面向飛機(jī)載荷監(jiān)測(cè)的光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)飛機(jī)在復(fù)雜寬溫環(huán)境下光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)用需求，對(duì)光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，集成了熱電冷卻（TEC）溫度控制器以及對(duì)數(shù)放大器。該系統(tǒng)由可調(diào)諧光源控制系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、TEC控制系統(tǒng)等組成。利用法布里?珀羅（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行標(biāo)定，F(xiàn)-P標(biāo)準(zhǔn)具解調(diào)波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.7 pm。通過(guò)溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的精度以及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證。在溫度恒定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)具解調(diào)波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小為0.16 pm。在起落架地面靜態(tài)加載試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果表明中心波長(zhǎng)與載荷施加呈線(xiàn)性關(guān)系，R²大于0.9983。該系統(tǒng)精度高，寬溫適應(yīng)性好，能夠滿(mǎn)足飛機(jī)起落架載荷監(jiān)測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：解調(diào)系統(tǒng)；MG-Y 可調(diào)諧激光器；寬溫環(huán)境；飛機(jī)起落架

中圖分類(lèi)號(hào)：TH 744 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design of grating interrogation system for aircraft load

monitoring

GUO Bo，WANG Yongqian，PENG Qi，MA Kangqiao

（School of Instrument Science and Opto-Electronic Engineering， Beijing Information Science amp;

Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract：

According to the application requirements of fiber Bragg grating strain sensors incomplex wide temperature range environment， the fiber Bragg grating demodulation system wasoptimized and integrated with the thermoelectric cooling （TEC） temperature controller andlogarithmic amplifier. The system consists of the tunable light source control system， photoelectricconversion system， TEC control system， etc. The standard deviation of the demodulationwavelength by the F-P etalon is 2.7 pm. The accuracy and environmental adaptability of the systemare verified by temperature cycle experiment. At constant temperature， the minimum standarddeviation of demodulation wavelength is 0.16 pm. In the static loading test of landing gear， theexperimental results show that there is a linear relationship between center wavelength and loadapplication， and R2 is greater than 0.998 3. It is proved that the system has high precision and goodadaptability to wide temperature range， and can meet the requirements of aircraft landing gear loadmonitoring.

Keywords：

interrogation system；MG-Y tunable laser；wide temperature range environment；aircraft landing gear

引 言

起落架是飛機(jī)的重要承力部件，是起飛和著陸過(guò)程中的重要受載結(jié)構(gòu)，具有吸收撞擊能量、減緩沖擊載荷的作用，會(huì)直接影響飛機(jī)的安全。飛機(jī)在起飛和降落階段面臨不同的復(fù)雜環(huán)境，例如高低溫環(huán)境、側(cè)風(fēng)環(huán)境、濕滑跑道，這都會(huì)影響起落架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)^[1]。而不同的飛機(jī)類(lèi)型，面對(duì)的難點(diǎn)也不同，例如在艦載機(jī)起飛時(shí)產(chǎn)生的彈射突伸和離艦突伸現(xiàn)象，攔阻著陸狀態(tài)下遠(yuǎn)大于路基飛機(jī)的下沉速度，都意味著起落架會(huì)承受更大的沖擊載荷^[2]。

