光電反射式動態扭矩測試方法研究

馬維金，張 琳，黃彬城

（中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051）

光電反射式動態扭矩測試方法研究

馬維金，張 琳，黃彬城

（中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051）

針對等直徑轉軸動態扭矩測試方法計算模型和測量裝置復雜以及測試范圍受限等問題，提出了一種基于DASP的光電反射式動態扭矩測試方法。建立由光電反射式傳感器和DASP系統等組成的動態扭矩測試系統，利用傳感器光電脈沖信號的時差和相對轉角，來實現動態扭矩測量。實測結果表明，通過調整傳感器的位置，就可以實時、精確地實現扭矩的非接觸式測量。這種測試方法為轉軸的扭矩測試提供了一種新的技術途徑。

振動與波；DASP；光電傳感器；動態扭矩

在機械傳動系統中，扭矩是反映系統性能的最典型機械參數之一，是旋轉機械動力輸出的重要指標。對于傳動軸而言，準確實時地測量傳動軸扭矩，可及時發現傳動軸存在的故障[3—5]。扭矩測試的方法多種多樣，有電阻應變式扭矩測試方法，磁彈形測試方法、激光式扭矩傳感器測試方法等。其中電阻應變式需要無線傳輸數據，存在溫度穩定性差、可靠性差以及測量精度低等問題；磁彈形測試主要用來測量一些粗短軸的扭矩，測量類型受限。激光式扭矩傳感器存在其裝置成本高，調試困難，數學計算模型復雜、等問題[1，2]。

針對上述幾種扭矩測試方法存在的不足，提出了一種等直徑轉軸的光電反射式動態扭矩測試方法，解決了以往等直徑轉軸的動態扭矩測試方法的缺陷。此方法可應用于各種大型傳動軸，尤其是對于高速連軋機等大型設備的傳動軸。

1 光電反射式動態扭矩測試原理

1.1 光電反射式動態扭矩測試系統建立

搭建了光電反射式動態扭矩測試系統，主要有高性能數據測試分析儀、反射式光電傳感器、等距刻度線，被測轉軸等儀器設備，測試系統組成如圖1所示。

圖1 測試裝置結構示意圖

第一、二反射式光電傳感器都采用E3Z-R61型反射式光電傳感器。動態信號智能測試分析系統采用DASPV10型動態信號智能測試分析系統。

第一反射式光電傳感器光源發出的光線位于被測轉軸的振動節點截面，是指轉軸上不產生扭轉形變處的截面。第二反射式光電傳感器光源發出的光線位于距被測轉軸的振動節點截面L處的檢測截面（檢測截面為任意截面，通常選擇被測轉軸的相對扭轉角位移最大處截面，以提高精確度）。

1.2 光電反射式傳感器與DASP系統

E3Z-R61型反射式光電傳感器包括自帶的一個光源和一個光接收裝置。工作時光源發出的光經過待測物體的反射被光敏元件接收（被檢測的轉軸表面必須有黑白相間的部位用于吸收和反射紅外光），再經過相關電路的處理得到所需要的信息。反射式光電傳感器與被測轉軸之間的距離根據反射式光電傳感器的有效測量距離確定。

DASP（Data Acquisition&Signal Processing）測試系統是針對振動、噪聲試驗與工程的集成測試處理系統，它是一個集數據采集、數據顯示、示波、數據測試分析、信號處理、振動分析、模態分析、結構動力修改、故障診斷等多項功能為一體的組合系統庫，具有高度集成性、多功能性、操作便捷性和測量精度高等特點．該測試系統主要由信號接收器、數據線、采集前端、DASP分析軟件以及微機等組成，測試系統的連接情況如圖2所示。

圖2 DASP測試系統流程圖

DASP的每通道信號采樣頻率fs=102.4 kHz，被測轉軸的轉速應低于4 500 r/min，這樣能夠保證捕捉到傳動軸上每一根刻度線的光電反射脈沖信號。

1.3 光電反射式動態扭矩測試方法

當被測轉軸在靜、動態扭矩的作用下，被測轉軸的振動節點截面和檢測截面之間會產生動態相對轉角θ，從而使動態信號智能測試分析系統檢測到第一、二反射式光電傳感器從同一條檢測刻度線上反射得到的光電脈沖信號之間產生的時差τ，對不同時刻連續檢測可得到動態時差序列信號τ(t)。

