浅探航空航天光纤传感技术

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅探航空航天光纤传感技术 【摘 要】由于光纤传感器具备 包括体积小质量轻抗干扰能力强等许多 优点，在航空航天的极端环境下，仍然 能够进行包括压力和角速度等许多数据 的测量。本文对光纤传感技术目前在航 空航天中的应用做了介绍，对于目前航 空航天传感器技术的发展和应用进行了 介绍和总结同时讨论了目前技术中仍然 存在的难点，对航空航天光纤传感技术 的发展做了分析和预测，认为航空航天 中的光纤传感必然会走向高密度、大规 模、高精度的发展方向。 中国论文网 /8/view-12934791.htm 【关键词】航空航天 光纤 压力 温度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 1 绪论 上世纪 70 年代以来，作为一种 新型技术，光纤传感逐步发展起来，其 核心技术为通过对光纤中传输光的包括 波长和相位等在内的参数进行调制，再 对这些参数传输时的变化进行测量，计 算出温度、压力等需要的数据。近年来， 随之技术的不断发展，光纤传感器的灵 敏度高、体积小等优势让它受到越来越 多的关注。目前，传感器研究中的一个 热点问题就是光纤传感。 目前在光纤传感领域，EF-PI 传 感器、FBG 传感器以及 FOG 传感器是 应用最多且前景较为看好的三种，主要 应用领域包括电力能源、航天、石油化 工等。随着飞行器技术的不断更新，航 空航天事业也不断发展，随之而来的是 越来越极端的太空环境，也就是说，传 感器的应用环境越来越复杂，这就使得 传感器技术面临着巨大的挑战，传统的 电子机电技术已经不足以满足实际要求 了。与传统传感器相比，光纤传感的优 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 势日益凸现出来，并且作为航空航天领 域的一项关键技术，光纤传感不仅有着 重要的学术价值，还有着难以估计的应 用价值。 2 航空航天中的 EFPI 技术 EFPI 传感器诞生于 1991 年，由 Murphy 等人研制成功。其核心原理 楦据基于法珀腔长度进行传感，通过 信号的不同变化计算出外界参量的变化 情况，从而实现对不同参数的传感。诞 生一年后就有了在 F-15 战斗机上对 EFPI 传感器的疲劳测试。此后，在 1994 年 Greene 等人用六只 EFPI 传感器 组成阵列，在飞机副翼上进行测试，模 拟了实际飞行器的机动应力。此时传感 器的测量结果精度已经初步让人满意。 1 至 1996 年，Bhatia 等人在已有 EFPI 传感器的基础上，利用白光低相 相干干涉实现对测量参数的实时自校准。 同时，他们在美国空军基地进行了有关 航空器测量。2002 年，Pulliam 等人研 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 究了在高速燃烧室和发动机中 EFPI 传 感器的应用。2003 年，Luna Innovations 公司在波音公司出产的飞机健康监测中 使用了 EFPI 传感器，主要用于压力和 温度两个参量。这一项应用确定了该系 统的原理和工作流程等。2004 年， Richards 等人研究了在航天复合材料中 FEPI 传感器的特性，确定了其内嵌时 应变的测量范围和精度。同时，国内重 庆大学的一些专家学者也对于光纤传感 的复用和解调技术做了有关研究，于 2005 年同国内其他学者一起开展了 EFPI 的智能加层技术试验。根据实验 结果，EFPI 传感器的腔长与应变有一 定的线性相关，说明智能加层具有得到 应用的可能性。2009 年，国内西北工业 大学的学者在测量飞机发动机的裂纹时 应用了 EFPI，主要判断依据为返回的 传输信号。2010 年，NASA 开始了光纤 压力传感器研发的资助项目，并且开始 将其应用在气流压力的测量中。2 3 航空航天中的 FBG 技术 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 世界上第一根光纤光栅诞生于 1978 年，主要原理为光纤的光敏效应。 