目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，而起落架又是這一領(lǐng)域的重要研究對(duì)象。飛機(jī)載荷監(jiān)測(cè)主要通過(guò)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)量法，但該方法存在信噪比低、抗電磁干擾能力弱等缺點(diǎn)，極大地影響了應(yīng)變片在載荷測(cè)量中的應(yīng)用。光纖光柵傳感器以光纖為介質(zhì)集信息傳感與傳輸為一體，具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，靈敏度高等特點(diǎn)，能夠?qū)Σ煌h(huán)境下溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是一種新型的傳感器件^[3-5]。光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變的變化響應(yīng)，發(fā)生反射波長(zhǎng)漂移的機(jī)制，特別適用于航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)^[6]。國(guó)內(nèi)，傳感器憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)應(yīng)用在船舶健康監(jiān)測(cè)中^[7]，國(guó)外已經(jīng)將光纖傳感技術(shù)運(yùn)用到航空領(lǐng)域中。Wada等^[8]開(kāi)發(fā)了基于光纖頻域反射法的光纖分布式傳感系統(tǒng)，成功用于中型客機(jī)的飛行實(shí)測(cè)，獲得了客機(jī)起飛、降落和滑行階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)。Park等^[9]介紹了一種使用光纖傳感器進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量的軍事飛機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以估計(jì)飛機(jī)上工作的結(jié)構(gòu)靜態(tài)載荷等飛機(jī)參數(shù)，還可以測(cè)量傳感器對(duì)載荷的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并通過(guò)飛行試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。Iadicicco等^[10]將光纖布拉格光柵（FBG）應(yīng)變傳感器集成在復(fù)合材料的不同位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了FBG傳感技術(shù)在飛機(jī)起落架的實(shí)時(shí)載荷監(jiān)測(cè)測(cè)量中具有重大潛力。國(guó)內(nèi)外已有科研人員將光纖光柵傳感器用于飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)載荷測(cè)量，但是結(jié)合復(fù)雜環(huán)境對(duì)起落架載荷性能測(cè)試進(jìn)行分析的研究較少。

本文以某大型飛機(jī)為研究對(duì)象，面向航空環(huán)境，對(duì)已有的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，采用FBG傳感器對(duì)起落架進(jìn)行載荷監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)解決寬溫環(huán)境下的適應(yīng)性以及高精度解調(diào)的難題，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)飛機(jī)起落架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

2 " "飛機(jī)起落架載荷測(cè)試系統(tǒng)

2.1 " "系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)用于航空航天環(huán)境下的解調(diào)系統(tǒng)在傳感測(cè)量方面需要對(duì)設(shè)備的環(huán)境溫度、軌道環(huán)境等進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。飛機(jī)起落架在飛行過(guò)程中會(huì)涉及高低溫環(huán)境、側(cè)風(fēng)環(huán)境、濕滑跑道等復(fù)雜環(huán)境情況。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮寬溫環(huán)境以及多路信號(hào)采集。綜合分析解調(diào)系統(tǒng)在航空環(huán)境下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，以及綜合解調(diào)系統(tǒng)的溫控需求和精度要求，確定采用STM32H743高性能處理器作為主控芯片。基于STM32的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示，該系統(tǒng)包括MG-Y可調(diào)諧激光器、五路高精度恒流源、半導(dǎo)體制冷器控制芯片、對(duì)數(shù)放大器、16路PD以及供電系統(tǒng)。

STM32H743芯片具有多路16位模擬–數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）模塊，6路SPI功能和4路串口通信及其他外設(shè)。光源控制系統(tǒng)采用調(diào)制光柵Y分支激光器（Modulated grating Y-branch，MG-Y），包括5路恒流源輸入，2路溫度控制輸入，1個(gè)高精度反饋電阻輸出和2路電流反饋輸出，最大典型值為20 mW。激光器由MCU發(fā)出數(shù)字指令，通過(guò)DA芯片將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。恒流源中加入運(yùn)算放大器，將電流放大2倍，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。

針對(duì)起落架的復(fù)雜溫度環(huán)境，為使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到電路溫度，在板間設(shè)計(jì)有溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度。傳感器具有4條遠(yuǎn)程通道和1條本地通道，分辨率可達(dá)0.0625 ℃，精度可達(dá)±0.75 ℃，放置在不同位置。為實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)定精準(zhǔn)控制，本文在系統(tǒng)中增加了TEC控制器ADN8834，用于設(shè)置和穩(wěn)定激光器內(nèi)部TEC的溫度，如圖3所示。控制器通過(guò)調(diào)整IN2P管腳上的R4、R5、R6三個(gè)分壓電阻，設(shè)置TEC制熱/制冷狀態(tài)下最大工作電壓為2.5 V，電流為0.75 A。IN2P輸入階躍函數(shù)并通過(guò)施加電壓進(jìn)行溫度設(shè)置，能夠有效改變目標(biāo)溫度并調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以縮短TEC溫度的穩(wěn)定時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，光路、光源等因素的影響，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的信號(hào)比較微弱。因此，在光電轉(zhuǎn)換電路中加入ADL5303作為信號(hào)放大器，如圖4所示。設(shè)計(jì)中將VOUT的輸出斜率增加到25 mV/dB，VLOG引腳電阻調(diào)整為5 kΩ，C_FILT電容設(shè)置為10 nF，形成低通濾波器，能降低電流信號(hào)傳輸過(guò)程的噪聲影響。VLOG信號(hào)需要進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，為了提高緩沖器的增益，將斜率提高為500 mV/dec，需要在VLOG和反相輸入BFNG引腳之間分別加入R_A（15 kΩ）、R_B（10 kΩ）電阻構(gòu)成反饋衰減器，并且將截距限制在100 pA以上。通過(guò)這種設(shè)計(jì)方案，極大地提高了傳感器的測(cè)量精度，能夠充分滿(mǎn)足測(cè)量環(huán)境和測(cè)量精度需求。

