李鐵 夏智勇 陳智豐 黃小春

摘? ?要：光纖傳感器作為火箭低溫儲(chǔ)箱應(yīng)變監(jiān)測和溫度測量的測量設(shè)備，其具有靈敏度高、抗電磁和輻射干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本文通過施工實(shí)例，對光纖傳感器的監(jiān)測原理和施工工藝進(jìn)行了探討，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了低溫復(fù)雜工況下傳感器的固定措施和光纜余量及彎曲半徑對產(chǎn)品性能的影響，提出了閉環(huán)測試的工藝思路，為后續(xù)其他型號火箭的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器? 低溫運(yùn)載火箭? 測量? 施工工藝? 彎曲半徑

光纖傳感器作為測量傳感器的一種，利用其對應(yīng)變、溫度變化敏感的特點(diǎn)，可成功實(shí)現(xiàn)對大直徑低溫儲(chǔ)箱應(yīng)變監(jiān)測和復(fù)雜熱環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)尾艙內(nèi)的溫度測量。這為掌握低溫儲(chǔ)箱加注后變形、箭體飛行過程中結(jié)構(gòu)變形及發(fā)動(dòng)機(jī)尾艙環(huán)境溫度信息提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，對防控因箭體結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變應(yīng)力過大造成的不利影響起到了重要作用。

1? 光纖傳感器在低溫火箭上的應(yīng)用

1.1 光纖傳感器在低溫火箭上的布局及信號傳輸路徑

低溫火箭上應(yīng)用的光纖傳感器主要分為光纖溫度傳感器和光纖應(yīng)變傳感器。光纖溫度傳感器呈網(wǎng)絡(luò)分布式安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)尾艙，光纖應(yīng)變傳感器采用多路并行分段施工的方式布置于低溫儲(chǔ)箱側(cè)壁卡箍。利用光纖解調(diào)儀實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的解調(diào)，將測量的溫度及應(yīng)變轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。該測量分系統(tǒng)依靠箭上電池供電，所有采集數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)傳回地面（見圖1）。

1.2 光纖傳感器測量原理

光纖傳感器的敏感元件為光纖光柵，其本質(zhì)是一段纖芯折射率周期性變化的光纖，長度一般從幾個(gè)毫米到幾十厘米不等。常用的光纖光柵為1cm左右長度的反射率為80%～90%的布拉格光纖光柵，當(dāng)一束寬光譜光λ經(jīng)過光纖光柵時(shí)，被光柵反射回單一頻率的光λB，光纖光柵相當(dāng)于一個(gè)窄帶的反射鏡[2]，反射特定波長的光，其余部分無損輸出（見圖2）。

當(dāng)光纖光柵受應(yīng)變或周圍的溫度變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期和有效纖芯的折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵信號的波長漂移ΔλB，通過監(jiān)測光纖光柵反射波長λB的變化，即可獲得測點(diǎn)上光纖光柵的應(yīng)變和周圍溫度的變化狀況[3]。光纖光柵波長漂移ΔλB與應(yīng)變和溫度的變化關(guān)系如下：

其中，第一項(xiàng)代表光纖的應(yīng)變效應(yīng)，Pe為彈光系數(shù)，第二項(xiàng)表示溫度對光纖的影響，αΛ為光纖材料的膨脹系數(shù)，αn為熱光系數(shù)，Sε、ST分別為光纖應(yīng)變傳感器應(yīng)變、溫度靈敏度系數(shù)。

1.3 箭上光纖傳感器產(chǎn)品特點(diǎn)

由于光纖光柵對溫度和應(yīng)變均敏感，往往通過改變封裝形式的方法將光纖光柵封裝成溫度傳感器和應(yīng)變傳感器。光纖應(yīng)變傳感器采用熱塑橡膠作為封裝材料，以起到保護(hù)光纖和輔助灌膠粘接的作用，這相當(dāng)于直接將光纖光柵粘貼在被測結(jié)構(gòu)上，可提高對應(yīng)變監(jiān)測靈敏度。這種柔性封裝的傳感器能夠適應(yīng)小曲面安裝，也大大提高了對安裝環(huán)境的適應(yīng)能力。光纖溫度傳感器采用不銹鋼基體進(jìn)行封裝，傳感器的兩側(cè)安裝耳用于傳感器的粘接，同時(shí)也可保證結(jié)構(gòu)體的應(yīng)變僅施加到兩個(gè)安裝耳之間，而不會(huì)施加到光纖光柵上，避免安裝基底形變對光纖溫度傳感器產(chǎn)生影響。但是這兩種光纖光柵中心波長均受到溫度變化影響，表現(xiàn)為光纖應(yīng)變傳感器中心波長受結(jié)構(gòu)體應(yīng)變、溫度影響，光纖溫度傳感器僅受結(jié)構(gòu)體溫度影響。因此在應(yīng)變監(jiān)測中，需要通過光纖補(bǔ)償傳感器對光纖應(yīng)變傳感器的測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

2? 光纖傳感器在低溫火箭上的施工工藝

箭上所敷光纖通過加裝鎧甲或耐高溫玻璃纖維編織套進(jìn)行防護(hù)，以提高光纖強(qiáng)壯性。但由于箭上安裝環(huán)境復(fù)雜，需考慮低溫環(huán)境下儲(chǔ)箱收縮、飛行增壓過程箭體膨脹、箭體飛行過程中高頻振動(dòng)等多重復(fù)雜環(huán)境因素影響，給光纖傳感器的施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。

為了保證光纖傳感器安裝后產(chǎn)品性能完好，施工質(zhì)量可控，最終狀態(tài)滿足測量測試要求，我們主要從施工前操作考試、施工操作過程精細(xì)化管理、施工后產(chǎn)品性能測試三個(gè)方面對傳感器的安裝質(zhì)量進(jìn)行有效把控。

2.1 施工前準(zhǔn)備

（1）對參加光纖傳感器施工的人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，并對施工中關(guān)鍵操作進(jìn)行實(shí)操考試，合格后方可上崗。

（2）施工前應(yīng)對施工部位進(jìn)行清潔處理。禁止其他箭上操作，并對施工區(qū)域隔離劃分。

（3）檢查傳感器上箭前的狀態(tài)，對其進(jìn)行光強(qiáng)測試并記錄。

2.2 光纖傳感器施工安裝

（1）使用定位工裝對每個(gè)卡箍的安裝區(qū)域并用記號筆進(jìn)行標(biāo)記，以組為單位對每個(gè)卡箍上傳感器對應(yīng)的安裝位置進(jìn)行清潔，要求安裝表面處理后無銹蝕、無油脂。

（2）采用倒序的方法將各傳感器測點(diǎn)及各段滑管與其安裝位置一一對應(yīng)并用3M膠帶對兩者進(jìn)行預(yù)固定，直至該路傳感器全部預(yù)固定完成，將鎧裝光纜沿卡箍側(cè)壁進(jìn)行預(yù)敷設(shè)，此過程禁止線纜扭轉(zhuǎn)打折。

（3）取下預(yù)固定的第一個(gè)光纖應(yīng)變傳感器測點(diǎn)，撕去測點(diǎn)背面的雙面膠，并按照定位標(biāo)記將其貼在安裝位置，上下兩端面粘貼3M膠帶輔助固定。

（4）按照步驟C依次完成每一個(gè)傳感器測點(diǎn)的雙面膠預(yù)固定工作。

（5）光纖應(yīng)變傳感器安裝采用樂泰E-20HP環(huán)氧樹脂膠粘劑，其固化時(shí)間較長，需使用膠帶輔助固定傳感器。將配好的膠液置于注射器內(nèi)，使注射器針頭對準(zhǔn)傳感器測點(diǎn)的注膠孔，緩慢推進(jìn)注射器活塞，使膠液勻速緩慢注入光纖安裝槽內(nèi)。當(dāng)傳感器兩側(cè)溢膠孔有膠液溢出時(shí)，說明光纖安裝槽內(nèi)已充滿膠液，此時(shí)停止注膠，完成單個(gè)傳感器測點(diǎn)的安裝，重復(fù)此步驟完成該組卡箍中所有應(yīng)變傳感器測點(diǎn)的注膠。

（6）光纖溫度傳感器及補(bǔ)償傳感器安裝時(shí)，應(yīng)先使用無水乙醇清潔安裝表面和傳感器安裝耳，在安裝耳正面涂抹樂泰E-20HP膠，要求膠液涂抹均勻適量，涂膠后迅速將傳感器扣裝在測點(diǎn)位置，按壓2min，并用3M膠帶進(jìn)行輔助固定。

（7）由于傳感器安裝于低溫貯箱卡箍側(cè)壁，為增加傳感器測點(diǎn)和滑管固定的強(qiáng)壯性，采用玻璃纖維布浸蘸DW-3膠液對傳感器測點(diǎn)和滑管進(jìn)行附加固定。