一、 引言

    20 世紀(jì) 70 年代末 , 光纖傳感技術(shù)伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速興起的。近 20 年 , 光纖光柵作為一種微型光學(xué)元件得到迅速發(fā)展 , 從而使得光纖傳感技術(shù)的發(fā)展得到一個(gè)質(zhì)的飛躍。  在航空航天領(lǐng)域內(nèi) , 對(duì)于各類傳感器的使用極其密集。而對(duì)它的靈敏度、體積和重量都有較高的要求。

    對(duì)于一架飛行器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需要的傳感器數(shù)量龐大 , 因此傳感器的尺寸、重量就變得尤為重要。尤其是當(dāng)先進(jìn)的飛行器在飛行的過(guò)程中 , 傳統(tǒng)傳感技術(shù)已無(wú)法滿足實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)大氣數(shù)據(jù)這一需求。另外 , 飛行器在飛行期間都會(huì)受到極其嚴(yán)酷的飛行環(huán)境 （ 包括高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等 ） 的影響。現(xiàn)有的傳統(tǒng)電類傳感器 , 很容易受環(huán)境因素的限制不能在極端的飛行環(huán)境下正常工作，這必然會(huì)影響飛行器的使用安全，導(dǎo)致災(zāi)難性事故。而光纖光柵傳感器則因其質(zhì)量輕、體積小、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn) , 很大程度上可以克服環(huán)境因素的影響 , 能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)飛行器結(jié)構(gòu)的各種參量 , 及時(shí)作出判斷 , 防止事故的發(fā)生。光纖光柵傳感技術(shù)在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用將會(huì)對(duì)航空航天的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

    二、光纖光柵傳感技術(shù)的原理

    光纖光柵是利用紫外曝光技術(shù)在光纖纖芯內(nèi)形成的折射率的周期性分布結(jié)構(gòu)，當(dāng)一定帶寬的光通過(guò)環(huán)形器入射到光纖光柵中，由于光纖光柵具有波長(zhǎng)選擇性，只能使特定波長(zhǎng)的光發(fā)生反射，然后通過(guò)解調(diào)儀或光譜儀來(lái)測(cè)量反射光的波長(zhǎng)變化，就可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的測(cè)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(huì)影響光纖光柵的反射光譜。任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵布格波長(zhǎng)的漂移，它們與波長(zhǎng)改變量?λ B 之間存在如下的關(guān)系式

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

圖 1 光纖光柵結(jié)構(gòu)與傳感原理圖

圖 2 智能復(fù)合材料補(bǔ)片用于蜂窩結(jié)構(gòu)修理的示意圖

    基于光纖光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖光柵的周期或有效折射率的影響，引起發(fā)射光中心波長(zhǎng)的飄移。

    相對(duì)于傳統(tǒng)電類傳感器，光纖光柵傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）傳感器探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，可測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等。

    （2）與光纖之間存在天然的兼容性，無(wú)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(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作。

    （4）輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列。

    （5）傳感器的復(fù)用作為光纖傳感器所獨(dú)有的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)沿光纖鋪設(shè)路徑上分布場(chǎng)的測(cè)量。

    三、光纖光柵傳感器在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

    3.1 基于多物理場(chǎng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面

    隨著國(guó)家對(duì)航空工業(yè)的日益重視，各種飛機(jī)的研制需求越來(lái)越迫切。研制周期相比以前越來(lái)越短，同時(shí)飛機(jī)的性能指標(biāo)越來(lái)越高。無(wú)人機(jī)作為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的新銳力量越來(lái)越受到重視。相對(duì)于傳統(tǒng)的有人駕駛戰(zhàn)機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向必然是大過(guò)載、復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，因而在服役期間其結(jié)構(gòu)必會(huì)受到復(fù)雜載荷，這就造成了結(jié)構(gòu)損傷和失效模式的復(fù)雜多樣性、進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)的難度加大。這一系列影響必然會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)被迫提早進(jìn)行全面檢查或維修，影響其使用壽命并加大維護(hù)成本。

    為了提高無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的生存能力、防護(hù)能力，結(jié)合光纖光柵傳感器所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，將光纖光柵傳感器結(jié)合實(shí)時(shí)損傷評(píng)估方法用于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的健康監(jiān)測(cè)，對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估，實(shí)施自診斷，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。

    歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于光纖傳感技術(shù)的研究早于我國(guó)幾十年，美國(guó)是最早開始將光纖光柵應(yīng)用于軍用飛機(jī)的國(guó)家之一，對(duì)于此項(xiàng)研究取得了顯著成果。德國(guó)在 F-18 戰(zhàn)斗機(jī)的垂直安定面布置光纖傳感器實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)監(jiān)控；美國(guó)在 X-33 的液氫燃料貯箱結(jié)構(gòu)布設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)反應(yīng)液氫燃料罐結(jié)構(gòu)和保溫層結(jié)構(gòu)表面信息；日本在某飛行器的飛機(jī)方向舵格柵結(jié)構(gòu)布設(shè)分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了基于傳感網(wǎng)絡(luò)的損傷監(jiān)測(cè)與定位的集成化。

    目前國(guó)內(nèi)研制生產(chǎn)的大多數(shù)光纖光柵傳感器主要針對(duì)民用，例如電力、土木、石化、鋼鐵等行業(yè)。在測(cè)試環(huán)境特殊、測(cè)試精度和可靠性要求很高的航空航天等軍事領(lǐng)域，一些高校和科研機(jī)構(gòu)也緊隨國(guó)際研究前沿開展了相關(guān)研究工作。南京航空航天大學(xué)、中國(guó)沈陽(yáng)飛機(jī)研究所、中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所針對(duì)某型無(wú)人機(jī)機(jī)翼研制壓電－光纖綜合傳感器件，成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次大型盒段級(jí)試驗(yàn)件彎扭強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)針對(duì)機(jī)身某處復(fù)合材料研制光纖傳感器對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別。

    目前，針對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求背景，融合高空間分辨率、高靈敏度無(wú)人機(jī)應(yīng)變及振動(dòng)測(cè)試技術(shù)以及損傷實(shí)時(shí)評(píng)估技術(shù)，重點(diǎn)突破了光纖光柵傳感器制作和増敏封裝技術(shù)、光柵信號(hào)解調(diào)、處理和抗偏振衰落技術(shù)、光柵傳感器陣列復(fù)用及串?dāng)_抑制技術(shù)、損傷演化分析技術(shù)、材質(zhì)參數(shù)識(shí)別技術(shù)、損傷分析與有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析交互技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，掌握了無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)集成測(cè)試與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，為全機(jī)健康監(jiān)測(cè)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(jī)旋翼系統(tǒng)載荷測(cè)試方面

    直升機(jī)旋翼動(dòng)部件載荷測(cè)試 , 是直升機(jī)研制生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié) , 它將會(huì)直接影響直升機(jī)的飛行安全和使用壽命。旋翼系統(tǒng)為直升機(jī)的主要升力和操縱力來(lái)源，而旋翼系統(tǒng)中的槳葉在飛行過(guò)程中，由于氣彈耦合的作用，始終處于交變載荷的工作狀態(tài)。因此，為提高直升機(jī)安全性，有必要對(duì)作用在槳葉的交變載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量，并為槳葉的壽命估算積累數(shù)據(jù)。

    利用光纖光柵傳感器測(cè)量直升機(jī)旋翼系統(tǒng)載荷，由于光纖光柵外形尺寸較細(xì)，單根光纖光柵可傳輸多通道信號(hào)，因此整體布線對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響較小；同時(shí)光纖光柵具有電絕緣性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。因此可以推斷，利用光纖光柵傳感器測(cè)量直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的應(yīng)變，必將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

    國(guó)外光纖光柵應(yīng)變測(cè)試技術(shù)已較成熟，波音、空客和NASA 等航空航天公司和機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用。我國(guó)直升機(jī)旋翼載荷測(cè)試，有必要盡快研究和應(yīng)用該技術(shù)。

    3.3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷智能復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)方面

    智能復(fù)合材料補(bǔ)片修理技術(shù)是一種具有嵌入式感受機(jī)構(gòu)的修理技術(shù)，即通過(guò)將應(yīng)變、壓電或光纖等傳感器嵌在復(fù)合材料補(bǔ)片內(nèi)部的方式實(shí)現(xiàn)智能復(fù)合材料補(bǔ)片。該補(bǔ)片能夠?qū)崿F(xiàn)金屬損傷結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)修理的同時(shí)，可通過(guò)補(bǔ)片內(nèi)置的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控修理部位的健康狀態(tài)（包括膠層的脫粘、補(bǔ)片體系的分層、修理質(zhì)量和基體結(jié)構(gòu)的遺留損傷狀況等），并提供預(yù)警信號(hào)，確保修理結(jié)構(gòu)安全。