2.2 " "軟件設(shè)計(jì)方法

為保證解調(diào)儀ARM硬件系統(tǒng)的正常工作，實(shí)現(xiàn)解調(diào)儀高分辨率、 高精度、高速度、穩(wěn)定性好的功能特性，我們對(duì)底層軟件進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)研究。 系統(tǒng)硬件中采用的是ARM芯片STM32H743，搭配德國(guó)Keil公司的RealView MDK軟件開(kāi)發(fā)工具對(duì)解調(diào)儀的底層硬件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)控制程序基于嵌入式C語(yǔ)言進(jìn)行編程，參考硬件電路設(shè)計(jì)，根據(jù)芯片手冊(cè)以及系統(tǒng)需求，采用模塊化思想完成程序設(shè)計(jì)。

可調(diào)諧激光器是電流調(diào)諧類(lèi)器件，激光器五路電流源需要設(shè)置上限，防止電流過(guò)大損壞激光器。為了快速且準(zhǔn)確地得到激光器的查找表，整個(gè)波長(zhǎng)范圍是40 nm，設(shè)置掃描間隔為20 pm，因此共有2 001個(gè)掃描點(diǎn)。將對(duì)應(yīng)的2 001組激光器電流組合存儲(chǔ)在程序中。程序主要包括MPU模塊、定時(shí)器模塊、ADC、DAC、延時(shí)模塊、串口模塊以及TCP/IP協(xié)議模塊。在程序中，將外設(shè)模塊進(jìn)行初始化。激光器通過(guò)DAC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，流程如圖5所示，首先對(duì)DAC進(jìn)行初始化，對(duì)通道1、2進(jìn)行配置，然后使能DAC時(shí)鐘，配置引腳為模擬輸出，不帶上下拉。DA芯片采用14位數(shù)據(jù)傳輸，將電流值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)依次發(fā)送，最終驅(qū)動(dòng)激光器工作輸出不同波長(zhǎng)。

2.3 " "解調(diào)算法設(shè)計(jì)

為得到傳感器的中心波長(zhǎng)，一般使用尋峰算法對(duì)頻譜信息進(jìn)行解調(diào)。尋峰算法分為直接尋峰和間接尋峰兩種：直接尋峰有質(zhì)心探測(cè)法、半峰檢測(cè)法；間接尋峰包括一般多項(xiàng)式擬合法、高斯–多項(xiàng)式擬合法和高斯擬合法。可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)輸出較穩(wěn)定，能采集到完整光譜，由于嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器大小及指令復(fù)雜程度，選用閾值補(bǔ)償質(zhì)心法進(jìn)行解調(diào)。

FBG傳感原理是測(cè)量反射光譜并跟蹤峰值位置，大多數(shù)算法使用恒定數(shù)量的樣本（像素）進(jìn)行峰值計(jì)算。質(zhì)心法的原理是把采集到的波形曲線(xiàn)分峰截幅后作為質(zhì)量非均勻的曲線(xiàn)段，波形曲線(xiàn)采樣點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)值相當(dāng)于質(zhì)點(diǎn)系各質(zhì)點(diǎn)的位矢，縱坐標(biāo)值相當(dāng)于各點(diǎn)的質(zhì)量^[15]。質(zhì)心法應(yīng)用于峰值提取，又稱(chēng)為功率加權(quán)法，實(shí)質(zhì)是以反射譜的光功率為加權(quán)系數(shù)計(jì)算波長(zhǎng)的加權(quán)平均值，進(jìn)而得到反射譜光功率在波長(zhǎng)方向上的中心位置，以此作為FBG反射譜的峰值波長(zhǎng)^[16]。FBG光譜響應(yīng)下方的區(qū)域用n個(gè)矩形近似，每個(gè)矩形由一個(gè)采樣點(diǎn)的振幅和兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的波長(zhǎng)間隔定義，是以非均勻波長(zhǎng)間隔取樣的光譜，則第i個(gè)樣品下的面積定義為

