基于數字測量電路超聲電機摩擦材料濕度測試系統

摘 ?要：超聲電機的摩擦材料性能對超聲電機性能影響非常大，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的影響，根據吸濕后的摩擦材料會發生電容變化而導致電壓變化的原理，利用數字測量芯片CAV444，根據超聲電機摩擦材料不同濕度環境下的參數，完成外圍電路設計;利用NI公司的數據采集卡，結合Labview軟件，設計了一套摩擦材料濕度測試系統，并通過實驗驗證測試電路的可行性。

關鍵詞：超聲電機;摩擦材料;測試系統;數字電路;濕度

中圖分類號：TP331.2 ? ?文獻標識碼：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

超聲電機是一種新型微電機，其原理是通過逆壓電效應產生行波，由定子與轉子之間的摩擦驅動電機[1]，與傳統電機相比較，其具有高精度位置和速度控制、慣性小、響應快、低速大轉矩等優點，在航空航天、機器人、精密儀器中應用廣泛[2-6]。摩擦副材料是超聲電機的核心部件之一，摩擦材料的性能直接影響超聲波電機能量傳遞的效率，國內外研究者對超聲電機摩擦材料的進行了許多研究，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的輸出性能并增強環境適應性[8]、表面織構的分布對界面摩擦特性的影響[9]等。

超聲波電機的最大的特點就是響應快，其響應速度一般是毫秒級的，然而在實踐工作中，超聲波電機在濕度較大時啟動很慢甚至無法啟動，需要變頻才能啟動，其不能快速啟動的原因與摩擦材料吸濕性有一定的關系，而目前還沒有對不同濕度摩擦材料對超聲電機啟動特性影響的研究。為了后期更好地研究電機啟動特性與摩擦材料濕度的關系，檢測超聲波電機在何種濕度范圍內能正常啟動，得出電機能正常啟動的濕度范圍十分關鍵。本研究開發了一種濕度測試系統，該系統基于CAV444數字電路，使用Labview作為虛擬儀器的開發的平臺，該平臺具有開發周期短、編程靈活、易于實現測試信號的采集。

1 ?濕度測量原理

超聲波電機定子與轉子接觸面粘貼有摩擦材料，由于摩擦材料具有吸濕性，因此電機在濕度較大環境時，電機摩擦材料吸水后的電容會隨著改變?；谶@一現象，將不同濕度摩擦材料的電容經過頻率/電壓轉換、低通濾波器和放大電路轉換輸出電壓。本測量系統利用CAV444電容電壓線性轉換數字電路，分別檢測超聲波電機在濕度為40%時與濕度為100%時定子與轉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，即可得出電機摩擦材料在不同濕度時對應的電壓值，然后將濕度40%時的電壓作為基礎電壓，通過基礎電壓與測量電壓差值進行轉換從而得到摩擦材料的濕度值。

2 ?測試系統硬件組成

本次測試系統的硬件部分由TRUM-60超聲波電機、NI-9234數據采集卡以及CAV444電容電壓線性轉換數字電路和計算機組成。

2.1 ?TRUM-60超聲波電機

TRUM-60超聲波電機由定子、轉子、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在一起，在轉子與定子接觸面上黏結了一層摩擦材料，摩擦材料與轉子黏結為一體，定子與轉子間通過施加一定的軸向預壓力使二者保持接觸。

2.2 ?數據采集卡

NI-9234數據采集卡是一款4通道C系列動態信號采集模塊，能針對配備NI CompactDAQ系統的集成電路壓電式與非集成電路壓電式傳感器，進行高精度測量。

2.3 ?CAV444數字電路

CAV444的工作過程是通過對測量電容（內置的測量振蕩器的電容器）充放電產生振蕩周期，該振蕩周期與測量電容的大小成線性關系，再通過頻率/電壓轉換電路和低通濾波器，最后輸出一個直流電壓信號，經過一個零點和滿度可調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是零點和滿度輸出電壓可調的電路。