等直徑轉軸的光電反射式動態扭矩測試方法包括如下步驟：

（1）理論計算出被測轉軸的第i階固有頻率fi的估算值，選取轉動頻率fz值為大于等于第1階固有頻率的估算值且小于等于50 Hz，則被測轉軸的轉動周期為

（2）根據被測轉軸在第i階固有頻率值下振型的不同，調整被測轉軸上振動節點截面的位置以及檢測截面距振動節點截面的距離L；

根據采樣定理和實際工程需要選取電傳感器的光電脈沖信號的采樣頻率 fci為第i階固有頻率的估算值的4～5倍以上[6]；

根據公式

其中（i=1，2…，n）下面取值與此處相同。計算得到被測轉軸上檢測刻度線的數量mi，相鄰檢測刻度線之間的間距相等；

（3）連續檢測后在時間段Ts內得到k個樣本點構成動態時差序列信號將進行高頻濾波從而去掉第i階以上扭轉振動頻率的成分。從動態時差序列信號上算出靜態分量

其中（j=1，2，3，…，k）

有兩種方法計算出τ(t)的第1～i階動態分量的幅值τi

第一種方法：用Matlab軟件中的curve fitting tool box工具對動態時差序列信號τ(t)去掉靜態分量后進行動態時差序列信號函數為

第二種方法：用Matlab軟件中的signal processing tool box工具將動態時差序列信號τ(t)去掉靜態分量后進行傅里葉變換從而得到τ(t)的頻譜曲線圖，頻譜曲線圖中峰值的橫坐標對應的頻率依次為被測轉軸的第1～i階固有頻率的準確測量值而相應縱坐標為第1～i階動態分量的幅值τi。

將τ(t)代入公式

1.4 光電反射式動態扭矩測試的校核

首先采用如下裝置進行校核：如圖3所示，工作時，伺服電機為待測轉軸提供動力源，動態信號智能測試分析系統經功率放大器將負載轉矩控制信號傳輸給磁粉制動器，為待測轉軸提供負載轉矩，從而實現對待測轉軸的制動控制。當待測轉軸產生扭矩時，兩個反射式光電傳感器均將測得的光電脈沖信號傳輸給動態信號智能測試系統，并將通過計算得到測試扭矩。同時，動態信號智能測試分析系統采集插入式扭矩傳感器輸出的標定扭矩，比較測試扭矩和標定扭矩，分別計算動態扭矩幅值和特征頻率的偏差。

圖3 校核裝置結構示意圖

(1)若無偏差，則直接使用；

(2)若是系統偏差，也叫規律偏差，即在一定的測量條件下誤差值的大小和符號（正值或負值）保持不變，可以通過修正計算方法來消除偏差，或加、減相應的偏差值；

(3)若是隨機誤差，通過動態信號智能測試分析系統改變經功率放大器傳輸到磁粉制動器的負載轉矩控制信號，從而改變施加在待測轉軸上的負載。同時光電編碼器將測得的轉速反饋給動態信號智能測試分析系統，動態信號智能測試分析系統通過伺服驅動器實現對伺服電機的速度控制。

通過多次模擬加載工況，得到不同工況下的扭矩，進而得到測試信號和標準信號的參數曲線，通過對比兩曲線之間的差值，運用數值分析差值逼近方法，擬合出一條差值曲線，進而根據差值曲線來相應修正計算方法，修正偏差，從而完成結果標定[7—9]。

2 模擬測試實驗

構建如圖4所示的傳動系統：選取直徑為0.1 m、長度為5 m的被測轉軸，其左端與直徑為0.4 m、長度為1 m的軋鋼輥固定，右端與直徑為0.4 m、長度為1 m的電機轉子固定（測試被測轉軸的前3階動態扭矩）。按圖1所示，安裝光電反射式傳感器與動態信號智能測試分析系統。

圖4 傳動系統的結構示意圖

2.1 固有頻率計算

查手冊得到鋼材料的計算參數如下：鋼的材料密度ρ為7 850 kg/m3；楊氏模量E為205×109Pa；泊松比ν為0.28。在有限元分析軟件Comsol Multiphysics 4.2 a上構建如圖5所示的傳動系統簡化結構的三維分析模型。通過分析后得出如下表1所示被測轉軸的前3階固有頻率及振型說明。

圖5 傳動系統簡化結構的三維分析模型

表1 被測轉軸的前3階固有頻率及振型

選擇被測轉軸的轉動頻率fz為大于等于第1階固有頻率的估算值且小于等于50 Hz，取fz=50 Hz；Tz=1/fz=0.02 s則為被測轉軸轉一圈所用時間，即被測轉軸的轉動速度為3 000 r/min。

2.2 數據采集

調整兩個光電反射式傳感器的位置，使第一光電反射式傳感器和第二光電反射式傳感器的光源發出的光線分別位于被測轉軸中心的振動節點截面上和距被測轉軸中心的振動節點截面L1=2 m、L2=2.5 m、L3=1.25 m（此處為轉軸的扭轉角位移最大處）的檢測截面上。

根據采樣定理選取動態時差序列信號τ(t)的 采 樣 頻 率fc1=100 Hz、fc2≈2 000 Hz、fc3≈4 000 Hz。根據公式（2）可計算出被測轉軸上檢測刻度線的數量m1=2、m2=40、m3=80。