3 " "實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 " "測(cè)試系統(tǒng)搭建

為研究解調(diào)儀在復(fù)雜寬溫環(huán)境下的適應(yīng)性以及起落架載荷監(jiān)測(cè)應(yīng)用，搭建了本文設(shè)計(jì)的解調(diào)系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示，由計(jì)算機(jī)（PC）、解調(diào)系統(tǒng)、ETALON-S/N904902（珠海奧普光電科技有限公司）型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)具等組成。測(cè)試時(shí)通過(guò)PC機(jī)LabVIEW平臺(tái)向解調(diào)系統(tǒng)下發(fā)控制參數(shù)，驅(qū)動(dòng)激光器輸出波長(zhǎng)，實(shí)時(shí)采集波長(zhǎng)并將光譜數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行解調(diào)。

3.2 " "F-P 標(biāo)準(zhǔn)具標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及分析

F-P標(biāo)準(zhǔn)具能輸出一系列固定波長(zhǎng)的波峰，受溫度影響較小，不僅可以用于校準(zhǔn)解調(diào)儀，還可驗(yàn)證解調(diào)性能。選用F-P標(biāo)準(zhǔn)具接入解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行校正實(shí)驗(yàn)。解調(diào)儀通過(guò)連續(xù)掃描光源得到了1 527～1 567 nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)分辨率在20 pm間隔的光強(qiáng)值，采集的光譜數(shù)據(jù)如圖8所示。

采用標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，選取1540～1550 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，光譜圖如圖9所示。

從圖9可以看出，在1540～1 550 nm波長(zhǎng)范圍中，共有12個(gè)波峰。在第6個(gè)和12個(gè)波谷中，可以明顯看到出現(xiàn)了兩個(gè)小的波峰，是電路中的噪聲所產(chǎn)生的。在解調(diào)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置閾值的方式，截取光強(qiáng)值為12000以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)以此來(lái)減小誤差。標(biāo)準(zhǔn)具解調(diào)結(jié)果如表1所示，標(biāo)準(zhǔn)具標(biāo)稱(chēng)值與解調(diào)結(jié)果進(jìn)行比較，經(jīng)計(jì)算最大誤差為9.12 pm，最小誤差為0.54 pm。解調(diào)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為2.7 pm，結(jié)果表明解調(diào)儀解調(diào)準(zhǔn)確。

3.3 " "溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試解調(diào)儀在寬溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，需驗(yàn)證解調(diào)系統(tǒng)在不同溫度下的解調(diào)性能。將解調(diào)系統(tǒng)放入高低溫試驗(yàn)箱（GDW-100）中進(jìn)行溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試穩(wěn)定性，測(cè)試系統(tǒng)如圖10所示。

設(shè)置溫箱起始溫度為25 ℃，溫度變化為先上升再下降，最高為70 ℃，最低為?45 ℃。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)激光器內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集數(shù)據(jù)，內(nèi)部溫度變化如圖11所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明當(dāng)環(huán)境溫度在?45～70 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，激光器內(nèi)部溫度始終保持在25 ℃左右，最大溫差為±0.2 ℃，解調(diào)系統(tǒng)具有良好的溫度適應(yīng)性。

