基于嵌入式 FBG 传感器的 CFRP 传动轴旋转工况在线扭矩监测

《Optics & Laser Technology》：Online torque monitoring of CFRP drive shafts under rotating conditions using embedded FBG sensors

　　

• •
  开发了一种嵌入式光纤布拉格光栅（FBG）系统，用于在旋转条件下在线监测碳纤维增强聚合物（CFRP）传动轴的扭矩。
• •
  提出了一种集成监测系统，该系统结合了微型解调模块、无线数据传输和无线电力传输技术。
• •
  静态扭矩测量的非线性度为0.24% FS，重复性为0.07%。
• •
  动态铣削试验确认了该系统与机床扭矩数据的良好一致性，代表性峰值之间的相对偏差低于5%。
• •
  该系统能够捕捉由刀具崩刃引起的突发扭矩波动，支持异常载荷识别。

引言

近年来，CFRP传动轴因其轻质、高比强度和比刚度、抗疲劳性、减振性以及设计灵活性等优点，在汽车、航空航天、重型机械和风力发电领域日益取代传统金属传动轴，成为高性能传动部件开发的重要焦点[1]、[2]。工况所受的载荷直接影响传动部件的结构完整性和运行稳定性。扭矩是评价传动轴功率传递能力和工况变化的关键参数，同时也是控制复合材料内部损伤演化的重要载荷变量[3]、[4]。与金属材料不同，CFRP具有显著的非均匀性和层状结构特征。在长时间循环扭转载荷作用下，可能发生纤维断裂、基体开裂和分层等内部损伤，导致扭转刚度和承载能力下降，并产生异常振动、噪声增大甚至灾难性失效[5]、[6]。因此，开发一种能够在服役条件下连续工作的在线扭矩监测方法，对于追踪载荷演化、识别异常工况、支持结构安全评估以及实现CFRP传动轴的状态监测具有重要意义。

此前关于旋转轴扭矩测量的研究提出了多种方法，包括磁致伸缩传感[7]、[8]、基于应变片的测量[9]、[10]、[11]、扭转角测量[12]、[13]以及视觉方法[14]、[15]。这些技术在应用于旋转CFRP传动轴时各有不同的权衡取舍。磁致伸缩方法能够实现非接触式扭矩测量，适用于许多金属轴；然而，其工作原理依赖于轴材料的磁弹性特性，这限制了其在非磁性CFRP结构上的直接应用。基于应变片的系统较为成熟、灵敏度高且在传感器层面相对经济，但旋转应用通常需要电桥电路、信号调理、遥测、滑环或旋转电源。多点布置还会进一步增加布线、校准、安装和维护的复杂性。扭转角和视觉方法能够在对轴体本身进行较少改造的情况下实现非接触测量，但其性能可能受到低扭矩下微小角变形、受限的光学通路、振动、光照、标记质量以及环境噪声等因素的影响。此外，这些方法通常表征的是轴的整体变形，而非多个位置的局部内部应变状态。

FBG传感器通过反射布拉格波长的偏移来测量应变或温度，对于复合材料结构具有以下优势：体积小、质量轻、抗电磁干扰、支持波分复用以及与结构集成的兼容性[16]、[17]、[18]。然而，FBG传感的实际优势在很大程度上取决于安装方式。表面贴装FBG的安装、检查和更换相对便利，但仍然暴露在机械和环境损伤之下，可能无法完全反映层合复合材料结构的内部应变状态。嵌入式FBG可以提供受保护的内部多点应变测量；然而，传感网络必须在复合材料制造过程中引入。因此，传感器位置和方向、光纤引出、固化兼容性、应变传递以及传感器存活率都必须精心控制。一旦嵌入，损坏的传感器也难以修复或更换。此外，光 interrogation设备以及旋转应用所需的额外解调、无线传输、电源、安装和配重硬件会增加系统集成复杂度和初始仪表成本。因此，嵌入式FBG方案并非旨在作为传统扭矩传感器的通用替代品，而尤其适用于需要内部多点传感和结构集成的贵重复合材料轴。

