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光纤光栅传感技术在航空航天领域中的应
用与发展
作者:李婧怡朱振华
来源:《中国新通信》2018年第4期
一、引言
20世纪70年代末,光纤传感技术伴随着光纤通信技术的发展而迅速兴起的。近20年,
光纤光栅作为一种微型光学元件得到迅速发展,从而使得光纤传感技术的发展得到一个质的飞
跃。在航空航天领域内,对于各类传感器的使用极其密集。而对它的灵敏度、体积和重量都有
较高的要求。对于一架飞行器的结构健康监测需要的传感器数量庞大,因此传感器的尺寸、重
量就变得尤为重要。尤其是当先进的飞行器在飞行的过程中,传统传感技术已无法满足实时准
确监测大气数据这一需求。另外,飞行器在飞行期间都会受到极其严酷的飞行环境(包括高温、
强磁场等)的影响。现有的传统电类传感器,很容易受环境因素的限制不能在极端的飞行环境
下正常工作,这必然会影响飞行器的使用安全,导致灾难性事故。而光纤光栅传感器则因其质
量轻、体积小、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点,很大程度上可以克服环境因素的影响,
能够准确监测飞行器结构的各种参量,及时作出判断,防止事故的发生。光纤光栅传感技术在
航空航天领域内的广泛应用将会对航空航天的发展具有重要的促进作用。
二、光纤光栅传感技术的原理
光纤光栅是利用紫外曝光技术在光纤纤芯内形成的折射率的周期性分布结构,当一定带宽
的光通过环形器入射到光纤光栅中,由于光纤光栅具有波长选择性,只能使特定波长的光发生
反射,然后通过解调仪或光谱仪来测量反射光的波长变化,就可以实现被测结构的应变和温度
的测量,其传感原理如图1所示。光纤光栅周期的改变量和有效折射率neff会影响光纤光栅
的反射光谱。任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅布格波长的漂移,它们与波
长改变量ΔλB之间存在如下的关系式ΔλB=2neffΔΛ+2ΔneffΛ(2-1)
基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤光栅的周期或有效折射率的影响,引
起发射光中心波长的飘移。
相对于传统电类传感器,光纤光栅传感器有以下优点:
(1)传感器探头结构简单、体积小、重量轻,可测量结构的应变及结构损伤等。
(2)与光纤之间存在天然的兼容性,无电磁干扰,易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、
可靠性高。
(3)具有非传导性,对被测介质影响小,又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点,适合在恶劣
环境中工作。
(4)轻巧柔软,可以在一根光纤中写入多个光栅,构成传感阵列。
(5)传感器的复用作为光纤传感器所独有的技术,能够实现沿光纤铺设路径上分布场的测
量。
三、光纤光栅传感器在航空领域中的应用
3.1基于多物理场飞机结构健康监测方面
随着国家对航空工业的日益重视,各种飞机的研制需求越来越迫切。研制周期相比以前越
来越短,同时飞机的性能指标越来越高。无人机作为未来战场的新锐力量越来越受到重视。相
对于传统的有人驾驶战机来说,无人机未来的发展方向必然是大过载、复杂作战环境,因而在
服役期间其结构必会受到复杂载荷,这就造成了结构损伤和失效模式的复杂多样性、进行损伤
监测的难度加大。这一系列影响必然会导致无人机被迫提早进行全面检查或维修,影响其使用
寿命并加大维护成本。
为了提高无人机结构的生存能力、防护能力,结合光纤光栅传感器所具有的独特优点,将
光纤光栅传感器结合实时损伤评估方法用于无人机结构关键部件的健康监测,对损伤进行评估,
实施自诊断,具有重要的军事应用价值。
欧美发达国家对于光纤传感技术的研究早于我国几十年,美国是最早开始将光纤光栅应用
于军用飞机的国家之一,对于此项研究取得了显著成果。德国在F-18战斗机的垂直安定面布
置光纤传感器实现其实时监控;美国在X-33的液氢燃料贮箱结构布设光纤光栅传感网络,实
时反应液氢燃料罐结构和保温层结构表面信息;日本在某飞行器的飞机方向舵格栅结构布设分
布式光纤传感器网络,实现了基于传感网络的损伤监测与定位的集成化。
目前国内研制生产的大多数光纤光栅传感器主要针对民用,例如电力、土木、石化、钢铁
等行业。在测试环境特殊、测试精度和可靠性要求很高的航空航天等军事领域,一些高校和科
研机构也紧随国际研究前沿开展了相关研究工作。南京航空航天大学、中国沈阳飞机研究所、
中国飞机强度研究所针对某型无人机机翼研制压电-光纤综合传感器件,成功实现了国内首次
大型盒段级试验件弯扭强度实验过程中的结构健康监测;哈尔滨工业大学、北京航空航天大学
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