光纖光柵傳感技術在航空航天領域中的應用與發展
2018-08-29 15:15:24 作者:李婧怡1 朱振華2 來源:1天津大港油田第二中學 2武漢理工大學機電學院 分享至:

    一、 引言

 

    20 世紀 70 年代末 , 光纖傳感技術伴隨著光纖通信技術的發展而迅速興起的。近 20 年 , 光纖光柵作為一種微型光學元件得到迅速發展 , 從而使得光纖傳感技術的發展得到一個質的飛躍。  在航空航天領域內 , 對于各類傳感器的使用極其密集。而對它的靈敏度、體積和重量都有較高的要求。


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    對于一架飛行器的結構健康監測需要的傳感器數量龐大 , 因此傳感器的尺寸、重量就變得尤為重要。尤其是當先進的飛行器在飛行的過程中 , 傳統傳感技術已無法滿足實時準確監測大氣數據這一需求。另外 , 飛行器在飛行期間都會受到極其嚴酷的飛行環境 ( 包括高溫、強磁場等 ) 的影響。現有的傳統電類傳感器 , 很容易受環境因素的限制不能在極端的飛行環境下正常工作,這必然會影響飛行器的使用安全,導致災難性事故。而光纖光柵傳感器則因其質量輕、體積小、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等優點 , 很大程度上可以克服環境因素的影響 , 能夠準確監測飛行器結構的各種參量 , 及時作出判斷 , 防止事故的發生。光纖光柵傳感技術在航空航天領域內的廣泛應用將會對航空航天的發展具有重要的促進作用。


    二、光纖光柵傳感技術的原理

 

    光纖光柵是利用紫外曝光技術在光纖纖芯內形成的折射率的周期性分布結構,當一定帶寬的光通過環形器入射到光纖光柵中,由于光纖光柵具有波長選擇性,只能使特定波長的光發生反射,然后通過解調儀或光譜儀來測量反射光的波長變化,就可以實現被測結構的應變和溫度的測量 , 其傳感原理如圖 1 所示。光纖光柵周期的改變量和有效折射率 n eff會影響光纖光柵的反射光譜。任何使這兩個參量發生改變的物理過程都將引起光柵布格波長的漂移,它們與波長改變量?λ B 之間存在如下的關系式

 

    ?λ B =2n eff  ΔΛ+2Δn eff Λ   (2-1)

 

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圖 1 光纖光柵結構與傳感原理圖

 

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圖 2 智能復合材料補片用于蜂窩結構修理的示意圖

 

    基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖光柵的周期或有效折射率的影響,引起發射光中心波長的飄移。


    相對于傳統電類傳感器,光纖光柵傳感器有以下優點:


    (1)傳感器探頭結構簡單、體積小、重量輕,可測量結構的應變及結構損傷等。


    (2)與光纖之間存在天然的兼容性,無電磁干擾,易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高。


    (3)具有非傳導性,對被測介質影響小,又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點,適合在惡劣環境中工作。


    (4)輕巧柔軟,可以在一根光纖中寫入多個光柵,構成傳感陣列。


    (5)傳感器的復用作為光纖傳感器所獨有的技術,能夠實現沿光纖鋪設路徑上分布場的測量。


    三、光纖光柵傳感器在航空領域中的應用

 

    3.1 基于多物理場飛機結構健康監測方面

 

    隨著國家對航空工業的日益重視,各種飛機的研制需求越來越迫切。研制周期相比以前越來越短,同時飛機的性能指標越來越高。無人機作為未來戰場的新銳力量越來越受到重視。相對于傳統的有人駕駛戰機來說,無人機未來的發展方向必然是大過載、復雜作戰環境,因而在服役期間其結構必會受到復雜載荷,這就造成了結構損傷和失效模式的復雜多樣性、進行損傷監測的難度加大。這一系列影響必然會導致無人機被迫提早進行全面檢查或維修,影響其使用壽命并加大維護成本。


    為了提高無人機結構的生存能力、防護能力,結合光纖光柵傳感器所具有的獨特優點,將光纖光柵傳感器結合實時損傷評估方法用于無人機結構關鍵部件的健康監測,對損傷進行評估,實施自診斷,具有重要的軍事應用價值。


    歐美發達國家對于光纖傳感技術的研究早于我國幾十年,美國是最早開始將光纖光柵應用于軍用飛機的國家之一,對于此項研究取得了顯著成果。德國在 F-18 戰斗機的垂直安定面布置光纖傳感器實現其實時監控;美國在 X-33 的液氫燃料貯箱結構布設光纖光柵傳感網絡,實時反應液氫燃料罐結構和保溫層結構表面信息;日本在某飛行器的飛機方向舵格柵結構布設分布式光纖傳感器網絡,實現了基于傳感網絡的損傷監測與定位的集成化。


    目前國內研制生產的大多數光纖光柵傳感器主要針對民用,例如電力、土木、石化、鋼鐵等行業。在測試環境特殊、測試精度和可靠性要求很高的航空航天等軍事領域,一些高校和科研機構也緊隨國際研究前沿開展了相關研究工作。南京航空航天大學、中國沈陽飛機研究所、中國飛機強度研究所針對某型無人機機翼研制壓電-光纖綜合傳感器件,成功實現了國內首次大型盒段級試驗件彎扭強度實驗過程中的結構健康監測;哈爾濱工業大學、北京航空航天大學針對機身某處復合材料研制光纖傳感器對復合材料結構固化過程進行監測,并對復合材料結構進行損傷識別。


