基于數(shù)字測量電路超聲電機(jī)摩擦材料濕度測試系統(tǒng)

摘 ?要：超聲電機(jī)的摩擦材料性能對超聲電機(jī)性能影響非常大，而摩擦材料的濕度則是影響其性能的因素之一。為了更好地研究不同濕度摩擦材料對電機(jī)的影響，根據(jù)吸濕后的摩擦材料會(huì)發(fā)生電容變化而導(dǎo)致電壓變化的原理，利用數(shù)字測量芯片CAV444，根據(jù)超聲電機(jī)摩擦材料不同濕度環(huán)境下的參數(shù)，完成外圍電路設(shè)計(jì);利用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合Labview軟件，設(shè)計(jì)了一套摩擦材料濕度測試系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測試電路的可行性。

關(guān)鍵詞：超聲電機(jī);摩擦材料;測試系統(tǒng);數(shù)字電路;濕度

中圖分類號：TP331.2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）12-0047-04

Abstract： The performance of friction material of ultrasonic motor has a great influence on the performance of ultrasonic motor， and the humidity of friction material is one of the factors affecting its performance. In order to better study the influence of friction materials with different humidity on the motor， according to the principle that the capacitance of friction materials after moisture absorption will change and lead to voltage change， the peripheral circuit design is completed by using the digital measurement chip CAV444 according to the parameters of friction materials of ultrasonic motor under different humidity environment. Using the data acquisition card of NI company and Labview software， a set of friction material humidity test system is designed， and the feasibility of the test circuit is verified by experiments.

Keywords： ultrasonic motor; friction material; test system; digital circuit; humidity

0 ?引 ?言

超聲電機(jī)是一種新型微電機(jī)，其原理是通過逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生行波，由定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦驅(qū)動(dòng)電機(jī)[1]，與傳統(tǒng)電機(jī)相比較，其具有高精度位置和速度控制、慣性小、響應(yīng)快、低速大轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、精密儀器中應(yīng)用廣泛[2-6]。摩擦副材料是超聲電機(jī)的核心部件之一，摩擦材料的性能直接影響超聲波電機(jī)能量傳遞的效率，國內(nèi)外研究者對超聲電機(jī)摩擦材料的進(jìn)行了許多研究，如玻璃纖維粉可以改善摩擦材料的超聲電機(jī)性能和耐磨性[7]，寬溫域低損耗壓電摩擦材料可以改善超聲電機(jī)的輸出性能并增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性[8]、表面織構(gòu)的分布對界面摩擦特性的影響[9]等。

超聲波電機(jī)的最大的特點(diǎn)就是響應(yīng)快，其響應(yīng)速度一般是毫秒級的，然而在實(shí)踐工作中，超聲波電機(jī)在濕度較大時(shí)啟動(dòng)很慢甚至無法啟動(dòng)，需要變頻才能啟動(dòng)，其不能快速啟動(dòng)的原因與摩擦材料吸濕性有一定的關(guān)系，而目前還沒有對不同濕度摩擦材料對超聲電機(jī)啟動(dòng)特性影響的研究。為了后期更好地研究電機(jī)啟動(dòng)特性與摩擦材料濕度的關(guān)系，檢測超聲波電機(jī)在何種濕度范圍內(nèi)能正常啟動(dòng)，得出電機(jī)能正常啟動(dòng)的濕度范圍十分關(guān)鍵。本研究開發(fā)了一種濕度測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于CAV444數(shù)字電路，使用Labview作為虛擬儀器的開發(fā)的平臺(tái)，該平臺(tái)具有開發(fā)周期短、編程靈活、易于實(shí)現(xiàn)測試信號的采集。

1 ?濕度測量原理

超聲波電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子接觸面粘貼有摩擦材料，由于摩擦材料具有吸濕性，因此電機(jī)在濕度較大環(huán)境時(shí)，電機(jī)摩擦材料吸水后的電容會(huì)隨著改變。基于這一現(xiàn)象，將不同濕度摩擦材料的電容經(jīng)過頻率/電壓轉(zhuǎn)換、低通濾波器和放大電路轉(zhuǎn)換輸出電壓。本測量系統(tǒng)利用CAV444電容電壓線性轉(zhuǎn)換數(shù)字電路，分別檢測超聲波電機(jī)在濕度為40%時(shí)與濕度為100%時(shí)定子與轉(zhuǎn)子之間高分子材料的電壓值，得出二者之間電壓差值，再將此電壓差值均勻等分，即可得出電機(jī)摩擦材料在不同濕度時(shí)對應(yīng)的電壓值，然后將濕度40%時(shí)的電壓作為基礎(chǔ)電壓，通過基礎(chǔ)電壓與測量電壓差值進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而得到摩擦材料的濕度值。

