基于激光多普勒技术的扭矩测量研究

　　1　引　言

　　在能量的传递过程中,扭矩的变化会严重影响产品的质量,甚至会损坏机器设备,尤其在一些能量传递密集、载荷变化场合。因此通过对扭矩的测量,为扭矩的控制提供依据,对提高产品的质量和生产力、保证生产安全可靠进行具有重要的意义。

　　扭矩测量基本原理分为传递法(又称扭轴法)、平衡力法和能量法。平衡力法只适合于匀速和静态场合,而能量法需要间接测量的因素太多,误差大。这两种方法都不适合进行动态测量。目前国际上采用在转轴表面粘贴应变片、涂敷磁致伸缩材料、放置压电晶体和振弦等方法,通过测量转轴变形来测量扭矩;还有采用双截面齿环、光纤光栅、光敏材料和激光散斑等电感或光学方法,通过测量两个截面的相位差来测量扭矩[1~4]。

　　本研究工作是在文献[5~9]取得成果的基础上对文献[9]中描述的扭矩测量方法的改进。基于多普勒技术和光学外差的原理,由高相干激光器发出激光投射到转轴2个平行截面4个点上,根据多普勒效应测量两个截面的相对速度,经过积分得到两截面相对转角,最终实现扭矩的测量。本系统中只用1个光探测器和1套解调电路,直接测量得到承载转轴2个截面相对速度的差频信号。与先前系统相比,本系统避免了两套或多套解调电路延迟时间不同带来的误差,提高了扭矩测量精度,对转轴运行状态的监测和故障诊断具有重要的意义。

　　2　系统原理

　　测量系统光路部分如图1所示.

　　本系统采用双截面测量,两个截面光路配置相同。高相干光源发出的激光被分束镜BS3分为两束,分别作为两个截面入射光束。入射光束分别经过分束镜BS1和BS2各分为两束光分别投射在转轴两个截面A和B上的两点,A截面上的为A1、A2,B截面上的为B1、B2。A截面上两点的反射光束被反射镜M2反射后,投射在分束镜BS4上。B截面上两点的反射光束被反射镜M4、M6和分束镜BS4反射后,和来自A截面的反射光束在光探测器的光敏面上进行光学混频,得到差频信号。设VA1(t)、VA2(t)、VB1(t)和VB2(t)分别是两截面A1、A2、B1、B2四点在t时刻的切向速度矢量,V(t)是系统中除扭振外横振速度之和,则A1点总速度为VA1(t)+V(t),其它依此类推;ωA(t)和ωB(t)是t时刻转轴两个截面的角速度。根据多普勒效应,A1、A2反射光束的多普勒频移fDA1和fDA2分别为

式中:λ为激光波长,Ki为光线矢量,这里假定投射在同一截面上的两光束平行,且距离为d;两频移信号光学混频后的差频信号频率fDA12为

　　上式表明,只需对检测量进行积分便可以得到相对转角,简化了测量电路。由弹性转轴的静力学几何关系有：