    基于光纖傳感器監(jiān)控?fù)p傷的基本原理是在復(fù)合材料補(bǔ)片的膠層中埋入光纖或在復(fù)合材料預(yù)浸料中用若干根光纖代替碳纖維，智能復(fù)合材料補(bǔ)片完成結(jié)構(gòu)修補(bǔ)后，由于熱應(yīng)力的影響，會(huì)在補(bǔ)片內(nèi)部形成殘余應(yīng)力場(chǎng)，修理部位損傷的發(fā)展會(huì)引起補(bǔ)片內(nèi)部殘余應(yīng)力場(chǎng)的改變，通過(guò)分析光纖傳感器的測(cè)試信號(hào)，可以判斷損傷的發(fā)展?fàn)顩r（見(jiàn)圖 2）。

    在航空領(lǐng)域，作為保障復(fù)合材料可靠性、降低維護(hù)費(fèi)用和提高飛機(jī)安全性的關(guān)鍵技術(shù)，基于光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)被世界兩大主要飛機(jī)制造公司（波音公司和空客公司）視為首要研究的技術(shù)之一。波音公司采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)分別在 Delta 767 和 Boeing 7E7 上進(jìn)行了濕度監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)微裂紋探測(cè)研究；Airbus 采用自研制壓電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)A340-600 上的結(jié)構(gòu)疲勞裂紋進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效果明顯，此系統(tǒng)獲得了 2003 年度英國(guó)國(guó)家測(cè)試技術(shù)大獎(jiǎng)。

    2010 年，美國(guó)國(guó)家宇航局 （National Aeronautics and SpaceAdministration, NASA） 在一種改進(jìn)的撲食者 B 無(wú)人機(jī)飛行器（NASA'Ikhana） 翼表上，采用分布式光纖監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)完整性，如圖 3 所示。

    南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究所梁大開等以某型飛機(jī)機(jī)翼盒段為研究對(duì)象，構(gòu)建了基于波分復(fù)用結(jié)構(gòu)的分布式光纖 Bragg 光柵傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)量盒段試件應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)盒段結(jié)構(gòu)承受載荷情況的有效監(jiān)測(cè)。

圖 3 撲食者 B 無(wú)人機(jī)飛行器

    國(guó)內(nèi)外的研究者們公認(rèn)為光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)使它最適合構(gòu)成智能材料結(jié)構(gòu)中分布式自診斷網(wǎng)絡(luò)的傳感器類型。將光纖埋入結(jié)構(gòu)中，可連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部待測(cè)參數(shù)的變化情況，可滿足高精度、遠(yuǎn)距離、分布式和長(zhǎng)期性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)要求，因而較其他傳感器更加適于對(duì)變體機(jī)翼內(nèi)部多種物理參量進(jìn)行測(cè)量。基于此技術(shù)，可以根據(jù)現(xiàn)多類飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式、材料和損傷故障模式，引入采用復(fù)合材料智能補(bǔ)片修理飛機(jī)金屬損傷結(jié)構(gòu)及修理后的健康監(jiān)測(cè)方法，確定結(jié)構(gòu)修理部位損傷的組合傳感與監(jiān)測(cè)策略，即在智能補(bǔ)片內(nèi)部嵌入 / 植入光纖傳感器等，并提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)，確保修理結(jié)構(gòu)安全。

    四、 結(jié)束語(yǔ)

    本文以航空航天領(lǐng)域內(nèi)對(duì)于各種航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重大需求為出發(fā)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(qiáng)和耐腐蝕能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)的光纖光柵傳感技術(shù)可以得到廣泛應(yīng)用 , 并且適合于大面積分布式傳感測(cè)量和長(zhǎng)期監(jiān)控 , 這在航空航天健康監(jiān)測(cè)中尤為重要。其次對(duì)航空航天光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于不同場(chǎng)景的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分類總結(jié)。

    隨著光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感器在航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中將會(huì)發(fā)揮更大的作用。通過(guò)對(duì)航空航天復(fù)結(jié)構(gòu)的健康狀況如溫度、應(yīng)變、損傷、疲勞等長(zhǎng)期在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) , 可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)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(zāi)難性意外事故的發(fā)生 , 大大減少突發(fā)事故對(duì)社會(huì)和人們的傷害。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，大規(guī)模、高密度、高精度、多參量光纖傳感系統(tǒng)是航空航天光纖傳感技術(shù)的發(fā)展方向，目前所取得的研究成果與航空航天傳感領(lǐng)域的復(fù)雜應(yīng)用需求還存在較大的差距，仍需要在上述研究方向進(jìn)行更深入的探索。

    參 考 文 獻(xiàn)

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