聚英融合 承载超越｜光纤传感技术

1.光纤传感技术

20世纪70年代末，光纤传感技术随着光纤通信技术的发展而迅速兴起。航空领域作为传感器应用的密集领域，对于传感器的灵敏度、体积、重量及可集成性都提出了很高要求。一架飞机为了监测其压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵位置等信息，需要使用的传感器数量超过100个，而光纤传感器在合适的布置条件下可以只利用一根光纤串联上千个传感元件，且抗电磁干扰，几乎没有其他传感器可以与之相媲美，因此，光纤传感在航空工业中越来越受到青睐。

光纤传感器按测量范围可分为点测量、准分布式测量和分布式测量三种。通常所说的准分布测量是指点测量串联而成的多点测量，而分布式测量则是光纤每处都可作为传感器。光纤结构通常为如图1所示同轴圆柱体，沿径向从里到外分为纤芯、包层和涂履层三部分。最常应用的光纤光栅是利用紫外曝光技术在光纤纤芯内形成的折射率周期性分布结构，当一定带宽的光通过环形器入射到光纤光栅中，由于光纤光栅具有波长选择性，只能使特定波长的光发生反射，然后通过解调仪或光谱仪来测量反射光的波长变化，就可以实现被测结构应变和温度的测量。

图1 光纤基本构造图

图2所示为光纤传感系统的基本组成部分。在光纤光栅应变传感器测量范围内，其中心波长变化量与温度及所受轴向应力作用时产生的轴向应变分别成线性关系，导致其对应变和温度的双敏感特性。因此，需得到温度和应变变化与光纤光栅中心波长变化量的关系，消除温度对应变测量的影响，保证应变测量精度。

图2 光纤传感系统基本组成部分

2.光纤传感技术在商用飞机中的应用

光纤传感器在应用时可以作为独立的光纤传感器件，粘接在被测物上进行监测，也可以与其他材料复合而成为一种智能结构。在商用飞机应用领域中，Boeing、airbus以及中国商飞等机构在光纤应用领域都形成了丰富的研究成果。Boeing分别在 Delta 767 和 Boeing 7E7 上进行了湿度监测和结构微裂纹探测研究，并在777和787中应用了光纤温度及应力应变测量技术；airbus利用光纤监测飞机的温度和应力状况，并在A340上进行了测试验证；而商飞在C919结构地面静力和疲劳测试中都采用了光纤传感器进行局部关键区域的应变监测。

随着光纤传感技术的发展，光纤传感器在商用飞机结构健康监测中将会发挥更大的作用。除了基本的结构应变及温度监测，通过对结构健康状况等长期在线、实时监测，可以预测结构内部的损伤及剩余寿命，从而从根本上消除隐患及避免灾难性意外事故的发生。从发展趋势来看，基于光纤传感的商用飞机结构健康监测还将从如下三方面进行深入探索：整机疲劳寿命监测、关键结构损伤监测和埋入式复合材料固化监测。

整机疲劳寿命监测可采用两种方法：1.利用光纤传感器网络配合神经网络对载荷谱等飞行参数进行监测从而预测飞机结构的剩余寿命。2.通过结构局部点应变值的测量，反过来估计结构的整体载荷情况。再将载荷监测和疲劳寿命预计分析相结合，从而实现疲劳寿命监测。

关键结构损伤监测是在飞机的重要部位布置光纤传感器，监测应变、振动模态等信息的变化，通过信息处理、计算分析和损伤模式识别等途径判断损伤的位置和程度。

结合目前复合材料制造过程中温度及内应力监测的必要性，将光纤光栅埋入到复合材料结构，为固化温度和残余应变监测提供有效技术手段，为推进商用飞机复合材料结构制造、装配和服役监测一体化提供支持。