    目前,針對無人機結構監測的應用需求背景,融合高空間分辨率、高靈敏度無人機應變及振動測試技術以及損傷實時評估技術,重點突破了光纖光柵傳感器制作和増敏封裝技術、光柵信號解調、處理和抗偏振衰落技術、光柵傳感器陣列復用及串擾抑制技術、損傷演化分析技術、材質參數識別技術、損傷分析與有限元結構應力分析交互技術等關鍵技術,掌握了無人機結構多物理場集成測試與健康監測技術,為全機健康監測提供一種高效低成本的新方法。


    3.2 基于光纖光柵的直升機旋翼系統載荷測試方面

 

    直升機旋翼動部件載荷測試 , 是直升機研制生產過程中一個極其重要的環節 , 它將會直接影響直升機的飛行安全和使用壽命。旋翼系統為直升機的主要升力和操縱力來源,而旋翼系統中的槳葉在飛行過程中,由于氣彈耦合的作用,始終處于交變載荷的工作狀態。因此,為提高直升機安全性,有必要對作用在槳葉的交變載荷進行實時在線測量,并為槳葉的壽命估算積累數據。


    利用光纖光柵傳感器測量直升機旋翼系統載荷,由于光纖光柵外形尺寸較細,單根光纖光柵可傳輸多通道信號,因此整體布線對結構的力學性能影響較小;同時光纖光柵具有電絕緣性好,抗電磁干擾能力強和靈敏度高等優點。因此可以推斷,利用光纖光柵傳感器測量直升機旋翼系統的應變,必將是未來的發展趨勢。


    國外光纖光柵應變測試技術已較成熟,波音、空客和NASA 等航空航天公司和機構已成功應用。我國直升機旋翼載荷測試,有必要盡快研究和應用該技術。


    3.3 飛機結構損傷智能復合材料健康監測方面

 

    智能復合材料補片修理技術是一種具有嵌入式感受機構的修理技術,即通過將應變、壓電或光纖等傳感器嵌在復合材料補片內部的方式實現智能復合材料補片。該補片能夠實現金屬損傷結構補強修理的同時,可通過補片內置的傳感器網絡實時監控修理部位的健康狀態(包括膠層的脫粘、補片體系的分層、修理質量和基體結構的遺留損傷狀況等),并提供預警信號,確保修理結構安全。


    基于光纖傳感器監控損傷的基本原理是在復合材料補片的膠層中埋入光纖或在復合材料預浸料中用若干根光纖代替碳纖維,智能復合材料補片完成結構修補后,由于熱應力的影響,會在補片內部形成殘余應力場,修理部位損傷的發展會引起補片內部殘余應力場的改變,通過分析光纖傳感器的測試信號,可以判斷損傷的發展狀況(見圖 2)。


    在航空領域,作為保障復合材料可靠性、降低維護費用和提高飛機安全性的關鍵技術,基于光纖傳感系統的結構健康監測技術被世界兩大主要飛機制造公司(波音公司和空客公司)視為首要研究的技術之一。波音公司采用結構健康監測技術分別在 Delta 767 和 Boeing 7E7 上進行了濕度監測和結構微裂紋探測研究;Airbus 采用自研制壓電監測系統對A340-600 上的結構疲勞裂紋進行了監測,監測效果明顯,此系統獲得了 2003 年度英國國家測試技術大獎。


    2010 年,美國國家宇航局 (National Aeronautics and SpaceAdministration, NASA) 在一種改進的撲食者 B 無人機飛行器(NASA'Ikhana) 翼表上,采用分布式光纖監測結構完整性,如圖 3 所示。


    南京航空航天大學智能材料與結構健康監測研究所梁大開等以某型飛機機翼盒段為研究對象,構建了基于波分復用結構的分布式光纖 Bragg 光柵傳感網絡測量盒段試件應變監測系統,運用波長監測方法實現對盒段結構承受載荷情況的有效監測。


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圖 3 撲食者 B 無人機飛行器

 

    國內外的研究者們公認為光纖光柵傳感器的優點使它最適合構成智能材料結構中分布式自診斷網絡的傳感器類型。將光纖埋入結構中,可連續監測結構內部待測參數的變化情況,可滿足高精度、遠距離、分布式和長期性的結構監測要求,因而較其他傳感器更加適于對變體機翼內部多種物理參量進行測量。基于此技術,可以根據現多類飛機的主要結構形式、材料和損傷故障模式,引入采用復合材料智能補片修理飛機金屬損傷結構及修理后的健康監測方法,確定結構修理部位損傷的組合傳感與監測策略,即在智能補片內部嵌入 / 植入光纖傳感器等,并提供實時監測信號,確保修理結構安全。


    四、 結束語

 

    本文以航空航天領域內對于各種航天器結構健康監測的重大需求為出發點,與傳統的監測手段相比,具有尺寸小、重量輕、帶寬寬、靈敏度高、抗電磁干擾能力強和耐腐蝕能力強優點的光纖光柵傳感技術可以得到廣泛應用 , 并且適合于大面積分布式傳感測量和長期監控 , 這在航空航天健康監測中尤為重要。其次對航空航天光纖傳感技術應用于不同場景的研究現狀進行分類總結。


    隨著光纖光柵傳感技術的發展,光纖光柵傳感器在航空航天結構健康監測中將會發揮更大的作用。通過對航空航天復結構的健康狀況如溫度、應變、損傷、疲勞等長期在線、實時監測 , 可以預測結構內部的損傷及剩余壽命 , 從而可以從根本上消除隱患及避免許多災難性意外事故的發生 , 大大減少突發事故對社會和人們的傷害。從發展趨勢來看,大規模、高密度、高精度、多參量光纖傳感系統是航空航天光纖傳感技術的發展方向,目前所取得的研究成果與航空航天傳感領域的復雜應用需求還存在較大的差距,仍需要在上述研究方向進行更深入的探索。


    參 考 文 獻

 

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