王文娟 薛景鋒 張夢(mèng)杰

摘要：由于波分復(fù)用可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量特點(diǎn)，光纖傳感被期望用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。飛機(jī)對(duì)重量（質(zhì)量）極為敏感，光纖傳感的應(yīng)用可以極大程度上減少測(cè)量導(dǎo)線而達(dá)到減重的目的。同時(shí)，光纖傳感還具有抗電磁干擾、耐高溫、抗疲勞、抗環(huán)境腐蝕的顯著優(yōu)勢(shì)。隨著智能飛機(jī)結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，要求光纖傳感更密集、更快、更小型?；陲w行測(cè)試和相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)當(dāng)前研究進(jìn)展進(jìn)行回顧，并對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：光纖傳感；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；飛機(jī)；應(yīng)用；展望

中圖分類號(hào)：V219文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.013

結(jié)構(gòu)維修占飛機(jī)維修60%以上的時(shí)間，結(jié)構(gòu)壽命也決定了飛機(jī)的壽命，而且結(jié)構(gòu)損傷呈現(xiàn)分布式、偶發(fā)性和難監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為飛機(jī)預(yù)測(cè)與健康管理的重要方面[1]。美國(guó)和歐盟持續(xù)發(fā)展了飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，F(xiàn)-35飛機(jī)發(fā)展了預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）系統(tǒng)，更引起國(guó)際上對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)注和重視[2]。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可以分為整機(jī)疲勞壽命監(jiān)測(cè)和關(guān)鍵部位損傷監(jiān)測(cè)兩部分。整機(jī)疲勞壽命監(jiān)測(cè)將載荷監(jiān)控與疲勞壽命分析結(jié)合以實(shí)現(xiàn)疲勞壽命監(jiān)控，掌握每一架飛機(jī)的實(shí)際使用情況，有利于控制剩余壽命，提高飛機(jī)在飛行中的安全性；關(guān)鍵結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)通過監(jiān)測(cè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位應(yīng)力或損傷參數(shù)，與正常指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，從而判斷出飛機(jī)重要結(jié)構(gòu)的受損程度以及損傷的具體位置[3]。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)主要通過應(yīng)變、載荷和振動(dòng)等信息反映。由于飛機(jī)的高機(jī)動(dòng)性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及環(huán)境嚴(yán)酷性，需進(jìn)行多點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，使用傳統(tǒng)應(yīng)變片的方法已很難滿足需要，主要原因是引線多、增重多、壽命不能與機(jī)體同壽，亟須研究采用新的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)。光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)作為一種新興的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)靈巧、布線簡(jiǎn)潔、高效、長(zhǎng)壽命、抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等尖端裝備領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。為適應(yīng)航空航天裝備關(guān)鍵部位高精度測(cè)試、大型結(jié)構(gòu)件上千點(diǎn)測(cè)試的特殊需求，使得高精度光纖光柵和弱反射分布式光纖光柵傳感技術(shù)成為武器裝備結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)管理的核心與關(guān)鍵。

1光纖傳感系統(tǒng)

1.1光纖光柵原理和特點(diǎn)

光纖光柵應(yīng)變測(cè)量原理如圖1所示，寬帶光入射光纖光柵串，每經(jīng)過一個(gè)光纖光柵，就反射回與其中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的窄帶光，而光纖光柵的中心波長(zhǎng)隨其應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生偏移，通過對(duì)回光波長(zhǎng)的檢測(cè)來獲得對(duì)應(yīng)光纖光柵測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化。光纖光柵串由一系列不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵組成，采用波分復(fù)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高效的應(yīng)變測(cè)量[4]。

光纖光柵傳感因具有精度高、波分復(fù)用、抗電磁干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、可靠性高、耐腐蝕、體積小、重量輕，易埋于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，已成為滿足結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需要、極具發(fā)展前途的應(yīng)變載荷測(cè)量技術(shù)。

1.2弱反射光纖光柵原理和特點(diǎn)

