基于聲表面波的車輛驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量系統(tǒng)研究

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1、2014年10月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第45卷第10期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．10．005*基于聲表面波的車輛驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量系統(tǒng)研究1，212張海濤唐敦兵許芹(1．南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016;2．安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鳳陽233100)摘要:基于聲表面波(SAW)技術(shù)，應(yīng)用單端口SAW諧振器，設(shè)計(jì)了車輛驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)車輛驅(qū)動(dòng)軸扭矩?zé)o線無源實(shí)時(shí)測(cè)量。采用三點(diǎn)等間距對(duì)稱方式布置信號(hào)收發(fā)天線，消除信號(hào)的繞射現(xiàn)象;以PWM信號(hào)控制FET時(shí)序通斷，設(shè)計(jì)信號(hào)查詢時(shí)序電路;通

2、過差頻測(cè)量方式，消除溫度等因素的影響，提高了測(cè)量精度。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量裝置所測(cè)得結(jié)果與理論模型一致，測(cè)量靈敏度約為1.15kHz/(N·m)，為車輛驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩的測(cè)量提供了一種可行的方案。關(guān)鍵詞:車輛驅(qū)動(dòng)軸SAW單端口諧振器扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)量+中圖分類號(hào):U463.216.2;U467.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-1298(2014)10-0029-05電路，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該測(cè)量方法的可行性。引言1SAW扭矩傳感器設(shè)計(jì)汽車傳動(dòng)軸是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，擔(dān)負(fù)著變速箱與驅(qū)動(dòng)橋之間的扭矩傳遞作用。汽車行1.1單端口SAW諧振器

3、工作原理駛過程中懸架變位，變速箱與驅(qū)動(dòng)橋的相對(duì)位置發(fā)SAW器件按工作方式可以分為延遲線型SAW生變化，使傳動(dòng)軸與變速箱間存在相對(duì)位移，其承受器件和諧振器型SAW器件;按照能源供給方式的不力復(fù)雜多變。汽車在起步、減速和制動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸承同可以分為有源SAW器件和無源SAW器件。無源受很大的扭矩，對(duì)整車性能影響極大。準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地SAW諧振型器件比延遲線型SAW器件具有更好的［5－6］隨車測(cè)量傳動(dòng)軸的扭矩對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸存在的Q值，因此通常使用單端口諧振器。如圖1所［1－2］故障和改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要意義。目前軸類扭矩示，單端口無源SAW諧振器

4、通過IDT上的天線接收測(cè)量方法主要有相移式、差動(dòng)變壓器式、應(yīng)變式、感信號(hào)激勵(lì)出的聲表面波，聲表面波經(jīng)反射柵反射后［3］應(yīng)變壓器式、磁致伸縮式及激光測(cè)量等，上述測(cè)返回IDT被轉(zhuǎn)換成電磁波并通過天線發(fā)射出去。無量方法大多為靜態(tài)測(cè)量，且需電纜對(duì)傳感器供電及源SAW諧振器的響應(yīng)信號(hào)是一個(gè)以諧振頻率為中檢測(cè)信號(hào)傳輸;現(xiàn)有無線傳感器需電池供電且體積心頻率的震蕩衰減的信號(hào)，如圖2a所示。為了適應(yīng)質(zhì)量大，安裝于車輛傳動(dòng)軸時(shí)由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)而影響中心頻率的變化以及提高響應(yīng)信號(hào)的幅值，一般不其平衡性;滑環(huán)、電磁類供電式傳感器易引入干擾噪采用單個(gè)脈沖激勵(lì)，而

5、是采用占空比可調(diào)的正弦脈［6］聲對(duì)車輛傳動(dòng)軸這類旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量不沖信號(hào)激勵(lì)，如圖2b所示。適用。聲表面波(SAW)傳感器是近幾年發(fā)展起來的一大研究熱點(diǎn)，該類傳感器精度和靈敏度高，線性度好且實(shí)現(xiàn)了傳感器無線和無源化，非常適用于惡［4］劣環(huán)境下旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件的扭矩測(cè)量。本文在分析單端口SAW諧振器工作原理的基礎(chǔ)上，采用兩組SAW諧振器搭建差頻測(cè)量方案，建立扭矩的數(shù)學(xué)模型，為避免信號(hào)盲區(qū)采用3點(diǎn)等間距傳感器天線安圖1單端口諧振器裝方式，并設(shè)計(jì)以場(chǎng)效應(yīng)管為開關(guān)器件的信號(hào)查詢Fig．1Single-portresonator收稿日期:

6、2013-10-12修回日期:2013-11-29*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175262)、安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金資助項(xiàng)目(2012SQＲL140)、安徽省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(KJ2013B075)和安徽科技學(xué)院基金資助項(xiàng)目(ZＲC2013338、ZＲC2013376)作者簡(jiǎn)介:張海濤，博士生，安徽科技學(xué)院講師，主要從事機(jī)電智能控制與檢測(cè)研究，E-mail:toby_sh@163．com通訊作者:唐敦兵，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電控制與自動(dòng)化研究，E-mail:d．tang@nuaa．edu．cn30農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)

7、2014年應(yīng)頻率，而是利用運(yùn)算放大器將2個(gè)諧振器置于振蕩電路的反饋回路中，其振蕩頻率正比于測(cè)量值，方［9－10］便進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。圖2激勵(lì)與響應(yīng)信號(hào)Fig．2Stimulusandresponsesignals當(dāng)反射柵的間距為SAW波長(zhǎng)λ二分之一的整數(shù)倍時(shí)，即圖3軸上傳感器布置λFig．3Sensorsonshaftd1=n1(n1=1，2，3，…)(1)2由材料力學(xué)可知，軸上應(yīng)變?chǔ)排c扭矩T間關(guān)系經(jīng)反射柵各柵極反射的SAW同相位，幅值相互為［7］λ疊加增強(qiáng)，產(chǎn)生Bragg反射。取n1=1，即d1=。16T2ε=(6)3πGD因

8、此，λ=2d1。式中G———材料的彈性模量當(dāng)IDT與反射柵之間距離為D———轉(zhuǎn)軸直徑1λl=(n2－)(n2=1，2，3，…)(2)SAW諧振器中心諧振頻率很高，通常是幾十兆22［11－12］赫茲到幾吉赫茲，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)硬件要求較高。B