先进飞机追求高稳定性、高性能以及更高的气动效率，而进气道对于维持航空发动机的正常运行和提升飞机性能至关重要。因此，研究者需要优化进气道结构设计，并在地面和飞行测试阶段对其性能参数进行准确评估。然而，流场的复杂瞬态特性以及进气道结构日益增加的复杂性，对测量的准确性、响应时间和空间分辨率等提出了越来越高的要求。
近年来，光纤传感器凭借尺寸小、精度高且抗电磁干扰能力强等优势，在航空航天测量领域显示出巨大潜力。基于光纤法布里珀罗（Fabry–Pérot，FP）传感器的快速响应气动探针已经被成功应用于高速矢量流场测量、高温高压涡轮机械流场测量等场景中。然而，受限于当前微加工技术，目前的光纤FP传感器往往在尺寸大小、使用场景（高温、腐蚀性环境等）以及传感器灵敏度、线性度等参数方面有所取舍。因此，开发能够同时实现小型化、环境适应性强和高线性度等的快速响应气动探针，仍然是极端流场表征领域的一项重要研究挑战。
南京大学/南京航空航天大学的徐飞教授/陈烨研究员团队与谭慧俊教授/黄河峡副教授团队针对上述难点提出了一种用于进气道流场测量的微型光纤压力探针。该工作以“Miniature fiber optic pressure probe for inlet flow field measurements”为题发表在Sensors and Actuators A: Physical。该工作提出的光纤FP传感器结构保留了光纤的尺寸优势，其直径只有125µm，最终封装形成的气动压力探针也只有0.5mm，这使得其可以实现高横向分辨率的非稳态流场测量。同时，凭借飞秒激光加工和电子束蒸发镀膜工艺，该传感器为全玻璃结构，其制备无需任何胶粘剂，相比部分传统光纤FP传感器具有更高的环境鲁棒性，能够在高温、腐蚀性以及脏污环境中工作。
图1 光纤FP压力探针结构图
搭配该团队自研的高速解调系统，该微型光纤压力探针被应用于亚声速风洞（马赫数 0.29 - 0.61）流场测量。相比于大尺寸的压阻式电学压力探头，光纤压力探针无需导管引流，可以直接安装在流场内部进行测量，因此具有更短的响应时间以及更小的传输损失。
图2 (a,b)亚声速风洞流场测量示意图；(c)第一作者现场测试
文章对比了光纤压力探针和压阻式电学探头在流场稳定以及动态变化下的测量数据，结果高度吻合。同时，与传统的压阻式探头相比，该光纤压力探针具有更出色的响应能力和检测精度。通过将超小型化设计、高测量保真度、高频采样能力、卓越的稳定性、宽动态范围和抗电磁干扰能力相结合，所提出的光学压力探针在非稳态流场的高空间分辨率测量方面具有巨大的潜力，将推动高性能飞机研究领域的发展。
图3 流场测量结果
由于研制的传感器具有尺寸小、量程大、抗腐蚀、防水和响应快等优势，阵列组网后成功应用于飞上飞机等跨介质装备的水-气载荷高速测量与分析。
相关研究成果以题为“Miniature fiber optic pressure probe for inlet flow field measurements”发表于Sensors and Actuators A: Physical上，DOI: 10.1016/j.sna.2025.116855。南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生陈熙和南京航空航天大学能源与动力学院博士研究生林正康为该论文的共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院徐飞教授和南京航空航天大学能源与动力学院谭慧俊教授、黄河峡副教授以及物理学院陈烨特聘研究员为该论文的共同通讯作者。
该项目得到了固体微结构物理全国重点实验室、空天信息材料与物理工信部重点实验室等的支持，以及国家自然科学基金、机械结构力学及控制国家重点实验室研究基金的资助。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424725006612
撰稿|课题组