基于FBG的扭矩传感已在多种结构和旋转构型中进行了研究。Konstantaki等人[19]研究了复合材料空心轴中嵌入式和表面贴装FBG，证明了它们表征扭矩引起的应变的能力。Hu等人[20]利用嵌入式FBG传感器研究了CFRP传动轴的结构设计和扭转性能监测。Wang等人[3]在旋转轴上以±45°布置FBG，通过动态波长解调测量扭矩和扭转角，而Li等人[21]进一步开发了一种基于FBG的旋转轴弯曲和扭转分量分离方法。近期，Yang等人[22]在螺栓中不同深度和位置嵌入FBG，并证明嵌入构型显著影响扭矩灵敏度。Zhang等人[23]开发了一种基于光学旋转互连的全光学旋转FBG扭矩传感器，并在静止和旋转条件下验证了扭矩测量。Saturno等人[24]将FBG集成到增材制造支撑结构中，用于航空航天应用中同时测量扭矩和角速度。这些近期研究进一步证明了FBG传感在结构集成和旋转扭矩测量方面的潜力。

尽管取得了上述进展，现有研究通常只解决了承载CFRP传动轴在线扭矩监测的部分需求。复合材料嵌入研究主要关注静态或准静态扭转响应，而旋转轴研究通常采用表面贴装FBG、专用传感结构或相对有限的传感构型。分布式嵌入传感网络、旋转端波长解调、无线数据传输、持续无线供电、高扭矩校准以及在真实加工条件下的验证的综合实现仍相对缺乏探索。

因此，本研究的主要贡献在于嵌入式FBG扭矩监测在旋转CFRP传动轴上的系统级集成与实验验证。首先，基于CFRP传动轴的扭转应变响应，建立了施加扭矩与布拉格波长偏移之间的关系，并设计了一个包含20个沿±45°方向布置的传感点的四阵列嵌入式FBG网络。其次，开发了一种旋转端监测架构，集成了微型波长解调、无线数据传输和无线电力传输，从而实现在不与旋转轴进行有线电连接的情况下连续信号采集。最后，制造并评估了一根集成传感器的CFRP传动轴，通过结构性能对比、0–9000 N·m范围内的传感器静态校准以及实际旋转工况下的动态铣削实验进行了验证。在动态实验中，机床控制数据作为运行对比而非独立校准的扭矩参考。通过在单一CFRP传动轴系统中整合多点嵌入传感、旋转端问询、无线数据和电力传输、高扭矩校准以及实际旋转测试，本研究为复合材料传动部件的在线载荷监测提供了一种面向工程的方法。

各节摘要

扭矩-应变传递机制

CFRP传动轴在扭转载荷下的力学响应以剪切应变为主。对于小变形条件下的薄壁圆管，剪切应变与施加的扭矩近似呈线性关系；因此，可以通过结构应变响应间接确定扭矩。在本研究中，将FBG沿±45°纤维方向嵌入层合板层间，使扭转载荷引起的剪切变形转换为

试样制造与系统集成

为评估所提出的在线扭矩监测方法的可行性，首先制造了一根集成FBG传感器的CFRP传动轴原型。CFRP轴管采用湿法缠绕工艺制造。制备了四组串联FBG阵列，每组包含五个光栅，共提供20个传感点。在缠绕完前22层后，暂停缠绕操作和芯模旋转。然后将FBG阵列手动放置在规定的轴向和

结论

本文通过基于嵌入式FBG的监测方法和集成传感系统，针对旋转条件下的CFRP传动轴实时在线扭矩监测问题进行了研究。基于CFRP传动轴的扭转应变响应和FBG传感器的波长响应，建立了扭矩、应变与布拉格波长偏移之间的关系。设计并

CRediT作者贡献声明

Lei Feng（冯雷）：撰写 – 初稿、软件、方法论、概念构思。Guoping Ding（丁国平）：撰写 – 审阅与编辑、监督、经费获取。Jie Xiao（肖杰）：验证、资源。Yefa Hu（胡业发）：撰写 – 审阅与编辑、可视化。Ying Xiao（肖颖）：调查、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到湖北省重点研发计划（JD）（2023BAA028）的支持。

Lei Feng|Guoping Ding|Jie Xiao|Yefa Hu|Ying Xiao