基于光纤传感器的扭矩检测系统

李庆勇，胡 蔓

(山东大学青岛校区公共(创新)实验教学中心，山东青岛 266237)

0 引言

应变片、电容等扭矩测量方法难以精确检测动态的微小扭矩变化。而光纤作为一种光学检测方法，通过光纤传感器的波长、相位等特征可以识别扭矩变化，设计系统检测光纤信号并校正扭矩结果。

1 光纤扭矩检测原理

光纤传感器具有安装方便、抗干扰强、精度高等优点，被广泛应用[1]，利用拾光型光纤传感器采集传动轴的应力变形，具体检测方案见图1。动力端和负载端之间连接联轴器，为检测扭矩大小，在联轴器上粘贴45°和135°的光纤传感器[2]，传感器可以把被测应力变形转化电能信号，经过电路的一系列处理后求出扭矩数值。

图1 光纤扭矩检测示意

2 扭矩检测硬件设计

2.1 硬件总体设计方案

硬件部分的功能是采集扭矩计算的相关参数[3]，具体硬件构成如图2所示。调理电路由光电转换电路、差分放大电路和信号驱动电路等构成[4]，转速检测包括霍尔传感器和高速脉冲输入接口。传感器包括光纤传感器和霍尔传感器，两种传感器都安装在联轴器处，利用联轴器变形采集光纤信号，4个光纤传感器连接到调理电路，齿轮转动时霍尔传感器采集转速信号，用于校准扭矩数据。

2.2 转速检测电路

把负载轴承置于光源与光敏晶体管之间，当光线被设备遮住时，光线不能照射到光敏晶体管上，转速检测电路呈高阻状态，联轴器转过一定角度后，光线从间隙照射到VTL上，光敏晶体管导通呈低阻状态。当风叶不停地旋转时，每转一圈，光敏晶体管就间断地受到照射[5]，由于在电阻R381串联在放大器电路的负端，TL084运算放大器可以提供更广泛的设计选择，转速具体检测电路见图3。运算放大器是包含高压JFET和双极晶体管的集成电路[6]，低输入偏置电压和偏置电流，且补偿电压温度系数低，适合低电压场所的应用。

图2 扭矩检测系统硬件框图

图3 转速检测电路

2.3 光纤传感器调理电路

AD823是一款双通道的精密、16 MHz、JFET输入运算放大器，可采用3.0～36 V单电源或±1.5 V至±18 V双电源供电。它具有单电源供电能力，在单电源模式下输入电压范围可扩展至地电压以下[7]。OUT ≤100 μA时，输出电压摆幅可扩展至各供电轨道的50 mV以内，从而可提供出色的输出动态范围。这样的交流和直流性能组合以及出色的负载驱动能力使得该器件成为一款出色的多功能放大器[8]，适合ADC驱动器、高速有源滤波器和其它低压、高动态范围系统等应用。调理电路具体设计过程如图4所示。将分流电容并联连接到电源地，放大器电源旁路技术可抑制电源线路的无用宽带噪声，实现方法是在C349和C348旁路位置放置电阻，在AD823和AD620放大器电源位置放置分流电容。

图4 传感器调理电路

3 扭矩检测系统软件部分

扭矩检测系统以信号采集为基本功能，对采集数据分类保存，发送数据至MCU并依据采集信号计算出实时扭矩，根据扭矩检测结果校准检测系统。

3.1 信号采集模块

信号采集是检测系统的输入核心，稳定和高精度的采集结果有利于计算出准确的检测结果，传感器信号采集程序如图5所示。创建并保存系统采样参数、采样幅度等信息[9]，配置完采集系统后读取速度光纤传感器和转速检测的信号。解析光纤信号的相位、幅值变化信息并通过改变量来实现扭矩测量，根据转速等信息校准扭矩计算结果并保存。

图5 传感器信号采集

3.2 扭矩计算模块

无论是利用相位调制还是光强调制来检测扭矩，都需要转速检测过程来校准扭矩结果，具体扭矩计算模块如图6所示。系统上电后初始化信息采集、扭矩计算和信号配置等模块[10]，系统稳定后开始检测空载转速并标定零点，把系统空载扭转设定为标准曲线。利用负载和空载的信号差值计算扭矩，根据扭矩输出标志位判断计算是否完成[11]，扭矩计算完成后输出结果。

4 扭矩测试实验

扭矩测试实验包括系统可靠性测试和检测精度检测两部分，检测系统的可靠性测试包括光纤波长实验、转速检测实验，最后用扭矩检测结果分析系统精度。

4.1 光纤及转速实验

在联轴器输出端接入一个可调负载，在0～40 N之间每隔5 N采样一次光纤数据，解析光纤波长信号结果如图7所示，随着扭矩的增加光纤波长出现线性增长的趋势[12]，利用记录波长数据或者计算波长差可以实时计算出扭矩大小。

在空载状态下启动扭矩检测系统，在0～40 s内加速启动电机，利用霍尔传感器检测模块读出电机加速过程，结果如图8所示，采集脉冲数据后拟合出转速曲线，结果显示电机转速从0加速到60 r/min的过程中，转速计算后的信号会出现小幅度波动。

图7 光纤波长信号

图8 加速过程检测

4.2 扭矩检测实验

检测扭矩过程时，在检测系统中接入一个32 kg的恒扭矩负载设备，分时间段采集数据，结果见图9。在检测系统和传动设备稳定后分阶段读取扭矩结果，扭矩结果在315～320 Nm之间波动，即扭矩相对误差在1.6%以内。

图9 扭矩检测结果

5 结束语

为开发光纤传感器的扭矩检测系统，设计光纤传感器和转速的软硬件检测系统并计算扭矩检测结果。利用变扭矩和加速过程验证检测系统的信号采集模块，波长和转速识别精度分别为0.01 mm和1 r/min，最后恒扭矩检测实验解说说明扭矩相对误差在1.6%以内。