一、导读

扭矩测量在机械制造、精密测试和工程装备中具有重要意义。传统接触式方法容易受到摩擦、磨损以及环境扰动影响，而已有的光学非接触式方案虽然具备高精度、抗振动等优势，但多停留在单截面测量层面，尚未完全满足“扭矩由两个截面相对扭转角定义”的要求。

针对这一问题，本文发表于《Sensors and Actuators: A. Physical》，题为《An optical contactless torque sensor using dual-section measurement and SST-HnWECM algorithm》。研究提出一种双截面、单光源、双光路的光学非接触扭矩传感方案，并结合 SST-HnWECM 信号处理算法，在保证抗振与非接触优势的同时，提升了弱信号条件下的频率估计精度，为微小扭矩测量提供了一种更完整、更实用的技术路线。

二、内容简介

本研究基于光学相干位移测量系统（Optical Coherence Displacement Measurement, OCDM）构建扭矩传感平台。作者在弹性轴表面加工了 50 个激光刻蚀尺度，每个尺度对应 0.72° 的圆周角，通过测量两个截面相对扭转引起的尺度位置变化，将原本只能得到线性位移信息的 OCDM 系统映射到扭转角与扭矩计算中，从而建立了符合机械定义的双截面扭矩测量模型。

图1 双光路单光源 OCDM 扭矩测量原理示意图

在系统结构上，论文采用 2×4 光纤耦合器实现双光路、单光源同步测量，避免了双光源方案带来的时序不同步和系统成本上升问题。为防止两路信号在同一光谱采集链路中产生串扰，研究引入频分复用（FDM）思想，并将两路光程差设置为约 10 mm，以建立足够的“隔离带”，确保两组频率成分在频域上稳定分离。

在信号处理方面，作者提出 SST-HnWECM 算法。其核心思路是先通过 STFT-SST 对时频能量进行重排和压缩，强化瞬时频率脊线，再利用 Hanning 窗能量质心法对频率进行校正，从而在弱信号、低信噪比和频谱泄漏条件下提升主频提取精度。论文的理论推导表明，随着 PSNR 提升，系统轴向分辨率也会同步改善。实验中，SST 重建后强信号峰值最少提升约 30%，弱信号提升可达 48.6%，对于弱信号场景，系统最终分辨率至少提升 1.48 倍。

图2 双截面 OCDM 测量系统示意与实物图

实验平台由 OCDM 光学模块、伺服驱动系统和机械测试系统组成。伺服系统最小单次扭矩输入可达 0.00017 Nm，能够为微小扭矩实验提供较高精度的加载与反馈。实验过程中，系统同步监测加载端与固定端两个截面的尺度响应，并通过两端角位移差得到相对扭转角。结果显示，在加载与卸载过程中，加载端尺度变化明显，而固定端尺度变化接近于零，这说明双截面差分测量能够有效反映真实扭转行为。

图3 双截面加载/卸载过程中的尺度响应监测结果

在性能评估方面，论文围绕非线性误差和重复性误差进行了系统测试，共完成 60 组实验。结果表明，该传感器最大非线性误差为 0.05%，出现在 10 Nm 加载工况下；最大重复性误差为 1.30%，出现在 2 Nm 卸载工况下。作者进一步指出，这些误差主要来源于 PEEK 弹性轴自身的机械迟滞与蠕变，以及伺服电机最小输出步进带来的加载误差，而不是来自光学读出系统本身。

图4 非线性误差与重复性误差测试结果

三、本文亮点

1.系统利用FDM技术，在单光源下单次测量即可同步获取双截面的相对扭转角。

2.基于SST-HnWECM算法，利用能量重排机制补偿了硬件分光带来的光子能量折损。

3.通过提取深度台阶高差特征而非绝对距离，外加共模光纤路由设计，该系统不仅抗机械振动，还能抵消环境温漂。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.sna.2026.117609