在溫度變化過(guò)程中，選取25 ℃下中心波長(zhǎng)為1535.140 nm的峰值進(jìn)行分析，如圖12所示。溫箱溫度變化過(guò)程中，中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，隨著溫度升高而增大，溫度降低而減小。對(duì)其進(jìn)行擬合處理，斜率為7.5，截距為1535.13 nm，R²為0.9748，表明中心波長(zhǎng)與環(huán)境溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。但是，從圖中可以看出溫度變化過(guò)程中有明顯的分段趨勢(shì)，不同溫度范圍段之間有跳躍現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用中，低精度測(cè)量可以采用全溫度范圍進(jìn)行直接測(cè)量，高精度測(cè)量中通過(guò)對(duì)不同溫度范圍段進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償進(jìn)而提高測(cè)量精度。為進(jìn)一步探究解調(diào)系統(tǒng)在恒定溫度下的解調(diào)精度，在55 ℃下對(duì)1530～1535 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜數(shù)據(jù)采集490次并進(jìn)行解調(diào)，結(jié)果如圖13所示。結(jié)果共有14個(gè)中心波長(zhǎng)，經(jīng)計(jì)算同一溫度下中心波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差最大僅為0.16 pm。

溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)中選取1540～1 550 nm波長(zhǎng)范圍段，分別采集以5 ℃為分度值的不同溫度下的光譜數(shù)據(jù)。解調(diào)每個(gè)溫度下峰值所對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在此波長(zhǎng)范圍段中共有24個(gè)中心波長(zhǎng)，經(jīng)計(jì)算每個(gè)中心波長(zhǎng)在不同溫度下的解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)差小于28 pm，如圖14所示。該實(shí)驗(yàn)證明了光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)在不同溫度下的適應(yīng)性，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在不同溫度下解調(diào)出穩(wěn)定中心波長(zhǎng)。

3.4 " "地面靜態(tài)載荷試驗(yàn)

針對(duì)某型飛機(jī)起落架三向載荷監(jiān)測(cè)需求，進(jìn)行解調(diào)系統(tǒng)起落架載荷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。在室溫環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，利用FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行載荷試驗(yàn)。將FBG傳感器分別貼在不同位置點(diǎn)進(jìn)行載荷監(jiān)測(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中載荷從0開(kāi)始，按照10%進(jìn)行逐級(jí)加載，加載到100%峰值后，再按10%一級(jí)進(jìn)行逐級(jí)卸載，利用解調(diào)系統(tǒng)對(duì)FBG應(yīng)變傳感器光譜信息進(jìn)行采集與解調(diào)。

以其中對(duì)航向載荷X單向加載的測(cè)量為例，左輪和右輪施加航向總載荷從0 kN開(kāi)始，一直到峰值12 kN。試驗(yàn)中航向加載對(duì)稱(chēng)分配，左前輪與右前輪比例為1∶1。每個(gè)前輪的載荷分別從0 kN開(kāi)始，以0.6 kN增量逐級(jí)增加，最大為6 kN。以?xún)蓚€(gè)通道為例，首先對(duì)航向載荷X單向加載第一通道進(jìn)行載荷監(jiān)測(cè)，兩個(gè)傳感器起始波長(zhǎng)為分別為1534.488 nm、1551.199 nm，對(duì)應(yīng)CH1-1、CH1-2。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖15所示。

從圖15可以明顯看到，整個(gè)施加載荷過(guò)程中，應(yīng)變傳感器的中心波長(zhǎng)分別在1534.48～1534.62 nm和1551.18～1551.32 nm范圍內(nèi)變化。隨著載荷逐級(jí)增加，傳感器中心波長(zhǎng)逐漸增大，與載荷施加過(guò)程相吻合。對(duì)航向載荷X單向加載第三通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用4個(gè)應(yīng)變傳感器分別放置在不同的位置，對(duì)應(yīng)傳感器的起始波長(zhǎng)分別為1534.256 nm、1545.286 nm、1552.045 nm、1556.304 nm。圖16（a）～（d）為4個(gè)傳感器的采樣結(jié)果。可以看出 FBG 應(yīng)變傳感器解調(diào)波長(zhǎng)與施加載荷的力變化一致。證明了該系統(tǒng)可有效應(yīng)用于飛機(jī)起落架載荷監(jiān)測(cè)FBG光譜采集與波長(zhǎng)解調(diào)，解調(diào)波長(zhǎng)穩(wěn)定性好，滿(mǎn)足FBG傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和載荷監(jiān)測(cè)需求。

