激光多普勒技术在扭矩测量中的应用研究

程磊+王丽芳+黄星

摘 要：本文主要基于激光多普勒技术，对扭矩测量进行研究，对该技术系统原理进行了深入分析，提出了合理化的扭矩测量改进方法，推导了出光路数学模型，确保了验证测量方法的合理性和可行性。在实验过程中，主要是通过高相干激光器来进行激光投射，激光投射到平行界面的点上，通过对相对截面的速度进行测量，能够得到两截面相对转角，进而完成扭矩测量工作。

关键词：激光多普勒技术；扭矩测量；原理；计量学

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

0 前言

扭矩测量发生变化与能量的传递有直接关系，直接影响产品的质量，在一些载荷变化大和能量密集地区，机器设备会出现严重的破损现象。因此，需要加大扭矩测量，确保各项生产工作的安全性和可靠性。本文基于激光多普勒技术，对两个截面速度进行测量，得到两截面的相对转角，实现扭矩测量。

1 扭矩测量基本原理

目前，涂敷磁致伸缩材料、在转轴表面粘贴应变片放置压电晶体和振弦等方法是国际上普遍采用的扭矩测量方法。我国在运用该方法进行扭矩测量时，主要是采用双截面测量方式，需要确保两个双截面光路配置的相同性，将分束镜BS3中分束的高相干光源分成两束，两束光会分别投射到转轴的两个截面上，截面上反射的两个点又会分别投射在分束镜上[1]。需要将反射的光束在光探测器的光敏面上进行光学混频，最终得到差频信号。基于激光多普勒技术，两频移信号光学混频后的差频信号表示为：

DA12（t）=°（t）°（×Z）°Ki=°（t）°（Ki×

×Z）=°d（t）°cos

通过以上公式，要想获得相对转角，需要对检测量进行积分，对电路进行简化测量处理，得出弹性转轴的静力学几何关系为：

M表示弹性转轴两端施加的扭矩，G表示弹性转轴的剪切弹性模量，IP表示弹性转轴的截面惯矩。通过上式计算能够得到转轴截面两端的扭矩，有利于更好的进行光学测量[2]。转轴扭矩的测量通常是在动态下进行的，弹性用K=GIP/a表示，阻尼系数用C表示，动态的扭矩和转角关系用如下公式表示：

2 扭矩测量实验及结果分析

扭矩测量实验主要是在扭矩实验台上进行，如图1所示。

实验开展过程中，欲确保电机驱动转轴的平稳运行，需将直流电机作为负载，转轴在受到扭矩作用时，会导致两个圆盘发生严重的变形现象。通常标准的扭矩大小通常是由扭矩传感器测量出来的，需将其作为基准的测量仪器，为了确保数据测量的准确合理性，主要是通过数据比较分析的形式，来提高扭矩测量精度[3]。

3 结论

本文主要是基于激光多普勒技术对扭矩测量方法进行分析，通过分析可知，该种测量方法具有非接触测量、不受转轴形状影响和不改变转轴运行状态等优势。在实际的实验过程中，有效的避免了多套解调电路出现的扭矩测量系统误差，延緩了电路的传输延时时间，避免了系统出现严重的误差现象，确保了系统的精确性，提高了扭矩测量的精度，提高了回转机械的故障诊断和在线监测能力。

参考文献：

[1]资新运，耿帅，赵姝帆，王迎，秦万军.数字工业摄像技术用于转轴动态扭矩测量原理的研究[J].中国激光，2015（02）：238-244.

[2]李志凤，赵登峰，马国鹭，曾国英.基于激光多普勒效应的轴系振动综合测量[J].激光杂志，2015（03）：107-110.

[3]谈微中，杨琨，张彦，廖嵩松.基于FPGA的轴系扭矩光电测量装置的研究[J].机械制造，2012（08）：69-72