基于光学中断器的旋转轴非接触式扭矩测量技术研究

针对传统扭矩测量需接触式应变片（strain gauge）及信号传输噪声问题，研究人员开发了一种基于光学中断器（optical interrupter）的非接触式扭矩与转速同步测量技术。通过柔性轴设计（0.2-25 Nm量程）与高精度电压采样，实现了无刷环干扰的精准测量，为动力传动系统监测提供了低成本、高可靠性的解决方案。

　　

在动力传动系统监测领域，转速和扭矩的精准测量是评估机械效率与健康状态的核心指标。传统应变片（strain gauge）虽广泛用于扭矩测量，但依赖电刷滑环（slip ring）传输旋转轴信号，易引入噪声与机械磨损；而无线方案又受限于采样率与供电复杂度。针对这些痛点，研究人员探索了一种基于光学中断器（optical interrupter）的创新方案，通过测量柔性轴两端的相对偏转角（θ₁
-θ₂
），实现非接触式同步测量。

研究团队设计了一种可测25 Nm扭矩的柔性轴，配合开槽中断盘（slotted disk）与光学传感器，将轴偏转转化为方波信号相位差。实验表明，该系统在0.2-25 Nm范围内误差低于20%，且无需高频采样（传统方法需MHz级）。校准环节采用HBM T22商用传感器对标，验证了其线性响应特性。技术优势在于利用光学中断器的二进制信号特性，避免了正弦波峰值检测的噪声干扰问题，同时规避了斑马条纹（zebra stripe）反射误差。

方法学要点

1. 柔性轴设计：通过计算刚度匹配目标量程；
2. 双光学中断器布局：测量轴两端相位差；
3. 高精度电压采样：捕捉方波跳变时刻；
4. 动态校准：对比商用扭矩传感器（HBM T22）建立标定曲线。

结果与讨论

• 精度验证：在5 Nm以上负载时误差趋近于零，但低于0.2 Nm时因噪声敏感性误差骤增；
• 速度适应性：采样率与转速需动态匹配以保持相位分辨率；
• 工程适用性：成功集成至自行车传动测试台架，验证了实际工况下的可靠性。

结论
该研究为中小扭矩测量提供了一种低成本、易集成的光学方案，尤其适合需要规避电噪声的精密传动系统。未来可通过优化柔性轴材料与传感器布局，进一步拓展量程与动态响应性能。论文发表于《Next Research》，作者Christiaan Loedolff与Gerhard Venter的成果为动力总成监测技术开辟了新路径。