為進(jìn)一步研究解調(diào)儀在飛機(jī)起落架載荷監(jiān)測(cè)中的穩(wěn)定性，對(duì)采集的6組傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中一共進(jìn)行10級(jí)載荷加載，將每一級(jí)載荷采集到的波長(zhǎng)求取平均值，每組數(shù)據(jù)可以得出10個(gè)波長(zhǎng)均值。將波長(zhǎng)均值與對(duì)應(yīng)的載荷施加進(jìn)行擬合，計(jì)算6個(gè)傳感器的擬合結(jié)果，經(jīng)計(jì)算R²均大于0.9983，如圖17所示，說(shuō)明中心波長(zhǎng)與載荷施加呈線(xiàn)性關(guān)系，具有良好的擬合度，這表明解調(diào)儀在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中非常穩(wěn)定。

3.5 " "系統(tǒng)誤差分析

解調(diào)系統(tǒng)主要由可調(diào)諧激光器、信號(hào)采集電路以及尋峰算法三部分構(gòu)成，對(duì)這三部分進(jìn)行誤差分析。MG-Y可調(diào)諧激光器是電流調(diào)諧類(lèi)芯片，受溫度影響較大，一般情況下，1 ℃的溫差導(dǎo)致波長(zhǎng)漂移100 pm。盡管在系統(tǒng)中加入了TEC穩(wěn)定溫度控制，但是響應(yīng)速度較大，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生溫差，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，系統(tǒng)在TEC控制下的最大溫差為0.2 ℃。在信號(hào)采集電路中，輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生噪聲，噪聲包括外部噪聲和內(nèi)部噪聲：外部噪聲一般由環(huán)境或者人為產(chǎn)生，是可以避免的；內(nèi)部噪聲由電子器件以及電路產(chǎn)生，隨著環(huán)境變化，信噪比隨之下降，也會(huì)影響到檢測(cè)精度，但是激光器的電流–波長(zhǎng)查找表是在穩(wěn)定的噪聲水平上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的，會(huì)差生1 pm的出射波長(zhǎng)誤差。尋峰算法需要對(duì)反射光譜進(jìn)行擬合獲取峰值對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)，設(shè)備中噪聲的產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化。算法的魯棒性和精度很大程度上依賴(lài)于邊界條件和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。在質(zhì)心法中，光譜響應(yīng)下方的區(qū)域用矩形近似，最后的中心波長(zhǎng)通過(guò)所有矩形圖形面積計(jì)算獲得，是否限定邊界會(huì)使質(zhì)心法求取的面積產(chǎn)生很大的差距，從而導(dǎo)致解調(diào)結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。系統(tǒng)中所采用的解調(diào)算法，首先通過(guò)閾值切割的形式消除了設(shè)備中產(chǎn)生的底噪，增強(qiáng)了峰值的識(shí)別性，為了應(yīng)對(duì)波長(zhǎng)點(diǎn)可能不在閾值線(xiàn)上的情況，通過(guò)補(bǔ)充閾值與光譜交匯處形成的點(diǎn)，形成較為對(duì)稱(chēng)的光譜，可以減小算法的誤差。經(jīng)過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)解調(diào)儀進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量的中心波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.7 pm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1527～1567 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射光譜的高精度穩(wěn)定解調(diào)。

4"結(jié) 論

為適應(yīng)飛機(jī)起落架的寬溫復(fù)雜環(huán)境，將該系統(tǒng)放置于溫箱中在?45～70 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在環(huán)境溫度變化過(guò)程中，在恒定溫度下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行光譜解調(diào)，選取其中的14個(gè)波峰進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)差最大為0.16 pm。為了進(jìn)一步研究解調(diào)系統(tǒng)在飛機(jī)起落架載荷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，將6個(gè)不同波長(zhǎng)的FBG傳感器放置于不同的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在應(yīng)力按照10%逐級(jí)增加時(shí)，中心波長(zhǎng)增大，擬合結(jié)果說(shuō)明施加應(yīng)力與傳感器中心波長(zhǎng)呈線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R²大于0.9983。因此，這種解調(diào)儀具有復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性，在起落架載荷監(jiān)測(cè)中有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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