弱反射光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的原理如圖2所示，當(dāng)信號(hào)光入射到達(dá)弱反射光纖布拉格光柵時(shí)，與光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)一致的很小一部分信號(hào)光被光纖光柵反射回來，剩余的大部分光信號(hào)繼續(xù)向前傳輸直到下一個(gè)弱反射光纖布拉格光柵，繼續(xù)發(fā)生同樣的作用，接著繼續(xù)如此進(jìn)行下去，直到序列中的最后一個(gè)光纖布拉格光柵。最后只需要分析探測(cè)系統(tǒng)接收到的光柵中心波長(zhǎng)的變化情況，就可以實(shí)現(xiàn)陣列中每個(gè)光柵的傳感功能[5]。

弱反射分布式光纖光柵可以在一個(gè)長(zhǎng)距離光纖內(nèi)以毫米間隔刻制光柵，光柵的反射系數(shù)小于0.1%，一次測(cè)量即可以獲得待測(cè)光纖所有位置處的溫度/應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)光纖的快速巡檢。具有多測(cè)點(diǎn)、高空間分辨率、無盲區(qū)連續(xù)分布式測(cè)量的能力，可實(shí)現(xiàn)成千上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)空間連續(xù)特性測(cè)量。適用于飛機(jī)機(jī)體等大型結(jié)構(gòu)的變形、載荷分布的測(cè)試需求。

2航空需求

智能化、自感知、安全經(jīng)濟(jì)已成為新一代飛機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。飛機(jī)預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)是提高飛機(jī)可靠性、測(cè)試性、保障性和維修性的關(guān)鍵技術(shù)；由于武器裝備的高機(jī)動(dòng)性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及環(huán)境嚴(yán)酷性，使用傳統(tǒng)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)已很難滿足對(duì)結(jié)構(gòu)綜合健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，尤其在服役環(huán)境下的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。飛機(jī)在結(jié)構(gòu)方面，由于減重的要求更為迫切，使復(fù)合材料的使用量在不斷增加，一方面復(fù)合材料使用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)金屬材料更為欠缺，另一方面復(fù)合材料失效具有更隱蔽的特點(diǎn)，因此復(fù)合材料的監(jiān)測(cè)技術(shù)成為結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。由于缺少長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)應(yīng)變載荷監(jiān)測(cè)手段，目前采用基于臨時(shí)應(yīng)變飛參數(shù)據(jù)的載荷方程方法，設(shè)計(jì)部門最希望直接獲得關(guān)鍵部位的應(yīng)變載荷，用于結(jié)構(gòu)壽命與安全評(píng)估，對(duì)于復(fù)合材料，飛機(jī)設(shè)計(jì)人員更為關(guān)心飛行過程的動(dòng)載荷以及飛機(jī)著陸后的偶發(fā)沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，有幾個(gè)關(guān)鍵因素：系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)參數(shù)高度集成、重量輕、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠、傳感器要與機(jī)體同壽。我國(guó)在20世紀(jì)90年代就已提出對(duì)飛機(jī)開展實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的思想，為何到今天尚未實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵原因是沒有找到適合的傳感器，由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)是連續(xù)分布的，進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控僅應(yīng)變參量全機(jī)就需要幾百個(gè)測(cè)點(diǎn)，如果采用傳統(tǒng)應(yīng)變片就需要上千條導(dǎo)線，僅導(dǎo)線和航插的重量就達(dá)幾十千克，基本不具備可實(shí)現(xiàn)性，加之電阻應(yīng)變片易受電磁干擾影響、焊點(diǎn)易斷等原因，一直未被作為長(zhǎng)期裝機(jī)實(shí)施結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)的手段。因此，傳感器是制約結(jié)構(gòu)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高模量、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計(jì)制造一體化、易于制造整體化大型構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，其用量已成為航空器先進(jìn)性的重要技術(shù)指標(biāo)之一。隨著其應(yīng)用的廣泛性和重要性，也面臨一些較為棘手的問題，首先大型復(fù)合材料制造過程中工藝參數(shù)復(fù)雜，難以保證參數(shù)均勻性，導(dǎo)致一些部件存在較高的廢品率，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；其次復(fù)合材料基于本身各向異性的特點(diǎn)，在服役過程中受到外部載荷尤其是沖擊載荷作用下，內(nèi)部易產(chǎn)生分層、脫黏等損傷而表面往往難以察覺，存在嚴(yán)重安全隱患，目前周期性的全尺寸無損檢查耗時(shí)耗力，且無法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的；在維修方面，對(duì)復(fù)合材料部件的使用壽命預(yù)估和維修策略研究甚少，導(dǎo)致使用相當(dāng)保守，亟須一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的手段對(duì)其制造、服役、維修階段進(jìn)行監(jiān)控[6]。

