Resotorque

Drahtlose Drehmomentmessung mit resonanten Oszillatoren  

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurde ein innovatives Konzept für einen drahtlosen Drehmomentsensor untersucht. Das Konzept baut auf die Auswertung der Eigenresonanz von dielektrischen Resonatoren mit hoher Güte. Dabei wurde ein Messsystem zur Messung des bidirektionalen Drehmoments durch die Verwendung zweier differenzieller Resonatoren entwickelt und als Analyseplattform verwendet. Die Resonatoren wurden auf einer Koaxial-Welle mit einem Außendurchmesser von 80 mm angebracht. Durch ein Drehmoment entsteht eine Verdrehung der Welle und damit ändert sich die Resonanzfrequenz der Messanordnung. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz wird mittels einer drahtlosen Ausleseeinheit auf der Basis eines SDR (Software Defined Radio) gemessen und ist proportional zum Drehmoment.

Diese Ausleseeinheit verwendet das offene ISM-Band (2,40 – 2,483 GHz) und verfolgt die einzelne Frequenzverschiebung durch einen phasenbasierten Frequenzschätzer. Die verwendete Sendeleistung beträgt dabei 20 dBm. Das Sensorsystem besteht aus einem Paar von Zirkonium-Titannitrid-(Keramik)-Resonatoren, die zwischen zwei parallelen Platten auf der Klemme in einer differenziellen Anordnung befestigt sind. Beide Resonatoren wurden aus der gleichen Herstellungscharge verwendet und deren relative Permittivität beträgt 36,65 ± 0.01. Die Permittivität wurde dabei nach dem Hakki-Coleman-Verfahren zur Messung der dielektrischen Konstanten bestimmt.

Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz wird ein breitbandiges Signal zum Erregen des keramischen Oszillators ausgesendet. Anschließend speichert der Resonator einen Teil der empfangenen Energie und bildet eine stehende Welle aus. Durch die Öffnung zwischen den parallelen Platten kann ein Teil der Energie austreten und wird durch die Antenne empfangen. Zur Übertragung der Signale von der rotierenden Welle zum stationären Messobjekt, werden jeweils zwei induktiv gekoppelte Spulenkoppler für jeden Resonator verwendet. Messungen zur Bestimmung des Nebensprechens zwischen den Spulenkopplern ergaben eine Dämpfung zwischen den beiden Kanälen von 30 dB. Das ausgesendete Signal der Resonatoren wurde vom SDR aufgenommen und prozessiert.

Das IGF-Vorhaben 17674 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.