基于相位差测试的旋转状态扭矩校准

　　相位差测试可采用磁电式和光电式等方法。目前采用磁电式测相位差的方法较普遍，但是，在某些情况下，受环境条件所限，只能采取其它方法。本文介绍一种基于光纤传感器测相位差的方法，来进行旋转状态扭矩校准。

　　1 基本原理

　　在轴上相距L 的距离上设有若干道黑白相间的色标，当被测轴受主机输出扭矩驱动后，在被测长度L 上产生相对角位移θ，由两个光纤激光探头检测出相对角位移量，该相位差Δθ与被测扭矩成正比，如图1 所示。假如采用多组激光探头，可以降低由于被测轴的椭圆度、同轴度、径向跳动和几何尺寸等偏差对测量所产生的误差。

　　A、B 为两个光纤传感器，当轴以一定的扭矩负荷旋转时，A、B 两个光纤传感器输出为具有一定相位差的脉冲信号，只要检测出刻在被测轴上的色标的相对偏移量，既相位差Δθ，就可以间接地测量出被测轴上承受的扭矩，相位差检测的基本原理如图2 所示。

　　数字光纤传感器 A、B 发出激光照在被测轴上。由于采用套筒结构，巧妙的消除了安装零位，即没有扭矩作用在被测轴上时，A 和 B 之间没有相位差，当主机输出扭矩后，被测轴发生变形，原来在一条直线上，相距L 的两根色标随之产生偏移量ε，由于光纤传感器各自对应的反射面(色标)存在偏移，所以输出波形A 和B 就产生了相位差Δθ。

　　对A和B进行逻辑运算，则：

　　波形C就是A和B之间的相位差。波形D是基准晶振波形，假设频率为100MHz，则：

　　单个脉冲周期是40ns。对C和D进行逻辑与，得到波形E：

　　假设：

　　由于波形B单个脉冲对应的角度θ₀是固定的，它仅仅与被测轴上的色标根数有关，那么，单位时间内，通过对E、F的脉冲计数得到C_E和C_F，就可以计算得到相位差Δθ：

　　从而得到被测扭矩：

　　其中，k是实验室标定的系数。

　　2 系统组成

　　测试系统硬件组成如表1 所示。

　　3 系统设计

　　3.1 系统功能原理设计

　　针对测量系统及其误差来源，设计时从测量硬件构成和软件数据处理两个方面采取措施来提高测量精度。采用 FPGA 为核心进行脉宽测量与数据存贮和传输。

　　对A、B 信号在前端设计高速精密整形电路，使传感器输出波形边沿更加陡峭，提高测量精度;采用等精度测量技术，通过设计合适的逻辑电路，保证对任何频率的脉冲信号都可以整周期记数，对于由控制信号脉宽变化以及随机的出现时间造成的误差最多为标准频率信号的一个时钟周期，如果标准频率信号由精确稳定的晶体振荡器(100MHz)发出，那么，检测电路任何时刻的绝对测量误差只有10ns。同时为了提高测量精度，可一次测量多个周期计算;存储、发送转速和扭矩两个数据，每个数据占四个字节。