航空航天光纖傳感技術研究進展

周義晨

摘要：近年來，隨著我國科學技術的不斷進步，光纖傳感技術也獲得了巨大的發展空間，在各行各業都得到了廣泛的應用。光纖傳感器具有體積小、靈敏度高、重量輕、易于鑲嵌、抗電磁能力強以及復用能力強等優點，其能夠在極端環境下實現對溫度、壓力、應變以及角速度等多種參量的測量，因此在航空航天中有著十分廣泛的應用。鑒于此，本文將首先對傳統的傳感技術進行簡單的闡釋，再分別對航空航天EFPI傳感技術、FBG傳感技術以及FOG傳感技術的研究進展進行比較深入的研究與分析，從而指出航空航天光纖傳感技術的發展方向，以期為我國日后航空航天光纖傳感技術的發展提供一些建議和理論參考。

關鍵詞：航空航天;光纖傳感;研究進展;溫度;壓力;應變;

【中圖分類號】TP212.1

【文獻標識碼】A

【文章編號】2236-1879（2018）13-0159-01

引言

傳感器，英文名稱是transducer/sensor是一種檢測轉換裝置，它能夠感應到傳到他他身上的信號，并且可以感知到傳感信號上所攜帶的信息，將傳感信號上攜帶的信息按照一定的要求，以及需要，轉換成電流，電壓，電容，電感等物理量的輸出。

傳感器具有微型，數字，智能化的特點。它能夠實現自動檢測和自動控制的功能。光纖傳感器是一種特殊的傳感器，不僅具有一般的傳感器的普遍特點，而且，最新的光纖傳感器還具有耐高溫，耐高壓，穩定度高的特點，現在已經廣泛的應用于航空航天領域。

光纖傳感技術從上世紀下半葉開始發展，其主要是通過對光纖中光的波長、相位、光強以及偏振狀態等進行相應的觀察和記錄，通過分析得到的數據，從而實現對溫度，角速度，壓力，電阻，電抗等參數的測量。光纖傳感器是一種特殊的傳感器，因此它具有一般傳感器所普遍擁有的特點，因此已經成為傳感技術中十分重要的組成部分?，F如今我國比較常見的光纖傳感器主要有非本征法珀（EFPI）傳感器、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器以及光纖陀螺（FOG）傳感器，目前這三種傳感器已經被廣泛的應用到了航空航天等多個領域。

一、航空航天中傳統傳感技術的分類

現如今我國比較常見的光纖傳感器主要有非本征法珀（EF-PI）傳感器、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器以及光纖陀螺（FOG）傳感器，目前這三種傳感器已經被廣泛的應用到了航空航天等多個領域。

1.1非本征法珀傳感技術。非本征法珀（EFPI）傳感器出現于上世紀九十年代，其主要原理是通過干涉信號來導出微腔的長度，從而計算出外界參量的變化。Greene等人曾將六個非本征法珀傳感器組成一個傳感器陣列，之后用其對飛行器的副翼進行測試，對航空飛行器的機動過程進行全真模擬，從而得到其應力變化，最終將EFPI傳感器的測量結果與實際計算結果相比較，發現二者十分接近。2002年，Pulliam等人對非本征法珀壓力傳感器在渦輪發動機的應用進行了深入的研究，之后完成了對跨聲速風扇的測試。一年之后，Elster等人開始將EFPI傳感技術應用到了波音飛機的健康監測系統之中，以此來測試飛機系統的安裝過程以及耐受性。2005年，我國的重慶大學與南京航空航天大學進行合作，共同開始了對非本征法珀傳感器的光纖智能夾層的探索和研究，最終證明了EFPI傳感器的光纖智能夾層能夠進行結構應變的監測工作。在此之后，西北工業大學第一次實現了利用EFPI傳感器判斷飛機葉片上是否出現裂紋。

1.2光纖布拉格光柵傳感技術。光纖布拉格光柵（FBG）傳感器的研究開始于上世紀七十年代。光纖光柵是利用某種技術，將具有一定幅度特性和相位特性的光柵耦合再光纖的纖芯上，形成具有透射和反射功能的反射濾波器，在使用中，這一部分的纖芯會暴露在紫外光下，介質會發生改變，從而使的特定波長的光波得到反射，就可以實現被測結構的應變和溫度的測量，當入射光譜經過FBG時，能夠通過系統內部的濾波器的單色波長會被反射，之后回到入射端口，這樣一來，由于折射率的變化滿足條件的單色波長就會被反射且記錄下來因此可以得到外界溫度，濕度以及相應參量的變化。

1.3航空航天光纖陀螺傳感技術。光纖陀螺（FOG）傳感技術誕生于上世紀七十年代，其可以通過一種雙光束干涉儀，計算出角速度的變化，從而實現對角速度的傳感。美國時最先開始對FOG進行研究的國家，并將其應用于波音飛機。到了2002年，Honey-well公司的高精度陀螺儀的第一個太空計劃圓滿完成。自此以后，歐洲的各個國家也發現了FOG的重要作用，并逐漸開始了對FOG的研究工作。自上世紀八十年代以來，我國的航空航天領域對FOG的研究進展也比較快，已經能夠基本掌握較高精度的FOG的制作水平，并使其得到了實際應用?，F如今FOG技術發展十分迅速，在各個國家已經被大批量生產，在航空航天領域得到了十分廣泛的應用。

二、航空航天光纖傳感技術的研究前景

現階段人們雖然在光纖傳感技術的研究上取得了一定的成果，但是就復雜嚴酷的航空航天環境而言，目前的光纖傳感技術仍然處在發展初期，其發展水平遠遠不夠。鑒于此，建議相關科研單位從以下幾個方面加深研究。一是在光纖的研制過程中可以使用新的材料，比如可以使用一些耐高溫的材料，耐高壓的材料等，這些材料在航空航天中的作用會大過現有的材料，二是對于多參量的傳感器而言，減小傳感器的體積是一種很好的解決方法，縮小傳感器的體積，就可以在一定的面積上，附著更多的傳感器，從而可以實現多參量測量;三使用國際上統一規定的傳感器的標準結構，對于國際上認可的結構，可以縮短傳感器的研究過程。

三、結語

本文對三種光纖傳感技術的研究進展進行了深入的研究，并以此為根據指明了光纖傳感技術的發展方向。然而要真正提高我國航空航天光纖傳感技術的應用水平，依然需要相關科研人員和單位不懈努力，在研究實踐中去努力創新，爭取使我國航空航天領域中光纖傳感技術的研究取得更大的進展。

參考文獻

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