光纤应变传感器在转动轴扭矩测量装置中，通过检测光纤光路变化或相位差实现高精度、非接触式测量，尤其适用于极端环境或对电磁干扰敏感的场景。以下为具体应用方案及分析：
一、核心原理：光纤传感与扭矩的物理关联
光纤应变传感器基于光弹效应或Fabry-Perot干涉技术，将扭矩引起的轴微小扭转转化为光信号变化：
光弹效应：扭矩导致轴材料内部应力分布改变，进而影响光纤中光的传播速度或相位，通过检测相位差计算扭矩。
Fabry-Perot干涉：传感器内部形成光学谐振腔，扭矩引起的腔长变化会改变反射光波长，通过波长偏移量反推扭矩值。
优势：
抗电磁干扰：光纤传输不依赖电信号，适用于高EMI/RFI环境（如核电站、风力发电机）。
耐腐蚀/高温：传感器材质可耐受极端环境（如船舶、电力变压器内部）。
非接触式测量：无需在轴上粘贴应变片或安装齿轮，避免接触磨损和动不平衡问题。
二、典型应用方案
方案1：基于相位差的光纤扭矩传感器
结构：
在轴上对称粘贴两段光纤（相位差180°），形成差动测量结构。
光纤连接至光学解调仪，实时监测相位变化。
原理：
扭矩导致轴扭转，两段光纤相位差与扭矩成正比。
通过解调仪计算相位差，结合标定曲线输出扭矩值。
案例：
应用于船舶推进轴、核电站主泵轴等场景。
精度达±0.1%FS，耐温范围-40℃~+250℃。
支持长距离传输（>1km），适合分布式监测。
加拿大FISO FOS-N光纤应变传感器：
方案2：基于编码盘的光纤脉冲定时法
结构：
轴上安装编码盘（如齿轮或光学旋转编码器），光纤传感器对准编码盘齿顶。
光纤传感器采用反射式或透射式设计，检测齿顶通过时的光脉冲。
原理：
扭矩导致轴扭转，编码盘齿间时间偏置量变化。
通过测量脉冲间隔时间，结合轴转速计算扭矩。
优势：
无需直接接触轴，避免滑环磨损问题。
适用于高速旋转轴（转速>10,000rpm）。
三、关键技术实现
温度补偿：
采用双光纤差动结构，消除温度对光纤波长或相位的影响。
实验表明，差动设计可将温度误差降低至±0.02%FS/℃。
动态标定：
使用砝码加载法进行静态标定，结合扭矩传感器（如HBM T12）验证精度。
动态标定需模拟实际工况（如变转速、变载荷），确保传感器响应速度。
信号处理：
光学解调仪需具备高分辨率（如1pm波长分辨率）和低噪声（<0.1%FS）。
采用FPGA或DSP实现实时数据处理，输出扭矩、转速等参数。
四、应用场景与效果
| 场景 | 需求 | 光纤传感器优势 | 效果 |
|---|---|---|---|
| 风力发电机主轴 | 高转速、强电磁干扰 | 抗EMI、非接触式测量 | 扭矩测量精度±0.5%FS，故障预警提前率提升30% |
| 船舶推进轴 | 耐腐蚀、长寿命 | 光纤材质耐海水腐蚀，寿命>10年 | 维护成本降低40%，航行安全性提高 |
| 核电站主泵轴 | 耐高温、防辐射 | 光纤传感器耐温250℃，抗辐射剂量>10^6 Gy | 确保核安全级设备可靠运行 |
| 高端数控机床主轴 | 高动态响应、微扭矩测量 | 响应时间<1ms，分辨率达0.01N·m | 加工精度提升15%，产品合格率提高 |
五、选型建议
高精度需求：
优先选择基于Fabry-Perot干涉的传感器（如FISO FOS-N），精度可达±0.05%FS。
极端环境：
耐高温场景：选择光纤材质为聚酰亚胺（耐温300℃）。
耐腐蚀场景：采用不锈钢封装或涂覆防腐涂层。
成本敏感型应用：
可考虑反射式光纤传感器，成本较干涉式降低30%~50%，但精度稍低（±0.5%FS）。
