采用光电方式测量转轴扭矩的原理研究

　　1 引 言

　　扭矩测量的基本原理和方法有平衡力法、 能量转换法和传递法。 平衡力法是利用平衡扭矩去平衡被测扭矩， 从而求得扭矩的方法; 能量转换法是按能量守恒定律来测量扭矩的一种方法， 通过测量其他与扭矩有关的能量系数来确定被测扭矩的大小;传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化 (变形、 应力或应变) 来测量扭矩的方法。 平衡力法只适用于匀速和静态的情况; 能量法在间接测量上的因素太多， 而且误差大。 这两种方法都不适合动态测量。

　　目前有一种电容式扭矩传感器， 采用了传递法的测量方式， 可以进行动态测量。 它由弹性元件、开有齿槽的盘、 磁环、 步进电机等组成。 工作的时候， 齿盘与弹性元件同步旋转， 齿盘切割磁力线产生电磁感应信号， 修正后输出矩形正弦波。 传递扭矩时， 由于扭矩引起弹性元件变形， 两盘波形相位产生新的相位差， 该相位差即对应一定的扭矩值。虽然这种传感器采用了传递法的扭矩测量方式， 能够进行动态测量， 但由于磁电元件本身的特点， 当工作环境的温度发生变化， 或受到外磁场干扰， 或受到机械冲击、 震动时， 传感器会受其影响， 灵敏度将发生变化而产生测量误差。 此外， 采用开有齿槽的盘， 间隙过大， 测量精度不够高。

　　针对这些不足， 又考虑到光学测量具有以下优点： 不介入、 非接触、 抗电磁干扰、 受温度等环境因素干扰小、 信号易于处理、 一般能达到较高测量精度， 因此对采用光电方式测量转轴扭矩的原理进行了研究。

　　2 光电方式测扭矩的基本测量原理

　　转轴在两横截面内分别受到大小相等、 转向相反的外力偶作用。 在这对外力偶作用下， 轴的纵向直线变成了螺旋线， 轴上任意两截面都发生了绕轴的相对转动。 这种变形称为轴的扭转变形。 转轴扭转变形时， 圆轴各横截面相对转动， 这种绕圆轴作相对转动的角位移， 称为扭转角,用 θ 表示， 如图1 所示.

　　可见当转轴的形状、 尺寸及材料一定后， 测出转轴上相对距离为 L 的两个横截面的相对扭转角 θ，即可通过公式 (1) 求出转轴的扭矩值。

　　在采用光电方式进行扭矩的具体测量时， 首先选取半径为 r 的一个转轴， 而后在转轴上选取相距为 L 的两个截面 A、 B， 在这两个截面处刻制分布均匀的条纹， 如图 2 所示。

　　A、 B 这两个截面在扭矩 M 作用下将产生扭转变形。 由于扭转变形， 截面 A、 B 相对位置会发生变化， 即 B 相对 A 转过一个角度， 这个角度为相对扭转角， 扭转角可通过扭动转过的弧长计算出来。