分別連續檢測后在時間段0.4 s、0.1 s、0.1 s內得到k=40、k=200、k=400個樣本點構成動態時差序列信號

2.3 數據分析

用Matlab軟件中的curve fitting tool box工具對動態時差序列信號τ1(t)去掉靜態分量后進行動態時差序列信號函數為τ(t)=τ0+τ1sin(2 πf1t)的曲線擬合從而得到τ1(t)的1階正弦變化曲線圖（如圖6所示）、以及第1階動態分量的幅值τ1=13.5×10-6和固有頻率f1≈20Hz。

圖6 被測轉軸在靜、第1階扭轉振動下τ(t)的曲線圖

用同樣的方法對動態時差序列信號τ2(t)去掉靜態分量后進行動態時差序列信號函數為τ1sin(2πf1t)+τ2sin(2πf2t)=τ(t)-τ0的曲線擬合從而得到τ2(t)的2階正弦變化曲線圖（如圖7所示）、以及第1階動態分量的幅值τ1=13.5×10-6和固有頻率f1≈20Hz、第2階動態分量的幅值τ2=10.4×10-6和固有頻率f2=318.3 Hz；

圖7 被測轉軸在靜、第1～2階扭轉振動下τ(t)的曲線圖

用Matlab軟件中的signal processing tool box工具將動態時差序列信號去掉靜態分量后進行傅里葉變換從而得到的頻譜曲線圖（如圖8所示），頻譜曲線圖中峰值的橫坐標對應的頻率依次為被測轉軸的第1階固有頻率f1≈20Hz、第2階固有頻率f2=318.3Hz、第3階固有頻率f3≈952.7Hz而相應縱坐標為第1階動態分量的幅值τ1=13.5×10-6、第2階動態分量的幅值τ2=10.4×10-6、第3階動態分量的幅值τ3=10.4×10-6。

圖8 被測轉軸在靜、第1～3階扭轉振動下τ(t)的頻譜曲線圖

將上述計算中得到的靜態分量τ0、第i階動態分量的幅值τi（i=1，2，3，…，n）代入式（4）中求得τ(t)；再將τ(t)代入公式（5）中計算得到動態相對轉角θ(t)；再將θ(t)代入公式（7）中計算得到被測轉軸的動態扭矩。計算結果分別為：

第1階扭轉振動的扭矩

其曲線圖如圖9所示。

圖9 被測轉軸只測試第1階動態扭矩的曲線圖

前2階動態扭矩

其曲線圖如圖10所示。

圖10 被測轉軸只測試前2階動態扭矩的曲線圖

前3階動態扭矩

其曲線圖如圖11所示

圖11 被測轉軸只測試前3階動態扭矩的曲線圖

3 結語

本文所述的測試方法為非接觸測量，提高了可靠性和可操作性，測量精度等級可達到±1%，頻率誤差小于0.1%，幅值誤差小于0.1%，精度較高。使用的測試裝置結構簡單、工作效率高，成本低。測得的數據計算時數學模型構造簡單，容易計算，誤差小。解決了現有等直徑轉軸的扭矩測試方法存在的問題?？蓮V泛適用于所有傳動設備上等直徑轉軸的動態扭矩測試，尤其是大型傳動軸上,有廣闊的應用前景。

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Dynamic Torque Test Method Based on Photoelectric Reflex

MA Wei-jin,ZHANG Lin，HUANG Bin-cheng
(College of Mechanical Engineering andAutomation,North University of China, Taiyuan 030051,China)

Aiming at the problems of complex computation model,complex measurement equipment and test range limitation in dynamic torque testing of uniform-diameter rotating shafts,a dynamic torque testing method based on DASP and photoelectric reflex sensors was proposed.A dynamic torque testing system including photoelectric reflex sensors and dynamic data information collection equipment was established.Using the time difference of photoelectric sensor’s pulse signal and the relative angle,the dynamic torques could be measured.Experimental results show that real-time and accurate non-contact measurement of the dynamic torques can be realized through adjusting the sensor’s positions.This technology has provided a new method to test the dynamic torques of rotating shafts.This method is applicable to all kinds of large shaft dynamic torque measurements.

vibration and wave;DASP;photoelectric sensors;dynamic torque

TB53；TH82；TH12

A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.007

1006-1355(2015)01-0033-05

2014－06－04

國家自然科學基金（51375327）；山西省自然科學基金（2013011025-1）；高等學校博士學科點專項科研基金（20131420120002）

馬維金（1957－），男，山西應縣人，教授，碩士生導師，研究方向動態測試、信號分析、機電系統故障診斷與振動控制研究。

張琳，山西省太原市人，機械與動力工程學院科研科。E-mail:376428226@qq.com