電路中各參數的計算：本次實驗中的超聲電機摩擦材料在濕度為40%時的電容CM，min=0.25 nF，濕度為100%時CM，max=1.25 nF，希望在測量電容最小時，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）頻率電壓轉換器電流調準電阻RCW== =500 kΩ（VIR=2.5 V，ICR=5 μA）。

（3）f/u頻率電壓轉換器電容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調試電路系統的外接電阻已確定，即R1= 33 kΩ，R2、R3、R4、R5為100 kΩ，CVREF=100 nF，故可以計算出當電容最小時DIFF（min）和電容最大時DIFF（max）的值：

根據已計算好的電路元件參數，焊接一塊濕度檢測電路板。

3 ?測試系統軟件設計

根據測量原理，把摩擦材料在濕度為40%的電壓作為基礎電壓值，再測量電機摩擦材料在任一濕度時的電壓值，把得出的電壓值減去基礎電壓值，即可得到二者電壓差值，從而得出當前測量電機摩擦材料的濕電機度值。本次測試系統采用的是Labview軟件，通過對前面板的設計和程序模擬仿真獲得數據。

3.1 ?數據采集程序設計

根據濕度測量原理，第一步要得出電機在濕度為40%時以及濕度100%時的輸出電壓。首先利用CAV444電容電壓線性轉換電路檢測電機在環境濕度為40%時摩擦材料的輸出電壓，再將轉子泡水一段時間使得摩擦材料的濕度達到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。程序在運行前得對DAQ助手進行相應的設置，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為5 V和-5 V。經過多次實驗，將程序運行后得到數據匯總如表2所示。

綜合考慮，取電機摩擦材料在濕度40%的電壓為3.622 V，在濕度100%時的電壓值為3.616 V。（由于焊接時電路板元件參數選擇沒能完全與計算的參數一致，使得電路板檢測到數據存在誤差，但誤差還是比較小的，因此整套檢測方法是可行的。）

基于以上實驗可以得出電壓每變化0.001 V，電機摩擦材料的濕度也相應變化10%，由于電機正常所處的環境大約是40%左右。因此，在實驗時，把電機摩擦材料在濕度為40%的電壓當作基礎電壓值，通過獲得某濕度時的電壓值與基礎電壓的差值，就可以得出當前檢測的電機摩擦材料的濕度值?？紤]到程序采集時，我們需要控制采集時間，因此在程序設計時還應該設置一個停止采集按鈕來控制采集時間。采集信號時，我們希望得到的不止是當前的數據，還應該保存每次試驗的數據，方便以后研究對數據的讀取，因此在程序設計的最后，應該編一個保存的程序。具體程序設計如圖2所示。

3.2 ?測量系統前面板設計

由程序設計結果可知電路輸出的是電壓值，而我們要看到的是電機摩擦材料的濕度值，因此在前面板應該放置兩個波形圖表以及顯示相應的濕度以及電壓值。同時為了控制采集時間，我們還要在面板上設置采集停止按鈕，具體設計如圖3所示。

3.3 ?實驗調試

為了驗證測試系統的穩定性，應用濕度測量儀與實驗數據進行比較加以驗證。把轉子用電吹風進行烘干時、正常環境空氣濕度時和濕度在70%時進行多次測量，將所的濕度值與濕度測量儀測到的數據進行比較，其數據如表3所示。

從表3發現，兩組的濕度不一致，這是因為濕度檢測電路參數未能按照計算值進行選擇，檢測的精度不夠準確，但是這個誤差并不會太大，說明測試系統是可行的。具體測試系統實物如圖4所示。

4 ?結 ?論

通過利用Labview軟件和CAV444數字電路系統組成的測試系統可以實現對摩擦材料的濕度檢測，雖測量結果有一定的偏差，但誤差在合理范圍內，因此可得出本套測量裝置是可實現濕度測試功能的。系統基于Labview軟件開發，可以根據我們的需要進行編程，這對后面研究轉子摩擦材料濕度對超聲電機的機械特性和啟動特性具有重要意義。

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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：機電一體化設計。