劉玥

【摘 要】由于光纖傳感器具備包括體積小質量輕抗干擾能力強等許多優(yōu)點，在航空航天的極端環(huán)境下，仍然能夠進行包括壓力和角速度等許多數(shù)據(jù)的測量。本文對光纖傳感技術目前在航空航天中的應用做了介紹，對于目前航空航天傳感器技術的發(fā)展和應用進行了介紹和總結同時討論了目前技術中仍然存在的難點，對航空航天光纖傳感技術的發(fā)展做了分析和預測，認為航空航天中的光纖傳感必然會走向高密度、大規(guī)模、高精度的發(fā)展方向。

【關鍵詞】航空航天 光纖 壓力 溫度

1 緒論

上世紀70年代以來，作為一種新型技術，光纖傳感逐步發(fā)展起來，其核心技術為通過對光纖中傳輸光的包括波長和相位等在內的參數(shù)進行調制，再對這些參數(shù)傳輸時的變化進行測量，計算出溫度、壓力等需要的數(shù)據(jù)。近年來，隨之技術的不斷發(fā)展，光纖傳感器的靈敏度高、體積小等優(yōu)勢讓它受到越來越多的關注。目前，傳感器研究中的一個熱點問題就是光纖傳感。

目前在光纖傳感領域，EF-PI傳感器、FBG傳感器以及FOG傳感器是應用最多且前景較為看好的三種，主要應用領域包括電力能源、航天、石油化工等。隨著飛行器技術的不斷更新，航空航天事業(yè)也不斷發(fā)展，隨之而來的是越來越極端的太空環(huán)境，也就是說，傳感器的應用環(huán)境越來越復雜，這就使得傳感器技術面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的電子機電技術已經(jīng)不足以滿足實際要求了。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感的優(yōu)勢日益凸現(xiàn)出來，并且作為航空航天領域的一項關鍵技術，光纖傳感不僅有著重要的學術價值，還有著難以估計的應用價值。

2 航空航天中的EFPI技術

EFPI傳感器誕生于1991年，由Murphy 等人研制成功。其核心原理為根據(jù)基于法珀腔長度進行傳感，通過信號的不同變化計算出外界參量的變化情況，從而實現(xiàn)對不同參數(shù)的傳感。誕生一年后就有了在F-15戰(zhàn)斗機上對EFPI傳感器的疲勞測試。此后，在1994年Greene等人用六只EFPI傳感器組成陣列，在飛機副翼上進行測試，模擬了實際飛行器的機動應力。此時傳感器的測量結果精度已經(jīng)初步讓人滿意。[1]

至1996年，Bhatia等人在已有EFPI傳感器的基礎上，利用白光低相相干干涉實現(xiàn)對測量參數(shù)的實時自校準。同時，他們在美國空軍基地進行了有關航空器測量。2002年，Pulliam等人研究了在高速燃燒室和發(fā)動機中EFPI傳感器的應用。2003年，Luna Innovations公司在波音公司出產(chǎn)的飛機健康監(jiān)測中使用了EFPI傳感器，主要用于壓力和溫度兩個參量。這一項應用確定了該系統(tǒng)的原理和工作流程等。2004年，Richards等人研究了在航天復合材料中FEPI傳感器的特性，確定了其內嵌時應變的測量范圍和精度。同時，國內重慶大學的一些專家學者也對于光纖傳感的復用和解調技術做了有關研究，于2005年同國內其他學者一起開展了EFPI的智能加層技術試驗。根據(jù)實驗結果，EFPI傳感器的腔長與應變有一定的線性相關，說明智能加層具有得到應用的可能性。2009年，國內西北工業(yè)大學的學者在測量飛機發(fā)動機的裂紋時應用了EFPI，主要判斷依據(jù)為返回的傳輸信號。2010年，NASA開始了光纖壓力傳感器研發(fā)的資助項目，并且開始將其應用在氣流壓力的測量中。[2]

3 航空航天中的FBG技術

世界上第一根光纖光柵誕生于1978年，主要原理為光纖的光敏效應。此后，Meltz等人在此基礎上加入了紫外線側面寫入，帶來了光纖光柵制作的一個里程碑，成功研制出第一只可以適用于通信的FBG。

FBG傳感器所使用的柵格周期一般為539nm左右，為均勻周期光纖光柵。起主要傳感原理為通過FBG反射回入射光中的符合匹配條件的單色光，經(jīng)過待測參量的調制后反射波長變化。因此，通過測量波長，就可以對待測物理量進行傳感。

