一种利用激光多普勒技术测量扭矩的原理研究

　　1　引言

　　在转动运行中,由于动力大、能量传递密集、载荷变化等,常出现运行不稳、准确性差、甚至零件断裂等故障,严重影响了设备运行,威胁生产和人身安全。为此,对转动系统动力传递过程进行动态监测与控制就成为消除事故、确保安全、高效可靠运行的前提条件和重要手段。另外,为自动化必需掌握转动系统动力传递过程,以便对它进行优化、识别、检测、传输、变换和控制,从而实现智能化良性运行。扭矩测量基本原理分传递法(又称扭轴法)、平衡力法和能量法[1]。平衡力法只适于匀速和静态,而能量法需间接测量的因素太多,误差大,这两种方法都不适于动态测量。目前国内外研究的重点是传递法。传递法测量扭矩是测量转轴在传递扭矩时所产生的物理参数的变化,它们一般是转轴的变形、应变和应力,本质上可归结为变形。

　　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、弦振[1]等方式感受转轴的变形来测量扭矩,也有用双截面齿环、光纤光栅、光敏材料、激光散斑等[2~5]电感和光学方法感受两个截面的相位差(也就是轴的扭转角)来测量扭矩。国内研究的原理和方法与国外基本同步[1],许多院校和研究机构都在研究和进行产品开发[2~4]。关于采用光学方法测量扭矩文献[2~5]作了报道。文献[6~10]报道了用激光测量扭振和转角。文章提出了一种新的转轴扭矩测量法,即采用激光多普勒效应测量转轴扭矩,此法尚未见文献报道。

　　2　基本原理

　　由文献[6~10]可知,利用激光多普勒原理测量转速,不受转轴横振的影响,这对一般动力传动轴测量带来了方便。文章在上述论文单截面测量转轴转速和转速波动的基础上,采用双截面(甚至多截面)测量转速,求两截面的转速差并积分得到转轴在扭矩作用下的扭转角,进而计算得到转轴扭矩。测量系统的光路结构如图1所示[9],图中由同一个激光器发出的激光通过分光镜分成两束相同的光供给两个截面,截面间距为a,每一截面的光又分成了两束平行的激光投射到被测转轴表面,平行光束的间距为d,转轴表面的散射光沿原路返回通过折射镜后到达光电检测器上,与参考光束叠加形成多普勒差拍频率并被检测。

　　这里先给出每一截面的角速度计算公式。当运动物体被激光照射时,空间任意点的散射场是由许多来自轴表面不同微观区所产生的次级波的叠加。在宏观上形成散斑,研究光场的统计特性才有意义。文献[9]给出了图1所示转轴单截面的角速度检测和计算公式

式中:fDA-光电探测器A检测到的多普勒频移;fDB-光电探测器B检测到的多普勒频移;λ-激光器输出的线偏振光的波长;d-两平行照射光束的距离。