资讯中心

数据共享

试验资源

信息资源

防护技术

光纤光栅传感技术在航空航天领域中的应用与发展

2018-08-29 15:15:24
作者:李婧怡1 朱振华2
来源:1天津大港油田第二中学 2武汉理工大学机电学院

随着科技的进步,近几年光纤传感技术得到了飞速的发展,并将光纤传感技术应用于航空航天领域的研究也有了快速稳定的发展。由于光纤光栅传感器因其自身诸多优点,非常适合在极端情况下对于飞行器结构各种参量的测量。本文首先分析航空航天领域内对于飞行器结构测量的实际需求,提出将光纤光栅传感技术应用于航空航天领域,其次介绍了光纤传感的原理,后分类讨论了将光纤光栅传感技术应用在不同的场景,最后对光纤传感技术在航空航天领域中的应用前景进行展望。

    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。


1.png

 

    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 n eff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∆λ B 之间存在如下的关系式

 

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

 

1.png

图 1 光纤光栅结构与传感原理图

 

2.png

图 2 智能复合材料补片用于蜂窝结构修理的示意图

 

    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、北京航空航天大学针对机身某处复合材料研制光纤传感器对复合材料结构固化过程进行监测,并对复合材料结构进行损伤识别。


    目前,针对无人机结构监测的应用需求背景,融合高空间分辨率、高灵敏度无人机应变及振动测试技术以及损伤实时评估技术,重点突破了光纤光栅传感器制作和増敏封装技术、光栅信号解调、处理和抗偏振衰落技术、光栅传感器阵列复用及串扰抑制技术、损伤演化分析技术、材质参数识别技术、损伤分析与有限元结构应力分析交互技术等关键技术,掌握了无人机结构多物理场集成测试与健康监测技术,为全机健康监测提供一种高效低成本的新方法。


    3.2 基于光纤光栅的直升机旋翼系统载荷测试方面

 

    直升机旋翼动部件载荷测试 , 是直升机研制生产过程中一个极其重要的环节 , 它将会直接影响直升机的飞行安全和使用寿命。旋翼系统为直升机的主要升力和操纵力来源,而旋翼系统中的桨叶在飞行过程中,由于气弹耦合的作用,始终处于交变载荷的工作状态。因此,为提高直升机安全性,有必要对作用在桨叶的交变载荷进行实时在线测量,并为桨叶的寿命估算积累数据。


    利用光纤光栅传感器测量直升机旋翼系统载荷,由于光纤光栅外形尺寸较细,单根光纤光栅可传输多通道信号,因此整体布线对结构的力学性能影响较小;同时光纤光栅具有电绝缘性好,抗电磁干扰能力强和灵敏度高等优点。因此可以推断,利用光纤光栅传感器测量直升机旋翼系统的应变,必将是未来的发展趋势。


    国外光纤光栅应变测试技术已较成熟,波音、空客和NASA 等航空航天公司和机构已成功应用。我国直升机旋翼载荷测试,有必要尽快研究和应用该技术。


    3.3 飞机结构损伤智能复合材料健康监测方面

 

    智能复合材料补片修理技术是一种具有嵌入式感受机构的修理技术,即通过将应变、压电或光纤等传感器嵌在复合材料补片内部的方式实现智能复合材料补片。该补片能够实现金属损伤结构补强修理的同时,可通过补片内置的传感器网络实时监控修理部位的健康状态(包括胶层的脱粘、补片体系的分层、修理质量和基体结构的遗留损伤状况等),并提供预警信号,确保修理结构安全。


    基于光纤传感器监控损伤的基本原理是在复合材料补片的胶层中埋入光纤或在复合材料预浸料中用若干根光纤代替碳纤维,智能复合材料补片完成结构修补后,由于热应力的影响,会在补片内部形成残余应力场,修理部位损伤的发展会引起补片内部残余应力场的改变,通过分析光纤传感器的测试信号,可以判断损伤的发展状况(见图 2)。