分布式光纖傳感系統(tǒng)是同時(shí)利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)，利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長(zhǎng)度方向連續(xù)的傳感被測(cè)量（如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等），包括基于后向瑞利散射、拉曼效應(yīng)、布里淵效應(yīng)等多種不同原理的系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)在于可在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)地進(jìn)行傳感，傳感部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，同時(shí)信息獲取成本大大降低，性價(jià)比高。采用分布式傳感器不需要對(duì)光纖進(jìn)行刻蝕，在全程范圍內(nèi)具有感知功能，隨著空間分辨率和采樣速率的提升，在結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測(cè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

光纖傳感器是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最有潛力的傳感器，具有質(zhì)量輕、尺寸?。愃祁^發(fā)絲）、長(zhǎng)壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，可安裝或內(nèi)埋于材料結(jié)構(gòu)中，與復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)完美匹配。分布式光纖側(cè)重連續(xù)應(yīng)變場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，光纖光柵側(cè)重對(duì)復(fù)雜部件關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，兩者互補(bǔ)。

3應(yīng)用研究進(jìn)展

美國(guó)軍方在三代機(jī)F-18以及四代機(jī)F-22、F-35中，在機(jī)身、機(jī)翼等重要部位安裝光纖光柵傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變、溫度等參量的測(cè)量，光纖光柵成為PHM的重要組成部分。波音、空客的新一代軍用運(yùn)輸機(jī)、民用客機(jī)中也研究使用大量的光纖光柵傳感器進(jìn)行飛機(jī)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以降低檢查維護(hù)成本，提高飛機(jī)使用安全性。X-33研制了包含光纖傳感器的VHM系統(tǒng)，在F-18上進(jìn)行領(lǐng)先驗(yàn)證的傳感網(wǎng)絡(luò)布局情況，采用光纖光柵傳感，如圖3所示。隨后，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）將該VHM系統(tǒng)在X-33上進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，以多點(diǎn)應(yīng)變和溫度測(cè)量的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)[7]，如圖4所示。

美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-35中配備了PHM系統(tǒng)，其重點(diǎn)是利用對(duì)先進(jìn)傳感器的集成應(yīng)用，并借助各種算法和智能模型來預(yù)測(cè)、診斷、監(jiān)控和管理飛機(jī)的狀態(tài)，在起落架結(jié)構(gòu)疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就采用了先進(jìn)的光纖應(yīng)變傳感器[8]。

2008年，NASA利用光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)對(duì)Ikhana無人機(jī)機(jī)翼形狀進(jìn)行了測(cè)試，每個(gè)機(jī)翼布置了1440個(gè)傳感器，如圖5所示。研究人員能夠在無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)翼的應(yīng)變分布及二維形變。這是實(shí)現(xiàn)亞聲速固定翼飛機(jī)姿態(tài)控制的第一步，并且同時(shí)為機(jī)翼結(jié)構(gòu)及負(fù)載能力監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)有效的方法[9]。

德國(guó)宇航公司（DASA）飛機(jī)測(cè)試中心將光纖光柵傳感器安裝于新研制的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFPR）機(jī)翼表面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)翼疲勞特性的監(jiān)測(cè)?？湛凸纠肍BG傳感器在A340-600試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估[10]。