2 ?測試系統(tǒng)硬件組成

本次測試系統(tǒng)的硬件部分由TRUM-60超聲波電機(jī)、NI-9234數(shù)據(jù)采集卡以及CAV444電容電壓線性轉(zhuǎn)換數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)組成。

2.1 ?TRUM-60超聲波電機(jī)

TRUM-60超聲波電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、殼體、底座，壓電陶瓷、摩擦襯套、碟簧、軸以及軸承等組成。其中壓電陶瓷與定子粘結(jié)在一起，在轉(zhuǎn)子與定子接觸面上黏結(jié)了一層摩擦材料，摩擦材料與轉(zhuǎn)子黏結(jié)為一體，定子與轉(zhuǎn)子間通過施加一定的軸向預(yù)壓力使二者保持接觸。

2.2 ?數(shù)據(jù)采集卡

NI-9234數(shù)據(jù)采集卡是一款4通道C系列動(dòng)態(tài)信號采集模塊，能針對配備NI CompactDAQ系統(tǒng)的集成電路壓電式與非集成電路壓電式傳感器，進(jìn)行高精度測量。

2.3 ?CAV444數(shù)字電路

CAV444的工作過程是通過對測量電容（內(nèi)置的測量振蕩器的電容器）充放電產(chǎn)生振蕩周期，該振蕩周期與測量電容的大小成線性關(guān)系，再通過頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路和低通濾波器，最后輸出一個(gè)直流電壓信號，經(jīng)過一個(gè)零點(diǎn)和滿度可調(diào)的輸出級得出所希望的電壓信號輸出值，輸出的電壓與參考電壓VREF之間為差分電壓輸出。圖1是零點(diǎn)和滿度輸出電壓可調(diào)的電路。

電路中各參數(shù)的計(jì)算：本次實(shí)驗(yàn)中的超聲電機(jī)摩擦材料在濕度為40%時(shí)的電容CM，min=0.25 nF，濕度為100%時(shí)CM，max=1.25 nF，希望在測量電容最小時(shí)，相對VREF=2.5 V的輸出電壓VDIFF（min）=0 V以及在測量電容最大時(shí)的輸出電壓VDIFF（max）=1 V。

（1）測量振蕩器電阻RCM=== 250 kΩ（其中VM=2.5 V，Icm=5 μA）。

（2）頻率電壓轉(zhuǎn)換器電流調(diào)準(zhǔn)電阻RCW== =500 kΩ（VIR=2.5 V，ICR=5 μA）。

（3）f/u頻率電壓轉(zhuǎn)換器電容CW=CM，max/1.6=0.781 25 nF。

（4）工作電阻RA=1 200/5=240 kΩ。

（5）測量振蕩器最小頻率fM，min== =1.9 kHz;測量振蕩器最大頻率fM，max= ==9.52 kHz。

（6）低通濾波器電容CF1，CF2==262.5 NF。

（7）最大檢測頻率fsig=fM，min/65=29.3 Hz。

（8）CAV444調(diào)試電路系統(tǒng)的外接電阻已確定，即R1= 33 kΩ，R2、R3、R4、R5為100 kΩ，CVREF=100 nF，故可以計(jì)算出當(dāng)電容最小時(shí)DIFF（min）和電容最大時(shí)DIFF（max）的值：

根據(jù)已計(jì)算好的電路元件參數(shù)，焊接一塊濕度檢測電路板。

3 ?測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)測量原理，把摩擦材料在濕度為40%的電壓作為基礎(chǔ)電壓值，再測量電機(jī)摩擦材料在任一濕度時(shí)的電壓值，把得出的電壓值減去基礎(chǔ)電壓值，即可得到二者電壓差值，從而得出當(dāng)前測量電機(jī)摩擦材料的濕電機(jī)度值。本次測試系統(tǒng)采用的是Labview軟件，通過對前面板的設(shè)計(jì)和程序模擬仿真獲得數(shù)據(jù)。

