基于声表面波的车辆驱动轴动态扭矩测量系统研究

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1、2014年10月农业机械学报第45卷第10期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．10．005*基于声表面波的车辆驱动轴动态扭矩测量系统研究1，212张海涛唐敦兵许芹(1．南京航空航天大学机电学院，南京210016;2．安徽科技学院机械工程学院，凤阳233100)摘要:基于声表面波(SAW)技术，应用单端口SAW谐振器，设计了车辆驱动轴动态扭矩测量装置，实现车辆驱动轴扭矩无线无源实时测量。采用三点等间距对称方式布置信号收发天线，消除信号的绕射现象;以PWM信号控制FET时序通断，设计信号查询时序电路;通

2、过差频测量方式，消除温度等因素的影响，提高了测量精度。模拟试验结果表明，测量装置所测得结果与理论模型一致，测量灵敏度约为1.15kHz/(N·m)，为车辆驱动轴动态扭矩的测量提供了一种可行的方案。关键词:车辆驱动轴SAW单端口谐振器扭矩动态测量+中图分类号:U463.216.2;U467.3文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)10-0029-05电路，通过实验验证该测量方法的可行性。引言1SAW扭矩传感器设计汽车传动轴是车辆传动系统中的关键部件，担负着变速箱与驱动桥之间的扭矩传递作用。汽车行1.1单端口SAW谐振器

3、工作原理驶过程中悬架变位，变速箱与驱动桥的相对位置发SAW器件按工作方式可以分为延迟线型SAW生变化，使传动轴与变速箱间存在相对位移，其承受器件和谐振器型SAW器件;按照能源供给方式的不力复杂多变。汽车在起步、减速和制动时，传动轴承同可以分为有源SAW器件和无源SAW器件。无源受很大的扭矩，对整车性能影响极大。准确实时地SAW谐振型器件比延迟线型SAW器件具有更好的［5－6］随车测量传动轴的扭矩对于及时发现传动轴存在的Q值，因此通常使用单端口谐振器。如图1所［1－2］故障和改进设计具有重要意义。目前轴类扭矩示，单端口无源SAW谐振器

4、通过IDT上的天线接收测量方法主要有相移式、差动变压器式、应变式、感信号激励出的声表面波，声表面波经反射栅反射后［3］应变压器式、磁致伸缩式及激光测量等，上述测返回IDT被转换成电磁波并通过天线发射出去。无量方法大多为静态测量，且需电缆对传感器供电及源SAW谐振器的响应信号是一个以谐振频率为中检测信号传输;现有无线传感器需电池供电且体积心频率的震荡衰减的信号，如图2a所示。为了适应质量大，安装于车辆传动轴时由于高速转动而影响中心频率的变化以及提高响应信号的幅值，一般不其平衡性;滑环、电磁类供电式传感器易引入干扰噪采用单个脉冲激励，而

5、是采用占空比可调的正弦脉［6］声对车辆传动轴这类旋转移动部件动态扭矩测量不冲信号激励，如图2b所示。适用。声表面波(SAW)传感器是近几年发展起来的一大研究热点，该类传感器精度和灵敏度高，线性度好且实现了传感器无线和无源化，非常适用于恶［4］劣环境下旋转移动部件的扭矩测量。本文在分析单端口SAW谐振器工作原理的基础上，采用两组SAW谐振器搭建差频测量方案，建立扭矩的数学模型，为避免信号盲区采用3点等间距传感器天线安图1单端口谐振器装方式，并设计以场效应管为开关器件的信号查询Fig．1Single-portresonator收稿日期:

6、2013-10-12修回日期:2013-11-29*国家自然科学基金资助项目(51175262)、安徽省高校优秀青年人才基金资助项目(2012SQＲL140)、安徽省高校自然科学基金资助项目(KJ2013B075)和安徽科技学院基金资助项目(ZＲC2013338、ZＲC2013376)作者简介:张海涛，博士生，安徽科技学院讲师，主要从事机电智能控制与检测研究，E-mail:toby_sh@163．com通讯作者:唐敦兵，教授，博士生导师，主要从事机电控制与自动化研究，E-mail:d．tang@nuaa．edu．cn30农业机械学报

7、2014年应频率，而是利用运算放大器将2个谐振器置于振荡电路的反馈回路中，其振荡频率正比于测量值，方［9－10］便进行测量，如图3所示。图2激励与响应信号Fig．2Stimulusandresponsesignals当反射栅的间距为SAW波长λ二分之一的整数倍时，即图3轴上传感器布置λFig．3Sensorsonshaftd1=n1(n1=1，2，3，…)(1)2由材料力学可知，轴上应变ε与扭矩T间关系经反射栅各栅极反射的SAW同相位，幅值相互为［7］λ叠加增强，产生Bragg反射。取n1=1，即d1=。16T2ε=(6)3πGD因

8、此，λ=2d1。式中G———材料的弹性模量当IDT与反射栅之间距离为D———转轴直径1λl=(n2－)(n2=1，2，3，…)(2)SAW谐振器中心谐振频率很高，通常是几十兆22［11－12］赫兹到几吉赫兹，对测量系统硬件要求较高。B