現(xiàn)在，航空航天領域中，對于FBG的研究主要關注了溫度測量和飛行器結構檢測。2002年Betz等人在客機的結構監(jiān)測中使用了FBG傳感器，載荷標定成功完成。20005年，有關學者提出了使用FBG構建網(wǎng)絡對老齡飛行器進行結構傳感，經(jīng)過大量實驗，F(xiàn)BG對于補丁的退化傳感可行性被證明。2006年，武漢理工大學的學者提出了一種FBG傳感器，并對其在封裝和不封裝的條件下的工作特性做出了分別研究，得出了在允許溫度范圍內兩者的靈敏系數(shù)。2008年，Takeya 等人構造了一種網(wǎng)絡結構，在其中使用FBG傳感器進行飛行器的結構監(jiān)測，該網(wǎng)絡可靠性較高，在其中主要使用了翼尖夾具和監(jiān)測系統(tǒng)。同年，又有用于健康監(jiān)測和火情探測的FBG傳感器被研發(fā)出來，專家同年完成了在原型機上的系統(tǒng)性能測試試驗。2009 年，針對典型的飛機復合材料結構，南京航空航天大學的學者開展了FBG應用與健康監(jiān)測的研究。2010年，Kosters等人在完成對于FBG傳感器的高速解調技術研究后，實現(xiàn)了飛行器的沖擊損傷監(jiān)測與定位功能。2011年，國內學者進一步發(fā)展了FBG測量應變技術，研究了在可變翼體關鍵位置的監(jiān)測。

同時，航天領域的FBG光纖技術也有了很大的進展。2001年，能夠用于X-38宇宙飛船結構監(jiān)測的FBG傳感網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)，其主體由12個FBG傳感器構成。2004年，Ogisu等人根據(jù)新一代航天器的材料特征，使用壓電陶瓷FBG設計了一套監(jiān)測系統(tǒng)，用于針對其復合材料進行結構監(jiān)測。2006年出現(xiàn)了FBG傳感器組合在液氫罐的應力測量實驗；2008年出現(xiàn)了在近地球軌道中FBG傳感應用的測量；2010年Kim 等人在模擬空間環(huán)境中試驗了FBG應用的可行性；2012年日本的專家制作了傳感器，其中FBG被當做應變量，通過實驗，F(xiàn)BG應用于航天結構的監(jiān)測可行性被證實。

4 國內技術領域現(xiàn)狀

4.1 溫度、應變傳感

FBG傳感器能夠作為敏感元件，在溫度和應變系統(tǒng)中工作，其中FBG的作用是通過反射波長反映出環(huán)境中的變化量?？梢?，如果同時存在溫度和應變，F(xiàn)BG的波長就會出現(xiàn)漂移，也就是通常所說的交叉敏感。為了解決這個問題，就必須實現(xiàn)對在熱真空環(huán)境中工作FBG的封裝。對此，技術人員設計了許多封裝傳感器并投入制作，并且采用了溫度補償算法進行修正，改良了參量傳感。為滿足航空航天傳感應用多點測量的實際需求，學者們重點研究了多路復用，現(xiàn)在已經(jīng)成功研制了8路并行系統(tǒng)。這個系統(tǒng)中應用了可調諧技術，可以分為數(shù)據(jù)處理、傳感校正和光源產(chǎn)生三個部分。其中，光源產(chǎn)生的光經(jīng)過濾波器進行處理后，大部分進入檢測通道作為信號。僅有1%作為參考標準，在通過標準具后被探測器收集。由分光器處理后信號光進入通道，再經(jīng)過環(huán)形器后開始探測，探測過程需要計算機參與處理。

4.2 壓力傳感

在EFPI的基礎上，現(xiàn)在已經(jīng)有了經(jīng)過進一步改良的壓力傳感器。這種傳感器中的芯片玻璃上有經(jīng)過精細腐蝕形成的小淺坑，底部鍍有反射膜，使用鍵合技術在真空中封裝構成。并且，通過鍍膜面和內表面夠早了一個干涉儀，可看做雙光束類型，當光線穿過時，首先接觸玻璃底。采用激光熱熔將芯片固定在毛細管上，用于傳輸光線。這樣，封裝就完成了。

為了提高壓力的測量精度，采取了結合低相干涉和EFPI的方式，構建出低相干涉基礎上的傳感系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)性能的不同層次分析，可以將系統(tǒng)分為傳感部分、解調部分以及處理部分。其中，解調部分來自于1992年Dndliker所提出結構的改進，即在系統(tǒng)中，經(jīng)過耦合器處理后LED燈光源發(fā)出的光線抵達傳感器，在其中形成感受，再經(jīng)過特定方法調制，之后從耦合器中導出。

