一、导读

扭矩测量在各行各业都发挥着重要作用，如人工智能领域、机械制造领域以及航空航天领域。光学非接触式扭矩传感器作为一种非接触式扭矩传感器，具有极高的测量性能，如高分辨率、高响应时间、高精确度等等，这些基于其物理原理的卓越性能使其应用场景更为广泛。但在目前已发表的论文中，缺少相应论文围绕光学非接触式扭矩传感器展开深度讨论和综述，从而使这类性能优异的扭矩传感器被大家知之甚少。

2023年9月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在《Optics and Lasers in Engineering》上发表了题为“Contactless torque sensors based on optical methods: A review”的综述文章。论文聚焦于光学非接触式扭矩传感器的讨论，重点讨论了基于多普勒效应的扭矩传感器、基于激光散斑原理的扭矩传感器和基于光学相干位移测量原理的扭矩传感器，对其优缺点进行了论证和说明并提出展望；同时，论文还对光学非接触式扭矩传感器的信号处理方法进行了深度讨论，聚焦于时频域的信号分析，为精确获取光学非接触式扭矩传感器的光学信号提供了建设性的研究方向。文章第一作者为实验室主任钟舜聪教授，第二作者为21级硕士陈林楠，通讯作者为本实验室梁伟副教授。

二、内容简介

2.1 三种光学非接触式扭矩传感器

本研究综述了目前所有的光学非接触式扭矩传感器，根据其不同的测量原理，光学非接触式扭矩传感器分为三种类型，即基于光学相干测振（OCV）原理的光学扭矩传感器、基于激光散斑原理的光学扭矩传感器和基于激光多普勒原理的光学扭矩传感器，如图1-图3所示。

图1. 基于OCV技术的非接触式扭矩传感系统：1-扫频光源; 2-光纤耦合器Ⅰ; 3- 光纤耦合器Ⅱ; 4- 光纤耦合器Ⅲ; 5-探测臂Ⅰ; 6- 参考镜Ⅰ; 7- 参考臂Ⅰ; 8- 参考臂Ⅱ; 9- 参考镜Ⅱ; 10-探测臂Ⅱ; 11-被测轴; 12-轴上被测点; 13-光电探测器; 14-数据采集卡; 15-计算机。

图2. 基于激光散斑原理的双激光扭矩测量。

根据图2，当电动机1驱动被测轴3旋转时，由双激光发生器8发出的由分束器7分开的两束探测光携带散斑信号，经反射带2反射后被光学传感器6-A和6-B采集。信号预处理模块9将反馈信号处理后送入包含转换、信号分析、相位比较等软件的微机系统10。其中11为挡板，12为转速计，4为发电机，5为吸能器。

图3. 基于多普勒原理的非接触式扭矩传感器。

根据图3，一束激光首先被分成两束入射光M和N，目的是计算通过这两束入射光在轴的两个平行截面上的扭转角差值。在第1截面上，入射光M再次被分成两束光。一束光通过测量A点的多普勒频率∆f_D来测量A点的速度，另一束光测量B点的速度，最终得到角速度ω。

2.2 三种光学非接触式扭矩传感器的优缺点对比及其应用场景与展望

论文综述了迄今为止全部的光学非接触式扭矩传感器，深入地探讨了他们各自的优缺点，并与接触式扭矩传感器进行了对比，从经济性、环境适应性、互换性等方面多维度地评价了光学非接触式扭矩传感器的优异性能及其待解决问题，为后续非接触式扭矩传感器的研究提供了概述性的研究背景和建设性的方向指引。

原文链接：DOI:https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2023.107832