激光多普勒技術(shù)在扭矩測(cè)量中的應(yīng)用研究

程磊+王麗芳+黃星

摘 要：本文主要基于激光多普勒技術(shù)，對(duì)扭矩測(cè)量進(jìn)行研究，對(duì)該技術(shù)系統(tǒng)原理進(jìn)行了深入分析，提出了合理化的扭矩測(cè)量改進(jìn)方法，推導(dǎo)了出光路數(shù)學(xué)模型，確保了驗(yàn)證測(cè)量方法的合理性和可行性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要是通過(guò)高相干激光器來(lái)進(jìn)行激光投射，激光投射到平行界面的點(diǎn)上，通過(guò)對(duì)相對(duì)截面的速度進(jìn)行測(cè)量，能夠得到兩截面相對(duì)轉(zhuǎn)角，進(jìn)而完成扭矩測(cè)量工作。

關(guān)鍵詞：激光多普勒技術(shù)；扭矩測(cè)量；原理；計(jì)量學(xué)

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

0 前言

扭矩測(cè)量發(fā)生變化與能量的傳遞有直接關(guān)系，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，在一些載荷變化大和能量密集地區(qū)，機(jī)器設(shè)備會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的破損現(xiàn)象。因此，需要加大扭矩測(cè)量，確保各項(xiàng)生產(chǎn)工作的安全性和可靠性。本文基于激光多普勒技術(shù)，對(duì)兩個(gè)截面速度進(jìn)行測(cè)量，得到兩截面的相對(duì)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。

1 扭矩測(cè)量基本原理

目前，涂敷磁致伸縮材料、在轉(zhuǎn)軸表面粘貼應(yīng)變片放置壓電晶體和振弦等方法是國(guó)際上普遍采用的扭矩測(cè)量方法。我國(guó)在運(yùn)用該方法進(jìn)行扭矩測(cè)量時(shí)，主要是采用雙截面測(cè)量方式，需要確保兩個(gè)雙截面光路配置的相同性，將分束鏡BS3中分束的高相干光源分成兩束，兩束光會(huì)分別投射到轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)截面上，截面上反射的兩個(gè)點(diǎn)又會(huì)分別投射在分束鏡上[1]。需要將反射的光束在光探測(cè)器的光敏面上進(jìn)行光學(xué)混頻，最終得到差頻信號(hào)。基于激光多普勒技術(shù)，兩頻移信號(hào)光學(xué)混頻后的差頻信號(hào)表示為：

DA12（t）=°（t）°（×Z）°Ki=°（t）°（Ki×

×Z）=°d（t）°cos

通過(guò)以上公式，要想獲得相對(duì)轉(zhuǎn)角，需要對(duì)檢測(cè)量進(jìn)行積分，對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化測(cè)量處理，得出彈性轉(zhuǎn)軸的靜力學(xué)幾何關(guān)系為：

M表示彈性轉(zhuǎn)軸兩端施加的扭矩，G表示彈性轉(zhuǎn)軸的剪切彈性模量，IP表示彈性轉(zhuǎn)軸的截面慣矩。通過(guò)上式計(jì)算能夠得到轉(zhuǎn)軸截面兩端的扭矩，有利于更好的進(jìn)行光學(xué)測(cè)量[2]。轉(zhuǎn)軸扭矩的測(cè)量通常是在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行的，彈性用K=GIP/a表示，阻尼系數(shù)用C表示，動(dòng)態(tài)的扭矩和轉(zhuǎn)角關(guān)系用如下公式表示：

2 扭矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

扭矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)主要是在扭矩實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，欲確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的平穩(wěn)運(yùn)行，需將直流電機(jī)作為負(fù)載，轉(zhuǎn)軸在受到扭矩作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)圓盤(pán)發(fā)生嚴(yán)重的變形現(xiàn)象。通常標(biāo)準(zhǔn)的扭矩大小通常是由扭矩傳感器測(cè)量出來(lái)的，需將其作為基準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x器，為了確保數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確合理性，主要是通過(guò)數(shù)據(jù)比較分析的形式，來(lái)提高扭矩測(cè)量精度[3]。

3 結(jié)論

本文主要是基于激光多普勒技術(shù)對(duì)扭矩測(cè)量方法進(jìn)行分析，通過(guò)分析可知，該種測(cè)量方法具有非接觸測(cè)量、不受轉(zhuǎn)軸形狀影響和不改變轉(zhuǎn)軸運(yùn)行狀態(tài)等優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有效的避免了多套解調(diào)電路出現(xiàn)的扭矩測(cè)量系統(tǒng)誤差，延緩了電路的傳輸延時(shí)時(shí)間，避免了系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的誤差現(xiàn)象，確保了系統(tǒng)的精確性，提高了扭矩測(cè)量的精度，提高了回轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]資新運(yùn)，耿帥，趙姝帆，王迎，秦萬(wàn)軍.數(shù)字工業(yè)攝像技術(shù)用于轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量原理的研究[J].中國(guó)激光，2015（02）：238-244.

[2]李志鳳，趙登峰，馬國(guó)鷺，曾國(guó)英.基于激光多普勒效應(yīng)的軸系振動(dòng)綜合測(cè)量[J].激光雜志，2015（03）：107-110.

[3]談微中，楊琨，張彥，廖嵩松.基于FPGA的軸系扭矩光電測(cè)量裝置的研究[J].機(jī)械制造，2012（08）：69-72