激光多普勒技術在扭矩測量中的應用研究

程磊+王麗芳+黃星

摘 要：本文主要基于激光多普勒技術，對扭矩測量進行研究，對該技術系統原理進行了深入分析，提出了合理化的扭矩測量改進方法，推導了出光路數學模型，確保了驗證測量方法的合理性和可行性。在實驗過程中，主要是通過高相干激光器來進行激光投射，激光投射到平行界面的點上，通過對相對截面的速度進行測量，能夠得到兩截面相對轉角，進而完成扭矩測量工作。

關鍵詞：激光多普勒技術；扭矩測量；原理；計量學

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.162

0 前言

扭矩測量發生變化與能量的傳遞有直接關系，直接影響產品的質量，在一些載荷變化大和能量密集地區，機器設備會出現嚴重的破損現象。因此，需要加大扭矩測量，確保各項生產工作的安全性和可靠性。本文基于激光多普勒技術，對兩個截面速度進行測量，得到兩截面的相對轉角，實現扭矩測量。

1 扭矩測量基本原理

目前，涂敷磁致伸縮材料、在轉軸表面粘貼應變片放置壓電晶體和振弦等方法是國際上普遍采用的扭矩測量方法。我國在運用該方法進行扭矩測量時，主要是采用雙截面測量方式，需要確保兩個雙截面光路配置的相同性，將分束鏡BS3中分束的高相干光源分成兩束，兩束光會分別投射到轉軸的兩個截面上，截面上反射的兩個點又會分別投射在分束鏡上[1]。需要將反射的光束在光探測器的光敏面上進行光學混頻，最終得到差頻信號。基于激光多普勒技術，兩頻移信號光學混頻后的差頻信號表示為：

DA12（t）=°（t）°（×Z）°Ki=°（t）°（Ki×

×Z）=°d（t）°cos

通過以上公式，要想獲得相對轉角，需要對檢測量進行積分，對電路進行簡化測量處理，得出彈性轉軸的靜力學幾何關系為：

M表示彈性轉軸兩端施加的扭矩，G表示彈性轉軸的剪切彈性模量，IP表示彈性轉軸的截面慣矩。通過上式計算能夠得到轉軸截面兩端的扭矩，有利于更好的進行光學測量[2]。轉軸扭矩的測量通常是在動態下進行的，彈性用K=GIP/a表示，阻尼系數用C表示，動態的扭矩和轉角關系用如下公式表示：

2 扭矩測量實驗及結果分析

扭矩測量實驗主要是在扭矩實驗臺上進行，如圖1所示。

實驗開展過程中，欲確保電機驅動轉軸的平穩運行，需將直流電機作為負載，轉軸在受到扭矩作用時，會導致兩個圓盤發生嚴重的變形現象。通常標準的扭矩大小通常是由扭矩傳感器測量出來的，需將其作為基準的測量儀器，為了確保數據測量的準確合理性，主要是通過數據比較分析的形式，來提高扭矩測量精度[3]。

3 結論

本文主要是基于激光多普勒技術對扭矩測量方法進行分析，通過分析可知，該種測量方法具有非接觸測量、不受轉軸形狀影響和不改變轉軸運行狀態等優勢。在實際的實驗過程中，有效的避免了多套解調電路出現的扭矩測量系統誤差，延緩了電路的傳輸延時時間，避免了系統出現嚴重的誤差現象，確保了系統的精確性，提高了扭矩測量的精度，提高了回轉機械的故障診斷和在線監測能力。

參考文獻：

[1]資新運，耿帥，趙姝帆，王迎，秦萬軍.數字工業攝像技術用于轉軸動態扭矩測量原理的研究[J].中國激光，2015（02）：238-244.

[2]李志鳳，趙登峰，馬國鷺，曾國英.基于激光多普勒效應的軸系振動綜合測量[J].激光雜志，2015（03）：107-110.

[3]談微中，楊琨，張彥，廖嵩松.基于FPGA的軸系扭矩光電測量裝置的研究[J].機械制造，2012（08）：69-72