瑞典光學(xué)研究院與瑞典國(guó)防研究院（FOI）正在進(jìn)行一項(xiàng)名為“Smart”的國(guó)家計(jì)劃，旨在將光纖光柵傳感器開發(fā)用于監(jiān)視戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的時(shí)分復(fù)用應(yīng)變和溫度測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)也準(zhǔn)備開發(fā)基于先進(jìn)載荷監(jiān)視和損傷探測(cè)技術(shù)的實(shí)時(shí)健康和操作監(jiān)視系統(tǒng)[11]。

歐盟第六框架計(jì)劃支持的項(xiàng)目SMIST（structural monitoring with advanced integrated sensor technologies）反映了空客發(fā)展SHM技術(shù)的研究計(jì)劃和路線圖。SMIST目的是將先進(jìn)傳感系統(tǒng)集成于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，以降低維護(hù)成本、減輕重量、提高飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)能力。

歐盟第七框架協(xié)議：靈巧智能飛機(jī)結(jié)構(gòu)SARISTU（smart intelligent aircraft structures）項(xiàng)目中已將光纖光柵傳感器作為飛機(jī)機(jī)翼變形測(cè)量的手段，用于變彎?rùn)C(jī)翼控制和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控。圖6為在變彎度機(jī)翼后緣上安裝的光纖傳感器梁和光纖帶狀傳感帶[12]。

國(guó)內(nèi)方面，相關(guān)高校和科研院所緊隨國(guó)際研究前沿開展了相關(guān)研究工作。針對(duì)某型飛機(jī)機(jī)翼盒段，構(gòu)建了基于波分復(fù)用結(jié)構(gòu)的分布式傳感網(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)研究表明，傳感器的波長(zhǎng)偏移與載荷呈線性關(guān)系，傳感器的最大載荷監(jiān)測(cè)靈敏度達(dá)3.09pm/N[13]?；谌鹄诚蛏⑸涞男滦头植际絺鞲衅鞯难芯繎?yīng)用光纖傳感器對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化過程進(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，開展了復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等研究[14]。

針對(duì)航空領(lǐng)域光纖傳感技術(shù)開展研究，開展光纖傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、校準(zhǔn)和航空應(yīng)用研究。主要針對(duì)光纖光柵結(jié)構(gòu)應(yīng)變—載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等方面開展相關(guān)研究工作。在傳感器安裝、傳輸布局、解調(diào)儀表熱設(shè)計(jì)和抗振性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性和耐久性試驗(yàn)等方面取得良好進(jìn)展，同時(shí)在飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)變和沖擊損傷的監(jiān)測(cè)方面，積極開展了光纖光柵在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的安裝及埋植研究，經(jīng)元件級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證，將光纖光柵傳感器安裝在某型飛機(jī)綜合油箱試驗(yàn)盒段，并參加了相關(guān)靜強(qiáng)度試驗(yàn)，應(yīng)變測(cè)試準(zhǔn)確性高。

在復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)方面，針對(duì)某型飛機(jī)的復(fù)合材料PHM技術(shù)攻關(guān)，目的是利用埋入的光纖傳感器對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)變和損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6]。要求光纖埋入復(fù)合材料內(nèi)部或采用玻璃布方式埋入復(fù)合材料表面，既能很好地感知復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)變，又要確保光纖的埋入對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響在可接受范圍內(nèi)。開展了光纖光柵內(nèi)埋碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)研究，包含對(duì)光纖和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相容性、工藝性、光纖對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響、光纖對(duì)復(fù)合材料拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能的影響等。并在某型飛機(jī)1：1油箱盒段和復(fù)合材料機(jī)翼表面成功埋入幾十個(gè)光纖光柵，還在1：1油箱靜力試驗(yàn)中成功監(jiān)測(cè)到應(yīng)變和損傷異常點(diǎn)，如圖7所示。

