼軸進(jìn)行測(cè)量。

1 導(dǎo)言
引擎的扭矩/速度關(guān)系是燃料消費(fèi)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的一個(gè)重要參數(shù)。在加速時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)在盡可能最低的齒輪，通過改變齒輪比例，增加車輛行駛速度，而非操作油門，提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣將得到最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。油門應(yīng)只用于在可能最低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)提高功率。很明顯，在這樣一種方式下發(fā)動(dòng)機(jī)速度對(duì)于調(diào)整傳遞不是一個(gè)合適的參數(shù)。因此在操作遇到機(jī)械的局限性時(shí)應(yīng)使用轉(zhuǎn)矩調(diào)整傳動(dòng)比。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸或需要測(cè)量扭矩的軸，是旋轉(zhuǎn)的，這就強(qiáng)烈要求通過非接觸測(cè)量扭矩。旋轉(zhuǎn)軸采用電氣接觸時(shí)，需要使用滑環(huán)，這將導(dǎo)致費(fèi)用更高，而且維修時(shí)需要傳感系統(tǒng)。另一可能限制范圍的邊界條件源于結(jié)構(gòu)的限制。要求力學(xué)性能的輪軸通常避免由于放置傳感器電子系統(tǒng)而銑槽或地方狹窄的輪軸，這是為實(shí)現(xiàn)一個(gè)更大扭角。槽孔的銑削基于扭矩測(cè)量系統(tǒng)的非接觸式應(yīng)變片，這種傳感器操作的電力可以通過感應(yīng)和傳感器數(shù)據(jù)的遙測(cè)提供給軸，這也是相當(dāng)可行的。然而，由于實(shí)際情況的限制，這樣削弱車軸的做法通常是不被允許的。此外，相對(duì)較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)車軸的平衡要求更高，以避免慣性引起的振動(dòng)。不過，這種系統(tǒng)已在船舶的軸上實(shí)施了，驅(qū)動(dòng)軸的質(zhì)量和直徑以及每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)目允許基于傳感器安裝一個(gè)應(yīng)變片和在軸上讀出電子。軸的限制處可以用來放大扭矩導(dǎo)致的扭角。這將有利于利用兩個(gè)角位移傳感器對(duì)扭矩進(jìn)行測(cè)量;對(duì)限制處的任何一面。因?yàn)榕ぞ貙?dǎo)致的扭轉(zhuǎn)角是與軸直徑的第四個(gè)電源成反比例的，在角位移上的可以獲得顯著的增益，然而，結(jié)構(gòu)問題通常阻礙這些技術(shù)的實(shí)施。