使用斑马胶带和激光转速传感器对旋转轴进行扭矩测量

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Update time : 2025-08-20

使用斑马胶带的光学传感对旋转轴进行非侵入式扭矩测量

非侵入式、可靠和精确的扭矩测量对于旋转机械系统的动态性能监测、控制和状态监测至关重要。本文提出了一种新颖的非接触式扭矩测量系统，该系统由两个安装在轴上的斑马线和两个安装在固定刚性支架上的光学传感器组成。与传统的扭矩测量方法不同，所提出的系统不需要昂贵的嵌入式传感器或轴安装的电子设备。此外，其非侵入式特性、适应性设计、安装简单、成本低，使其适用于各种先进的工程应用。扭矩测量是通过分析斑马线脉冲序列时移来估计轴扭转角来实现的。

扭矩是旋转机械系统的基本作参数。扭矩测量的一些***常见的工业应用包括传统和新兴发电、电机测试、机械臂、船舶和汽车行业。基于高精度和可靠的扭矩测量的功率和效率优化，除了可以显着节省能源外，还符合国际法规稳步增长的要求，特别是对于具有高标称扭矩的大型机械驱动器，例如船用发动机。尽管扭矩测量和控制对于动态性能监测、用于机械系统预测性维护和控制的状态监测至关重要，但很难以经济高效且非侵入性的方式获得可靠的测量。

本文提出了一种新颖且简单的非接触式扭矩和速度测量系统，该系统由两个斑马线代码直接粘在轴上，两个光学传感器安装在非旋转支架上。该技术完全非接触式运行，允许在标准装置的整个使用寿命内测量扭矩，避免使用永久安装的在线侵入式扭矩计，只需将两条斑马线带尽可能远地放置在现有轴上即可。在旋转轴上使用光学传感器和斑马线带并不新鲜;然而，文献仅报道了扭转振动测量的应用，而本研究则建议将其用于扭矩测量。本文介绍了所提出的非侵入式扭矩测量系统的工作原理及其实验实施和验证。然后提出了两种不同的方法来处理光学探针（OP）脉冲序列信号并估计轴扭曲，从而估计施加的扭矩。在静止条件下校准系统后，通过将两种所提出的信号处理方法的结果与安装在测试台轴上的在线扭矩传感器的参考测量值进行比较，证明了其在静态和时变扭矩条件下的响应和性能。

斑马线胶带具有相同数量的等距黑白条纹，并粘在轴周围。当轴旋转时，安装在非旋转组件上的每个光学传感器都会产生与斑马线条纹反射的光强度成正比的脉冲序列信号。当向轴施加扭矩 T 时，轴段端部的相对旋转，，导致两个脉冲序列信号之间的时移 Δt。所提出方法的原理是通过测量两个脉冲信号之间的相位差来量化轴的相对扭转角，从而从已知的扭矩-扭曲关系中推导出施加的扭矩。这是根据以下程序实现的：

(1)估计两个 OP 测量的脉冲序列之间的时移 Δt （s）;

(2)脉冲序列周期的测量 τ （s）和轴转速的计算 n （rpm）：其中 ppr 是每轴转数的脉冲数;

(3)时移到绝对角移的转换，θ一个，根据[25]：

轴绝对扭转角，θ一个，可能与轴相对扭转角 θ 不同，这是由于两个 OP 和/或两个斑马线胶带之间的安装不对中。该误差表现为明显的角偏移 θ一个，0，在空载条件下;

(4)根据以下公式计算轴的相对扭转角θ：

(5)根据已知的校准曲线估计轴扭矩，即轴相对扭转角之间的关系以及给定轴和材料的扭矩 T。

这种方法的主要优点之一是，它允许通过仔细设计斑马胶带及其沿轴的距离来测量较宽的扭矩范围。这使得它适用于各种工程应用。

斑马反光贴纸设计

斑马反光胶带（ zebra reflection tape）的设计，特别是每转的脉冲数，对扭矩测量的精度有重大影响[26]。对于给定的轴和斑马线带设计，两个脉冲信号之间的***大可测量相位差由斑马线带周期的一半给出，即其每个黑白段长度的一半，对应于 180° 相移。事实上，任何大于斑马线胶带周期一半的扭曲都会与较低的扭曲混淆，就像周期性信号中经常发生的那样。

在设计斑马胶带时，***短斑马胶带周期 P分钟（m），可以计算为运行期间预期轴的***大扭转角的函数，θ麦克斯:

其中θ麦克斯，（rad）由下式给出：

其中 T麦克斯是运行过程中预期的***大扭矩（N m），L 是两个 OP 之间的距离（m），J 是轴极惯性矩（m4）和G是轴材料（Pa）的剪切弹性模量。对应斑马胶带***大允许每转脉冲数，ppr麦克斯，然后可以计算为：

其中 r （m）是轴半径，int 是整数部分函数。

在本工作中描述的实验测试台的情况下，给定轴的几何形状和运行期间可达到的***大扭矩（16 N m），方程（7）提供了每转45的***大允许脉冲数。在此限制下，斑马线设计的选择是影响所提出的扭矩测量系统性能的关键因素。每转脉冲数越大，每转所需的样本就越大，即所提出的扭矩传感器的样本频率越大，但实现数据处理所需的计算成本就越大。为了这项工作的目的，测试台轴上装有两个条形码，具有 8 对相等的条纹对，条纹宽度为 5.5 毫米，恰好贴合轴周围。每转选择 8 个脉冲代表了不确定性和计算成本之间的权衡。选择斑马线设计，使产生的脉冲具有 50% 的占空比，这使得相移测量处理更容易。