在這個過程中，光線依次經(jīng)過起偏器、光楔和檢偏器，在經(jīng)過光楔時光線形成低相干條紋，此時一旦某一處的光程差與傳感器所設定的值匹配上了，即復合后光程差為0時，則信號被耦合部分接受，并送入信號處理部分。為了適應航空航天領域中需要進行多處測量的要求，同時也要注意盡量采用小型系統(tǒng)，就對多路復用提出了更高的要求。在陣列型EFPI系統(tǒng)的基礎上，該設計進行了進一步改進，實現(xiàn)了解調部分效率的提升，并且使得不同的傳感器使用了同一個處理系統(tǒng)。根據(jù)通道類型的不同，這種多通道EFPI可以大致分為兩類，即LED光源調制類型和光開關類型?，F(xiàn)在已有的24路EFPI系統(tǒng)，工作掃描頻率可達12千赫茲，測量精度為納米級，滿量程負荷時精度仍然達到0.3%。同時，由于采用了不同的波分復用方法，不同的光源所對應的傳感通道也不相同，經(jīng)過所有的干涉信號疊加之后，就構成了混疊信號。此時需要通過空間頻域的頻譜分離，再依次復原不同通道的絕對相位，最后完成解調。通過考察精度、處理速度等不同指標，現(xiàn)在已經(jīng)有了對于解調算法的許多研究成果。

4.3 聲振動傳感

由于聲振動具有頻率多樣、變化迅速的特點，其產(chǎn)生的壓力非常小，一般僅為微帕至毫帕量級。因此，為了實現(xiàn)傳感，就要使用薄膜式傳感器。其主要原理為使用薄膜作為敏感元件，為了提高傳感器靈敏度，采用超薄聚合物作為膜片，在經(jīng)過預拉伸后將其固定。為了滿足不同的應用要求，要預先設置膜片的諧振頻率。膜片作為反射界面，構成了微腔的一部分，可以形成雙光束干涉。

傳感器主體使用D型毛細管，通過準直結構實現(xiàn)對準。在聲波壓力下膜片上產(chǎn)生形變，導致其與光纖端面的距離變化，從而改變了入射光的相位，實現(xiàn)傳感。與聲音信號頻率較高而強度不高的特征相適應，適合采用強度解調方法。

4.4 航空大氣壓力實驗

航空大氣數(shù)據(jù)中，最為基本的參考量就是大氣壓力。其中包括飛行高度、靜壓、全壓等參數(shù)。由于其他數(shù)據(jù)都需要通過計算壓力數(shù)據(jù)得出，因此，準確測量大氣壓力，在導航和控制飛行器中都有著至關重要的影響。一般來說，EFPI壓力傳感是系統(tǒng)的核心組成，通常同時配有高控制精度的壓力控制部分和溫度控制設備等輔助結構，構成壓力測試系統(tǒng)。連接密封壓力艙和控制設備的一般是氣管，而壓力艙中配備傳感器，通過法蘭與外界環(huán)境連接。

4.5 航天水升華器監(jiān)測

熱控中的一個重要組成就是航天水升華器，其主要原理是利用了物質的汽化中吸收的熱量來實現(xiàn)環(huán)境中的溫度下降，主要應用場所為宇航服。正常工作時，水升華器是周期式的，工作中不斷排出降溫用的蒸汽。如果儀器出現(xiàn)故障，就會產(chǎn)生噴冰。

目前，由于傳感技術應用條件的限制，而水升華器的工作環(huán)境為熱真空，還沒有可以實現(xiàn)實時監(jiān)測的有效手段。但是通過將三種傳感系統(tǒng)結合工作，聯(lián)合不同的參量進行傳感，就可以實現(xiàn)對于水升華器的實時監(jiān)控。試驗環(huán)境由模擬器進行模擬，其中最低溫度約零下兩百攝氏度，而所有傳感器均能正常工作，充分說明了其具有有效性。

試驗中，通過監(jiān)測，工作人員多次觀察到明顯噴冰，同時，傳感系統(tǒng)也對應檢測倒了故障現(xiàn)象，可以認為時間點吻合，即實現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的應用。

5 結語

本文對于目前航空航天傳感器技術的發(fā)展和應用進行了介紹和總結?，F(xiàn)在，在航空航天光纖傳感領域已經(jīng)有了許多研究成果。同時，針對航空航天的極端環(huán)境，國內外的專家和學者在特性分析、系統(tǒng)構建等方面展開了針對性的研究，已經(jīng)取得了很大進展。但是在嚴酷的環(huán)境中，有關技術仍然面臨著很大挑戰(zhàn)。

總而言之，可以預測航空航天中的光纖傳感必然會走向高密度、大規(guī)模、高精度的發(fā)展方向。現(xiàn)在，已有的研究成果仍然不足以滿足所需求的復雜應用，因此還需要更多更深入的研究和探索。

參考文獻：

[1]JIANG J，LIU T，ZHANG Y，et al.Parallel demodu-lation system and signal-processing method for extrinsicFabry-Perot interferometer and fiber Bragg grating sen-sors[J].Optics Letters，2005，30（6）：604 -606.

[2]HE Q，WANG X.Time-frequency manifold for demodu-lation with application to gearbox fault detection[C].2012 IEEE 2012 Prognostics and System Health Manage-ment Conference （PHM 2012），Beijing，China，2012：1-6.