    在航空领域,作为保障复合材料可靠性、降低维护费用和提高飞机安全性的关键技术,基于光纤传感系统的结构健康监测技术被世界两大主要飞机制造公司(波音公司和空客公司)视为首要研究的技术之一。波音公司采用结构健康监测技术分别在 Delta 767 和 Boeing 7E7 上进行了湿度监测和结构微裂纹探测研究;Airbus 采用自研制压电监测系统对A340-600 上的结构疲劳裂纹进行了监测,监测效果明显,此系统获得了 2003 年度英国国家测试技术大奖。


    2010 年,美国国家宇航局 (National Aeronautics and SpaceAdministration, NASA) 在一种改进的扑食者 B 无人机飞行器(NASA'Ikhana) 翼表上,采用分布式光纤监测结构完整性,如图 3 所示。


    南京航空航天大学智能材料与结构健康监测研究所梁大开等以某型飞机机翼盒段为研究对象,构建了基于波分复用结构的分布式光纤 Bragg 光栅传感网络测量盒段试件应变监测系统,运用波长监测方法实现对盒段结构承受载荷情况的有效监测。


3.png

图 3 扑食者 B 无人机飞行器

 

    国内外的研究者们公认为光纤光栅传感器的优点使它最适合构成智能材料结构中分布式自诊断网络的传感器类型。将光纤埋入结构中,可连续监测结构内部待测参数的变化情况,可满足高精度、远距离、分布式和长期性的结构监测要求,因而较其他传感器更加适于对变体机翼内部多种物理参量进行测量。基于此技术,可以根据现多类飞机的主要结构形式、材料和损伤故障模式,引入采用复合材料智能补片修理飞机金属损伤结构及修理后的健康监测方法,确定结构修理部位损伤的组合传感与监测策略,即在智能补片内部嵌入 / 植入光纤传感器等,并提供实时监测信号,确保修理结构安全。


    四、 结束语

 

    本文以航空航天领域内对于各种航天器结构健康监测的重大需求为出发点,与传统的监测手段相比,具有尺寸小、重量轻、带宽宽、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强优点的光纤光栅传感技术可以得到广泛应用 , 并且适合于大面积分布式传感测量和长期监控 , 这在航空航天健康监测中尤为重要。其次对航空航天光纤传感技术应用于不同场景的研究现状进行分类总结。


    随着光纤光栅传感技术的发展,光纤光栅传感器在航空航天结构健康监测中将会发挥更大的作用。通过对航空航天复结构的健康状况如温度、应变、损伤、疲劳等长期在线、实时监测 , 可以预测结构内部的损伤及剩余寿命 , 从而可以从根本上消除隐患及避免许多灾难性意外事故的发生 , 大大减少突发事故对社会和人们的伤害。从发展趋势来看,大规模、高密度、高精度、多参量光纤传感系统是航空航天光纤传感技术的发展方向,目前所取得的研究成果与航空航天传感领域的复杂应用需求还存在较大的差距,仍需要在上述研究方向进行更深入的探索。


    参 考 文 献

 

    [1] 周亚光 . 光纤光栅传感技术应用综述 [C]// 航空装备维修技术及应用研讨会论文集 . 2015.

    [2] 吴军玲 . 光纤传感技术的应用进展 [J]. 甘肃科技纵横 , 2017, 46(7):7-10.

    [3] 刘铁根 , 王双 , 江俊峰 , 等 . 航空航天光纤传感技术研究进展 [J]. 仪器仪表学报 , 2014(8):1681-1692.

    [4] 杨波 , 彭俊毅 . 光纤光栅传感器在现代大型飞机中的应用探讨 [C]// 大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会 2007 年学术年会论文集 . 2007.

    [5] 于秀娟 , 余有龙 , 张敏 , 等 . 光纤光栅传感器在航空航天复合材料 / 结构健康监测中的应用 [J]. 激光杂志 , 2006, 27(1):1-3.

标签: 光纤传感, 健康监测, 旋翼载荷

腐蚀与防护网官方微信

官方微信

新闻 天天有料
分享到: