淺探航空航天光纖傳感技術(shù)

劉玥

【摘 要】由于光纖傳感器具備包括體積小質(zhì)量輕抗干擾能力強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天的極端環(huán)境下，仍然能夠進(jìn)行包括壓力和角速度等許多數(shù)據(jù)的測(cè)量。本文對(duì)光纖傳感技術(shù)目前在航空航天中的應(yīng)用做了介紹，對(duì)于目前航空航天傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了介紹和總結(jié)同時(shí)討論了目前技術(shù)中仍然存在的難點(diǎn)，對(duì)航空航天光纖傳感技術(shù)的發(fā)展做了分析和預(yù)測(cè)，認(rèn)為航空航天中的光纖傳感必然會(huì)走向高密度、大規(guī)模、高精度的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】航空航天 光纖 壓力 溫度

1 緒論

上世紀(jì)70年代以來(lái)，作為一種新型技術(shù)，光纖傳感逐步發(fā)展起來(lái)，其核心技術(shù)為通過(guò)對(duì)光纖中傳輸光的包括波長(zhǎng)和相位等在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，再對(duì)這些參數(shù)傳輸時(shí)的變化進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出溫度、壓力等需要的數(shù)據(jù)。近年來(lái)，隨之技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感器的靈敏度高、體積小等優(yōu)勢(shì)讓它受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，傳感器研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題就是光纖傳感。

目前在光纖傳感領(lǐng)域，EF-PI傳感器、FBG傳感器以及FOG傳感器是應(yīng)用最多且前景較為看好的三種，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括電力能源、航天、石油化工等。隨著飛行器技術(shù)的不斷更新，航空航天事業(yè)也不斷發(fā)展，隨之而來(lái)的是越來(lái)越極端的太空環(huán)境，也就是說(shuō)，傳感器的應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，這就使得傳感器技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的電子機(jī)電技術(shù)已經(jīng)不足以滿足實(shí)際要求了。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感的優(yōu)勢(shì)日益凸現(xiàn)出來(lái)，并且作為航空航天領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，光纖傳感不僅有著重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，還有著難以估計(jì)的應(yīng)用價(jià)值。

2 航空航天中的EFPI技術(shù)

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(zhǎng)度進(jìn)行傳感，通過(guò)信號(hào)的不同變化計(jì)算出外界參量的變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同參數(shù)的傳感。誕生一年后就有了在F-15戰(zhàn)斗機(jī)上對(duì)EFPI傳感器的疲勞測(cè)試。此后，在1994年Greene等人用六只EFPI傳感器組成陣列，在飛機(jī)副翼上進(jìn)行測(cè)試，模擬了實(shí)際飛行器的機(jī)動(dòng)應(yīng)力。此時(shí)傳感器的測(cè)量結(jié)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(chǔ)上，利用白光低相相干干涉實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量參數(shù)的實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)。同時(shí)，他們?cè)诿绹?guó)空軍基地進(jìn)行了有關(guān)航空器測(cè)量。2002年，Pulliam等人研究了在高速燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)中EFPI傳感器的應(yīng)用。2003年，Luna Innovations公司在波音公司出產(chǎn)的飛機(jī)健康監(jiān)測(cè)中使用了EFPI傳感器，主要用于壓力和溫度兩個(gè)參量。這一項(xiàng)應(yīng)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(fù)合材料中FEPI傳感器的特性，確定了其內(nèi)嵌時(shí)應(yīng)變的測(cè)量范圍和精度。同時(shí)，國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)的一些專(zhuān)家學(xué)者也對(duì)于光纖傳感的復(fù)用和解調(diào)技術(shù)做了有關(guān)研究，于2005年同國(guó)內(nèi)其他學(xué)者一起開(kāi)展了EFPI的智能加層技術(shù)試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，EFPI傳感器的腔長(zhǎng)與應(yīng)變有一定的線性相關(guān)，說(shuō)明智能加層具有得到應(yīng)用的可能性。2009年，國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)者在測(cè)量飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的裂紋時(shí)應(yīng)用了EFPI，主要判斷依據(jù)為返回的傳輸信號(hào)。2010年，NASA開(kāi)始了光纖壓力傳感器研發(fā)的資助項(xiàng)目，并且開(kāi)始將其應(yīng)用在氣流壓力的測(cè)量中。[2]

3 航空航天中的FBG技術(shù)

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(yīng)。此后，Meltz等人在此基礎(chǔ)上加入了紫外線側(cè)面寫(xiě)入，帶來(lái)了光纖光柵制作的一個(gè)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(guò)FBG反射回入射光中的符合匹配條件的單色光，經(jīng)過(guò)待測(cè)參量的調(diào)制后反射波長(zhǎng)變化。因此，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)，就可以對(duì)待測(cè)物理量進(jìn)行傳感。

現(xiàn)在，航空航天領(lǐng)域中，對(duì)于FBG的研究主要關(guān)注了溫度測(cè)量和飛行器結(jié)構(gòu)檢測(cè)。2002年Betz等人在客機(jī)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中使用了FBG傳感器，載荷標(biāo)定成功完成。20005年，有關(guān)學(xué)者提出了使用FBG構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)對(duì)老齡飛行器進(jìn)行結(jié)構(gòu)傳感，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)BG對(duì)于補(bǔ)丁的退化傳感可行性被證明。2006年，武漢理工大學(xué)的學(xué)者提出了一種FBG傳感器，并對(duì)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(nèi)兩者的靈敏系數(shù)。2008年，Takeya 等人構(gòu)造了一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在其中使用FBG傳感器進(jìn)行飛行器的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，該網(wǎng)絡(luò)可靠性較高，在其中主要使用了翼尖夾具和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同年，又有用于健康監(jiān)測(cè)和火情探測(cè)的FBG傳感器被研發(fā)出來(lái)，專(zhuān)家同年完成了在原型機(jī)上的系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)。2009 年，針對(duì)典型的飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，南京航空航天大學(xué)的學(xué)者開(kāi)展了FBG應(yīng)用與健康監(jiān)測(cè)的研究。2010年，Kosters等人在完成對(duì)于FBG傳感器的高速解調(diào)技術(shù)研究后，實(shí)現(xiàn)了飛行器的沖擊損傷監(jiān)測(cè)與定位功能。2011年，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展了FBG測(cè)量應(yīng)變技術(shù)，研究了在可變翼體關(guān)鍵位置的監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，航天領(lǐng)域的FBG光纖技術(shù)也有了很大的進(jìn)展。2001年，能夠用于X-38宇宙飛船結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的FBG傳感網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)，其主體由12個(gè)FBG傳感器構(gòu)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(shè)計(jì)了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于針對(duì)其復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。2006年出現(xiàn)了FBG傳感器組合在液氫罐的應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)；2008年出現(xiàn)了在近地球軌道中FBG傳感應(yīng)用的測(cè)量；2010年Kim 等人在模擬空間環(huán)境中試驗(yàn)了FBG應(yīng)用的可行性；2012年日本的專(zhuān)家制作了傳感器，其中FBG被當(dāng)做應(yīng)變量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)BG應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)可行性被證實(shí)。

4 國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)狀

4.1 溫度、應(yīng)變傳感

FBG傳感器能夠作為敏感元件，在溫度和應(yīng)變系統(tǒng)中工作，其中FBG的作用是通過(guò)反射波長(zhǎng)反映出環(huán)境中的變化量。可見(jiàn)，如果同時(shí)存在溫度和應(yīng)變，F(xiàn)BG的波長(zhǎng)就會(huì)出現(xiàn)漂移，也就是通常所說(shuō)的交叉敏感。為了解決這個(gè)問(wèn)題，就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)在熱真空環(huán)境中工作FBG的封裝。對(duì)此，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了許多封裝傳感器并投入制作，并且采用了溫度補(bǔ)償算法進(jìn)行修正，改良了參量傳感。為滿足航空航天傳感應(yīng)用多點(diǎn)測(cè)量的實(shí)際需求，學(xué)者們重點(diǎn)研究了多路復(fù)用，現(xiàn)在已經(jīng)成功研制了8路并行系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)用了可調(diào)諧技術(shù)，可以分為數(shù)據(jù)處理、傳感校正和光源產(chǎn)生三個(gè)部分。其中，光源產(chǎn)生的光經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行處理后，大部分進(jìn)入檢測(cè)通道作為信號(hào)。僅有1%作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具后被探測(cè)器收集。由分光器處理后信號(hào)光進(jìn)入通道，再經(jīng)過(guò)環(huán)形器后開(kāi)始探測(cè)，探測(cè)過(guò)程需要計(jì)算機(jī)參與處理。

4.2 壓力傳感

在EFPI的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在已經(jīng)有了經(jīng)過(guò)進(jìn)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(guò)精細(xì)腐蝕形成的小淺坑，底部鍍有反射膜，使用鍵合技術(shù)在真空中封裝構(gòu)成。并且，通過(guò)鍍膜面和內(nèi)表面夠早了一個(gè)干涉儀，可看做雙光束類(lèi)型，當(dāng)光線穿過(guò)時(shí)，首先接觸玻璃底。采用激光熱熔將芯片固定在毛細(xì)管上，用于傳輸光線。這樣，封裝就完成了。

為了提高壓力的測(cè)量精度，采取了結(jié)合低相干涉和EFPI的方式，構(gòu)建出低相干涉基礎(chǔ)上的傳感系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)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(diào)部分以及處理部分。其中，解調(diào)部分來(lái)自于1992年Dndliker所提出結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，即在系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)耦合器處理后LED燈光源發(fā)出的光線抵達(dá)傳感器，在其中形成感受，再經(jīng)過(guò)特定方法調(diào)制，之后從耦合器中導(dǎo)出。

在這個(gè)過(guò)程中，光線依次經(jīng)過(guò)起偏器、光楔和檢偏器，在經(jīng)過(guò)光楔時(shí)光線形成低相干條紋，此時(shí)一旦某一處的光程差與傳感器所設(shè)定的值匹配上了，即復(fù)合后光程差為0時(shí)，則信號(hào)被耦合部分接受，并送入信號(hào)處理部分。為了適應(yīng)航空航天領(lǐng)域中需要進(jìn)行多處測(cè)量的要求，同時(shí)也要注意盡量采用小型系統(tǒng)，就對(duì)多路復(fù)用提出了更高的要求。在陣列型EFPI系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了解調(diào)部分效率的提升，并且使得不同的傳感器使用了同一個(gè)處理系統(tǒng)。根據(jù)通道類(lèi)型的不同，這種多通道EFPI可以大致分為兩類(lèi)，即LED光源調(diào)制類(lèi)型和光開(kāi)關(guān)類(lèi)型。現(xiàn)在已有的24路EFPI系統(tǒng)，工作掃描頻率可達(dá)12千赫茲，測(cè)量精度為納米級(jí)，滿量程負(fù)荷時(shí)精度仍然達(dá)到0.3%。同時(shí)，由于采用了不同的波分復(fù)用方法，不同的光源所對(duì)應(yīng)的傳感通道也不相同，經(jīng)過(guò)所有的干涉信號(hào)疊加之后，就構(gòu)成了混疊信號(hào)。此時(shí)需要通過(guò)空間頻域的頻譜分離，再依次復(fù)原不同通道的絕對(duì)相位，最后完成解調(diào)。通過(guò)考察精度、處理速度等不同指標(biāo)，現(xiàn)在已經(jīng)有了對(duì)于解調(diào)算法的許多研究成果。

4.3 聲振動(dòng)傳感

由于聲振動(dòng)具有頻率多樣、變化迅速的特點(diǎn)，其產(chǎn)生的壓力非常小，一般僅為微帕至毫帕量級(jí)。因此，為了實(shí)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(guò)預(yù)拉伸后將其固定。為了滿足不同的應(yīng)用要求，要預(yù)先設(shè)置膜片的諧振頻率。膜片作為反射界面，構(gòu)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(xì)管，通過(guò)準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。在聲波壓力下膜片上產(chǎn)生形變，導(dǎo)致其與光纖端面的距離變化，從而改變了入射光的相位，實(shí)現(xiàn)傳感。與聲音信號(hào)頻率較高而強(qiáng)度不高的特征相適應(yīng)，適合采用強(qiáng)度解調(diào)方法。

4.4 航空大氣壓力實(shí)驗(yàn)

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(guò)計(jì)算壓力數(shù)據(jù)得出，因此，準(zhǔn)確測(cè)量大氣壓力，在導(dǎo)航和控制飛行器中都有著至關(guān)重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，EFPI壓力傳感是系統(tǒng)的核心組成，通常同時(shí)配有高控制精度的壓力控制部分和溫度控制設(shè)備等輔助結(jié)構(gòu)，構(gòu)成壓力測(cè)試系統(tǒng)。連接密封壓力艙和控制設(shè)備的一般是氣管，而壓力艙中配備傳感器，通過(guò)法蘭與外界環(huán)境連接。

4.5 航天水升華器監(jiān)測(cè)

熱控中的一個(gè)重要組成就是航天水升華器，其主要原理是利用了物質(zhì)的汽化中吸收的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的溫度下降，主要應(yīng)用場(chǎng)所為宇航服。正常工作時(shí)，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(huì)產(chǎn)生噴冰。

目前，由于傳感技術(shù)應(yīng)用條件的限制，而水升華器的工作環(huán)境為熱真空，還沒(méi)有可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效手段。但是通過(guò)將三種傳感系統(tǒng)結(jié)合工作，聯(lián)合不同的參量進(jìn)行傳感，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于水升華器的實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)環(huán)境由模擬器進(jìn)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(shuō)明了其具有有效性。

試驗(yàn)中，通過(guò)監(jiān)測(cè)，工作人員多次觀察到明顯噴冰，同時(shí)，傳感系統(tǒng)也對(duì)應(yīng)檢測(cè)倒了故障現(xiàn)象，可以認(rèn)為時(shí)間點(diǎn)吻合，即實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)于目前航空航天傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了介紹和總結(jié)。現(xiàn)在，在航空航天光纖傳感領(lǐng)域已經(jīng)有了許多研究成果。同時(shí)，針對(duì)航空航天的極端環(huán)境，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家和學(xué)者在特性分析、系統(tǒng)構(gòu)建等方面展開(kāi)了針對(duì)性的研究，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。但是在嚴(yán)酷的環(huán)境中，有關(guān)技術(shù)仍然面臨著很大挑戰(zhàn)。

總而言之，可以預(yù)測(cè)航空航天中的光纖傳感必然會(huì)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(fù)雜應(yīng)用，因此還需要更多更深入的研究和探索。

參考文獻(xiàn)：

[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.