一、 引言

    20 世紀 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)展得到一個質(zhì)的飛躍。  在航空航天領(lǐng)域內(nèi) , 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。

    對于一架飛行器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需要的傳感器數(shù)量龐大 , 因此傳感器的尺寸、重量就變得尤為重要。尤其是當先進的飛行器在飛行的過程中 , 傳統(tǒng)傳感技術(shù)已無法滿足實時準確監(jiān)測大氣數(shù)據(jù)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(huán)境 （ 包括高溫、強磁場等 ） 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 , 很大程度上可以克服環(huán)境因素的影響 , 能夠準確監(jiān)測飛行器結(jié)構(gòu)的各種參量 , 及時作出判斷 , 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)用將會對航空航天的發(fā)展具有重要的促進作用。

    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)，當一定帶寬的光通過環(huán)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(fā)生反射，然后通過解調(diào)儀或光譜儀來測量反射光的波長變化，就可以實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(fā)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(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(fā)射光中心波長的飄移。

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

    （1）傳感器探頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，可測量結(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，對被測介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，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有的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)沿光纖鋪設(shè)路徑上分布場的測量。

    三、光纖光柵傳感器在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

    3.1 基于多物理場飛機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面

    隨著國家對航空工業(yè)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(zhàn)場的新銳力量越來越受到重視。相對于傳統(tǒng)的有人駕駛戰(zhàn)機來說，無人機未來的發(fā)展方向必然是大過載、復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，因而在服役期間其結(jié)構(gòu)必會受到復(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、進行損傷監(jiān)測的難度加大。這一系列影響必然會導(dǎo)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(jié)構(gòu)的生存能力、防護能力，結(jié)合光纖光柵傳感器所具有的獨特優(yōu)點，將光纖光柵傳感器結(jié)合實時損傷評估方法用于無人機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的健康監(jiān)測，對損傷進行評估，實施自診斷，具有重要的軍事應(yīng)用價值。

    歐美發(fā)達國家對于光纖傳感技術(shù)的研究早于我國幾十年，美國是最早開始將光纖光柵應(yīng)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(zhàn)斗機的垂直安定面布置光纖傳感器實現(xiàn)其實時監(jiān)控；美國在 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)，實時反應(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)，實現(xiàn)了基于傳感網(wǎng)絡(luò)的損傷監(jiān)測與定位的集成化。

    目前國內(nèi)研制生產(chǎn)的大多數(shù)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(yè)。在測試環(huán)境特殊、測試精度和可靠性要求很高的航空航天等軍事領(lǐng)域，一些高校和科研機構(gòu)也緊隨國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(xiàn)了國內(nèi)首次大型盒段級試驗件彎扭強度實驗過程中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)針對機身某處復(fù)合材料研制光纖傳感器對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化過程進行監(jiān)測，并對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行損傷識別。

    目前，針對無人機結(jié)構(gòu)監(jiān)測的應(yīng)用需求背景，融合高空間分辨率、高靈敏度無人機應(yīng)變及振動測試技術(shù)以及損傷實時評估技術(shù)，重點突破了光纖光柵傳感器制作和増敏封裝技術(shù)、光柵信號解調(diào)、處理和抗偏振衰落技術(shù)、光柵傳感器陣列復(fù)用及串擾抑制技術(shù)、損傷演化分析技術(shù)、材質(zhì)參數(shù)識別技術(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)，掌握了無人機結(jié)構(gòu)多物理場集成測試與健康監(jiān)測技術(shù)，為全機健康監(jiān)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(tǒng)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(chǎn)過程中一個極其重要的環(huán)節(jié) , 它將會直接影響直升機的飛行安全和使用壽命。旋翼系統(tǒng)為直升機的主要升力和操縱力來源，而旋翼系統(tǒng)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(tài)。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(shù)據(jù)。

    利用光纖光柵傳感器測量直升機旋翼系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的力學(xué)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(yōu)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(tǒng)的應(yīng)變，必將是未來的發(fā)展趨勢。

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

    3.3 飛機結(jié)構(gòu)損傷智能復(fù)合材料健康監(jiān)測方面

    智能復(fù)合材料補片修理技術(shù)是一種具有嵌入式感受機構(gòu)的修理技術(shù)，即通過將應(yīng)變、壓電或光纖等傳感器嵌在復(fù)合材料補片內(nèi)部的方式實現(xiàn)智能復(fù)合材料補片。該補片能夠?qū)崿F(xiàn)金屬損傷結(jié)構(gòu)補強修理的同時，可通過補片內(nèi)置的傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控修理部位的健康狀態(tài)（包括膠層的脫粘、補片體系的分層、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，確保修理結(jié)構(gòu)安全。

    基于光纖傳感器監(jiān)控損傷的基本原理是在復(fù)合材料補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)合材料補片完成結(jié)構(gòu)修補后，由于熱應(yīng)力的影響，會在補片內(nèi)部形成殘余應(yīng)力場，修理部位損傷的發(fā)展會引起補片內(nèi)部殘余應(yīng)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(fā)展狀況（見圖 2）。

    在航空領(lǐng)域，作為保障復(fù)合材料可靠性、降低維護費用和提高飛機安全性的關(guān)鍵技術(shù)，基于光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)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(shù)之一。波音公司采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)分別在 Delta 767 和 Boeing 7E7 上進行了濕度監(jiān)測和結(jié)構(gòu)微裂紋探測研究；Airbus 采用自研制壓電監(jiān)測系統(tǒng)對A340-600 上的結(jié)構(gòu)疲勞裂紋進行了監(jiān)測，監(jiān)測效果明顯，此系統(tǒng)獲得了 2003 年度英國國家測試技術(shù)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(jiān)測結(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)測研究所梁大開等以某型飛機機翼盒段為研究對象，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)測量盒段試件應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，運用波長監(jiān)測方法實現(xiàn)對盒段結(jié)構(gòu)承受載荷情況的有效監(jiān)測。

圖 3 撲食者 B 無人機飛行器

    國內(nèi)外的研究者們公認為光纖光柵傳感器的優(yōu)點使它最適合構(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)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部待測參數(shù)的變化情況，可滿足高精度、遠距離、分布式和長期性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測要求，因而較其他傳感器更加適于對變體機翼內(nèi)部多種物理參量進行測量。基于此技術(shù)，可以根據(jù)現(xiàn)多類飛機的主要結(jié)構(gòu)形式、材料和損傷故障模式，引入采用復(fù)合材料智能補片修理飛機金屬損傷結(jié)構(gòu)及修理后的健康監(jiān)測方法，確定結(jié)構(gòu)修理部位損傷的組合傳感與監(jiān)測策略，即在智能補片內(nèi)部嵌入 / 植入光纖傳感器等，并提供實時監(jiān)測信號，確保修理結(jié)構(gòu)安全。

    四、 結(jié)束語

    本文以航空航天領(lǐng)域內(nèi)對于各種航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重大需求為出發(fā)點，與傳統(tǒng)的監(jiān)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(yōu)點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量和長期監(jiān)控 , 這在航空航天健康監(jiān)測中尤為重要。其次對航空航天光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于不同場景的研究現(xiàn)狀進行分類總結(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)測中將會發(fā)揮更大的作用。通過對航空航天復(fù)結(jié)構(gòu)的健康狀況如溫度、應(yīng)變、損傷、疲勞等長期在線、實時監(jiān)測 , 可以預(yù)測結(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)事故對社會和人們的傷害。從發(fā)展趨勢來看，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行更深入的探索。

    參 考 文 獻

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