2012年7月，開展了光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某型飛機(jī)的空中飛行驗(yàn)證，如圖8所示。一方面驗(yàn)證光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在飛機(jī)飛行環(huán)境下的適應(yīng)能力，另一方面驗(yàn)證光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)滑行、中低空飛行、高空飛行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)能力。先后完成了光纖光柵應(yīng)變、溫度傳感器的封裝與保護(hù)設(shè)計(jì)、鏈路布局設(shè)計(jì)、解調(diào)儀表軟件設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化、儀表安裝工裝加工、試飛現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理等多項(xiàng)工作。試飛結(jié)果表明，光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可適應(yīng)殲擊機(jī)機(jī)上環(huán)境，在地面試驗(yàn)、滑行、中低空、高空和大表速下，光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作正常穩(wěn)定，對(duì)機(jī)上設(shè)備無影響；該系統(tǒng)在飛行環(huán)境下可有效獲取飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度信號(hào)，與電阻應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)上環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，抗電磁干擾性能優(yōu)越，波分復(fù)用，結(jié)構(gòu)靈巧，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2017年，針對(duì)某型飛機(jī)油箱內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展，利用光纖光柵系統(tǒng)對(duì)其開展了在線損傷監(jiān)測(cè)。開展了光纖光柵裂紋傳感器設(shè)計(jì)及封裝、解調(diào)系統(tǒng)研發(fā)、飛機(jī)改裝、現(xiàn)場(chǎng)安裝與測(cè)試、數(shù)據(jù)處理等研究，圖9為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的有限元分析、應(yīng)變飛參對(duì)比圖、多次起落的應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比圖，可以看出，光纖在機(jī)上環(huán)境的應(yīng)變及損傷測(cè)試的有效性以及良好的重復(fù)性。

4未來展望

光纖光柵成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM及強(qiáng)度試驗(yàn)中所需應(yīng)變、載荷等的測(cè)量手段，已是毋庸置疑的趨勢(shì)。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)研究的持續(xù)性、深入性、系統(tǒng)性和工程性還需加強(qiáng)，在裝備技術(shù)發(fā)生深刻變化的今天，走結(jié)構(gòu)智能化道路，就像“骨骼肌肉需要神經(jīng)”一樣，不容質(zhì)疑，而研究者的責(zé)任是要能夠使光纖傳感器像神經(jīng)一樣，具備融合于結(jié)構(gòu)的能力，通過扎扎實(shí)實(shí)的工程化過程，光纖傳感器將放射出應(yīng)有的光芒。根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，梳理出一些光纖傳感器走向飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)工程化的若干問題供討論。

（1）光纖傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的安裝及引線

由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，解決安裝及引線問題是走向飛機(jī)工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料體系包括鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等，為實(shí)現(xiàn)更有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，光纖光柵傳感器應(yīng)考慮與被測(cè)結(jié)構(gòu)的材料相容性、安裝可靠性、應(yīng)變傳遞率等因素，需要選取不同的安裝方式。針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)，一般采用膠黏或焊接的方式，重點(diǎn)需解連接方式的準(zhǔn)確定、穩(wěn)定性和耐久性等問題；復(fù)合材料一般采用表貼或內(nèi)埋方式，飛機(jī)改裝一般采用表貼方式，而內(nèi)埋可用于復(fù)合材料生產(chǎn)過程中，與復(fù)合材料形成一體化結(jié)構(gòu)，可解決復(fù)合材料低速?zèng)_擊載荷帶來的內(nèi)部損傷監(jiān)測(cè)難題，技術(shù)難點(diǎn)為光纖的引線及出入口保護(hù)，尤其要考慮對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料部件的切割和裝配過程的影響，以及光纖傳感系統(tǒng)的可靠性和耐久性。為了更專業(yè)解決安裝問題，需要研究專用工裝、不同層級(jí)的驗(yàn)證試驗(yàn)和數(shù)字仿真模型。

（2）光纖傳感器數(shù)據(jù)的拓展

光纖傳感器可由波長(zhǎng)測(cè)量得到分散點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)量，如何通過所測(cè)應(yīng)變值實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)載荷、變形、振動(dòng)等參量的測(cè)量，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)關(guān)鍵所在。首先需要對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)開展理論計(jì)算，并根據(jù)所需數(shù)據(jù)要求進(jìn)行光纖傳感器的封裝和安裝設(shè)計(jì)，通過特征值的提取和推衍算法（如載荷反演算法、曲率重構(gòu)算法等）實(shí)現(xiàn)所需參量的測(cè)量，讓光纖傳感器提供更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

（3）光纖解調(diào)系統(tǒng)的小型化高速

光纖光柵在走向飛機(jī)應(yīng)用的過程中，首先要解決系統(tǒng)小型化問題。采用窄線寬掃描激光器是最有前景的研究方向之一，需要研制重量輕、可靠性高、適應(yīng)機(jī)載環(huán)境的解調(diào)器；為解決飛機(jī)振動(dòng)沖擊的測(cè)量問題，以及振動(dòng)沖擊數(shù)據(jù)的記錄，需要提高解調(diào)儀表的速率。

（4）信息融合

飛機(jī)結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)中包含各種傳感器，需要開展光纖傳感器與其他傳感器的融合分析。作為應(yīng)變傳感器，要研究如何建立與飛參數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建基于飛參加速度的應(yīng)變載荷方程；其次與裂紋傳感器關(guān)聯(lián)，構(gòu)建應(yīng)變累積與裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的關(guān)系。

（5）數(shù)據(jù)在線處理、壓縮、傳輸與大數(shù)據(jù)分析

新的監(jiān)測(cè)手段與原有監(jiān)測(cè)管理體系存在矛盾?，F(xiàn)有飛機(jī)上的傳感系統(tǒng)工程應(yīng)用限于原有標(biāo)準(zhǔn)，也影響了對(duì)新技術(shù)的使用?；诖髷?shù)據(jù)和非傳統(tǒng)模型的綜合判斷是實(shí)現(xiàn)未來在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵問題。每次飛行監(jiān)測(cè)點(diǎn)如果比較多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可達(dá)上百G，離線分析對(duì)于飛機(jī)維護(hù)響應(yīng)太慢，不能很好滿足在線監(jiān)測(cè)要求，必須要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線識(shí)別與處理，物理建模與大數(shù)據(jù)分析是解決智能運(yùn)維支持的關(guān)鍵問題。綜合建模分析、多維度數(shù)據(jù)融合處理以及在線快速響應(yīng)算法，均是未來亟須發(fā)展的技術(shù)。

（6）光纖傳感器系統(tǒng)的計(jì)量

準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)是開展結(jié)構(gòu)PHM的前提，首先需要研究光纖傳感系統(tǒng)的計(jì)量問題，特別針對(duì)應(yīng)變傳感器安裝前后的校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償，要控制光纖光柵應(yīng)變傳感器在安裝之后的測(cè)量偏差；其次需研究?jī)x表的計(jì)量問題，傳感器安裝在結(jié)構(gòu)上之后無法拆卸下來，就要對(duì)解調(diào)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，需要研制便攜式校準(zhǔn)器，解決光纖解調(diào)儀表的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題。

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作者簡(jiǎn)介

王文娟（1985-）女，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制、復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)、光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用等。

Tel：010-84936248E-mail：wangwenjuan@cae.ac.cn

薛景鋒（1973-）男，博士，研究員。主要研究方向：光纖傳感器、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智能結(jié)構(gòu)等。

Tel：010-84936599E-mail：xuejingfeng@cae.ac.cn

Application Progress and Prospect of Optical Fiber Sensor in Aircraft Structural Health Monitoring

Wang Wenjuan，Xue Jingfeng*，Zhang Mengjie

Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100012，China

Abstract： Optical fiber sensing has wide application prospects in real-time monitoring of aircraft structures due to its wavelength division multiplexing. Since the aircraft is very sensitive to the weight， the use of optical fiber sensors can greatly reduce the number of leads， thereby greatly reducing the weight of the test system. At the same time， optical fiber sensing also has the advantages of anti-electromagnetic interference， high temperature resistance， anti-fatigue and environmental corrosion， which can improve the environmental adaptability and reliability of the test system. With the advancement of the concept of smart aircraft， optical fiber sensing is developing in a more dense， fast， and miniaturized direction， making fiber-optic sensing more urgently needed. Based on leading flight test and other research experiences， this paper summarizes the current research and provides prospects and ideas for future development.

Key Words： optical fiber sensing； structural health monitoring； aircraft； application； prospect