此后，Meltz 等人在此基础上加入了紫 外线侧面写入，带来了光纤光栅制作的 一个里程碑，成功研制出第一只可以适 用于通信的 FBG。 FBG 传感器所使用的栅格周期一 般为 539nm 左右，为均匀周期光纤光栅。 起主要传感原理为通过 FBG 反射回入 射光中的符合匹配条件的单色光，经过 待测参量的调制后反射波长变化。因此， 通过测量波长，就可以对待测物理量进 行传感。 现在，航空航天领域中，对于 FBG 的研究主要关注了温度测量和飞行 器结构检测。2002 年 Betz 等人在客机 的结构监测中使用了 FBG 传感器，载 荷标定成功完成。20005 年，有关学者 提出了使用 FBG 构建网络对老龄飞行 器进行结构传感，经过大量实验，FBG 对于补丁的退化传感可行性被证明。 2006 年，武汉理工大学的学者提出了一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 种 FBG 传感器，并对其在封装和不封 装的条件下的工作特性做出了分别研究， 得出了在允许温度范围内两者的灵敏系 数。2008 年，Takeya 等人构造了一种 网络结构，在其中使用 FBG 传感器进 行飞行器的结构监测，该网络可靠性较 高，在其中主要使用了翼尖夹具和监测 系统。同年，又有用于健康监测和火情 探测的 FBG 传感器被研发出来，专家 同年完成了在原型机上的系统性能测试 试验。2009 年，针对典型的飞机复合 材料结构，南京航空航天大学的学者开 展了 FBG 应用与健康监测的研究。 2010 年，Kosters 等人在完成对于 FBG 传感器的高速解调技术研究后，实现了 飞行器的冲击损伤监测与定位功能。 2011 年，国内学者进一步发展了 FBG 测量应变技术，研究了在可变翼体关键 位置的监测。 同时，航天领域的 FBG 光纤技 术也有了很大的进展。2001 年，能够用 于 X-38 宇宙飞船结构监测的 FBG 传感 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 网已经出现，其主体由 12 个 FBG 传感 器构成。2004 年，Ogisu 等人根据新一 代航天器的材料特征，使用压电陶瓷 FBG 设计了一套监测系统，用于针对其 复合材料进行结构监测。2006 年出现了 FBG 传感器组合在液氢罐的应力测量实 验；2008 年出现了在近地球轨道中 FBG 传感应用的测量；2010 年 Kim 等 人在模拟空间环境中试验了 FBG 应用 的可行性；2012 年日本的专家制作了传 感器，其中 FBG 被当做应变量，通过 实验，FBG 应用于航天结构的监测可行 性被证实。 4 国内技术领域现状 4.1 温度、应变传感 FBG 传感器能够作为敏感元件， 在温度和应变系统中工作，其中 FBG 的作用是通过反射波长反映出环境中的 变化量。可见，如果同时存在温度和应 变，FBG 的波长就会出现漂移，也就是 通常所说的交叉敏感。为了解决这个问 题，就必须实现对在热真空环境中工作 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 FBG 的封装。对此，技术人员设计了许 多封装传感器并投入制作，并且采用了 温度补偿算法进行修正，改良了参量传 感。为满足航空航天传感应用多点测量 的实际需求，学者们重点研究了多路复 用，现在已经成功研制了 8 路并行系统。 这个系统中应用了可调谐技术，可以分 为数据处理、传感校正和光源产生三个 部分。其中，光源产生的光经过滤波器 进行处理后，大部分进入检测通道作为 信号。仅有 1%作为参考标准，在通过 标准具后被探测器收集。由分光器处理 后信号光进入通道，再经过环形器后开 始探测，探测过程需要计算机参与处理。 4.2 压力传感 在 EFPI 的基础上，现在已经有 了经过进一步改良的压力传感器。这种 传感器中的芯片玻璃上有经过精细腐蚀 形成的小浅坑，底部镀有反射膜，使用 键合技术在真空中封装构成。并且，通 过镀膜面和内表面够早了一个干涉仪， 可看做双光束类型，当光线穿过时，首 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 先接触玻璃底。