3.1 ?數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

根據(jù)濕度測量原理，第一步要得出電機(jī)在濕度為40%時(shí)以及濕度100%時(shí)的輸出電壓。首先利用CAV444電容電壓線性轉(zhuǎn)換電路檢測電機(jī)在環(huán)境濕度為40%時(shí)摩擦材料的輸出電壓，再將轉(zhuǎn)子泡水一段時(shí)間使得摩擦材料的濕度達(dá)到100%后，檢測其輸出電壓。通過Labview軟件編程，把電路的輸出電壓以波形圖的形式表達(dá)。程序在運(yùn)行前得對DAQ助手進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，由于DAQ采集到的是電壓信號，將輸入電壓最大和最小分別設(shè)為5 V和-5 V。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，將程序運(yùn)行后得到數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

綜合考慮，取電機(jī)摩擦材料在濕度40%的電壓為3.622 V，在濕度100%時(shí)的電壓值為3.616 V。（由于焊接時(shí)電路板元件參數(shù)選擇沒能完全與計(jì)算的參數(shù)一致，使得電路板檢測到數(shù)據(jù)存在誤差，但誤差還是比較小的，因此整套檢測方法是可行的。）

基于以上實(shí)驗(yàn)可以得出電壓每變化0.001 V，電機(jī)摩擦材料的濕度也相應(yīng)變化10%，由于電機(jī)正常所處的環(huán)境大約是40%左右。因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，把電機(jī)摩擦材料在濕度為40%的電壓當(dāng)作基礎(chǔ)電壓值，通過獲得某濕度時(shí)的電壓值與基礎(chǔ)電壓的差值，就可以得出當(dāng)前檢測的電機(jī)摩擦材料的濕度值。考慮到程序采集時(shí)，我們需要控制采集時(shí)間，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該設(shè)置一個(gè)停止采集按鈕來控制采集時(shí)間。采集信號時(shí)，我們希望得到的不止是當(dāng)前的數(shù)據(jù)，還應(yīng)該保存每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，方便以后研究對數(shù)據(jù)的讀取，因此在程序設(shè)計(jì)的最后，應(yīng)該編一個(gè)保存的程序。具體程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2 ?測量系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

由程序設(shè)計(jì)結(jié)果可知電路輸出的是電壓值，而我們要看到的是電機(jī)摩擦材料的濕度值，因此在前面板應(yīng)該放置兩個(gè)波形圖表以及顯示相應(yīng)的濕度以及電壓值。同時(shí)為了控制采集時(shí)間，我們還要在面板上設(shè)置采集停止按鈕，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.3 ?實(shí)驗(yàn)調(diào)試

為了驗(yàn)證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)用濕度測量儀與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較加以驗(yàn)證。把轉(zhuǎn)子用電吹風(fēng)進(jìn)行烘干時(shí)、正常環(huán)境空氣濕度時(shí)和濕度在70%時(shí)進(jìn)行多次測量，將所的濕度值與濕度測量儀測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3發(fā)現(xiàn)，兩組的濕度不一致，這是因?yàn)闈穸葯z測電路參數(shù)未能按照計(jì)算值進(jìn)行選擇，檢測的精度不夠準(zhǔn)確，但是這個(gè)誤差并不會(huì)太大，說明測試系統(tǒng)是可行的。具體測試系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

4 ?結(jié) ?論

通過利用Labview軟件和CAV444數(shù)字電路系統(tǒng)組成的測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對摩擦材料的濕度檢測，雖測量結(jié)果有一定的偏差，但誤差在合理范圍內(nèi)，因此可得出本套測量裝置是可實(shí)現(xiàn)濕度測試功能的。系統(tǒng)基于Labview軟件開發(fā)，可以根據(jù)我們的需要進(jìn)行編程，這對后面研究轉(zhuǎn)子摩擦材料濕度對超聲電機(jī)的機(jī)械特性和啟動(dòng)特性具有重要意義。

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作者簡介：林惠玲（1987—）女，漢族，福建漳州人，講師，本科，研究方向：機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。