采用激光热熔将芯片固 定在毛细管上，用于传输光线。这样， 封装就完成了。 为了提高压力的测量精度，采取 了结合低相干涉和 EFPI 的方式，构建 出低相干涉基础上的鞲邢低场 对系统性能的不同层次分析，可以将系 统分为传感部分、解调部分以及处理部 分。其中，解调部分来自于 1992 年 Dndliker 所提出结构的改进，即在系统 中，经过耦合器处理后 LED 灯光源发 出的光线抵达传感器，在其中形成感受， 再经过特定方法调制，之后从耦合器中 导出。 在这个过程中，光线依次经过起 偏器、光楔和检偏器，在经过光楔时光 线形成低相干条纹，此时一旦某一处的 光程差与传感器所设定的值匹配上了， 即复合后光程差为 0 时，则信号被耦合 部分接受，并送入信号处理部分。为了 适应航空航天领域中需要进行多处测量 的要求，同时也要注意尽量采用小型系 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 统，就对多路复用提出了更高的要求。 在阵列型 EFPI 系统的基础上，该设计 进行了进一步改进，实现了解调部分效 率的提升，并且使得不同的传感器使用 了同一个处理系统。根据通道类型的不 同，这种多通道 EFPI 可以大致分为两 类，即 LED 光源调制类型和光开关类 型。现在已有的 24 路 EFPI 系统，工作 扫描频率可达 12 千赫兹，测量精度为 纳米级，满量程负荷时精度仍然达到 0.3%。同时，由于采用了不同的波分复 用方法，不同的光源所对应的传感通道 也不相同，经过所有的干涉信号叠加之 后，就构成了混叠信号。此时需要通过 空间频域的频谱分离，再依次复原不同 通道的绝对相位，最后完成解调。通过 考察精度、处理速度等不同指标，现在 已经有了对于解调算法的许多研究成果。 4.3 声振动传感 由于声振动具有频率多样、变化 迅速的特点，其产生的压力非常小，一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 般仅为微帕至毫帕量级。因此，为了实 现传感，就要使用薄膜式传感器。其主 要原理为使用薄膜作为敏感元件，为了 提高传感器灵敏度，采用超薄聚合物作 为膜片，在经过预拉伸后将其固定。为 了满足不同的应用要求，要预先设置膜 片的谐振频率。膜片作为反射界面，构 成了微腔的一部分，可以形成双光束干 涉。 传感器主体使用 D 型毛细管，通 过准直结构实现对准。在声波压力下膜 片上产生形变，导致其与光纤端面的距 离变化，从而改变了入射光的相位，实 现传感。与声音信号频率较高而强度不 高的特征相适应，适合采用强度解调方 法。 4.4 航空大气压力实验 航空大气数据中，最为基本的参 考量就是大气压力。其中包括飞行高度、 静压、全压等参数。由于其他数据都需 要通过计算压力数据得出，因此，准确 测量大气压力，在导航和控制飞行器中 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 都有着至关重要的影响。一般来说， EFPI 压力传感是系统的核心组成，通 常同时配有高控制精度的压力控制部分 和温度控制设备等辅助结构，构成压力 测试系统。连接密封压力舱和控制设备 的一般是气管，而压力舱中配备传感器， 通过法兰与外界环境连接。 4.5 航天水升华器监测 热控中的一个重要组成就是航天 水升华器，其主要原理是利用了物质的 汽化中吸收的热量来实现环境中的温度 下降，主要应用场所为宇航服。正常工 作时，水升华器是周期式的，工作中不 断排出降温用的蒸汽。如果仪器出现故 障，就会产生喷冰。 目前，由于传感技术应用条件的 限制，而水升华器的工作环境为热真空， 还没有可以实现实时监测的有效手段。 但是通过将三种传感系统结合工作，联 合不同的参量进行传感，就可以实现对 于水升华器的实时监控。试验环境由模 拟器进行模拟，其中最低温度约零下两 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 百摄氏度，而所有传感器均能正常工作， 充分说明了其具有有效性。 试验中，通过监测，工作人员多 次观察到明显喷冰，同时，传感系统也 对应检测倒了故障现象，可以认为时间 点吻合，即实现了传感系统的应用。 5 结