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，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)的測量。本文對光纖傳感技術(shù)目前在航空航天中的應(yīng)用做了介紹，對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)同時討論了目前技術(shù)中仍然存在的難點，對航空航天光纖傳感技術(shù)的發(fā)展做了分析和預(yù)測，認(rèn)為航空航天中的光纖傳感必然會走向高密度、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，作為一種新型技術(shù)，光纖傳感逐步發(fā)展起來，其核心技術(shù)為通過對光纖中傳輸光的包括波長和相位等在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，再對這些參數(shù)傳輸時的變化進(jìn)行測量，計算出溫度、壓力等需要的數(shù)據(jù)。近年來，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)勢讓它受到越來越多的關(guān)注。目前，傳感器研究中的一個熱點問題就是光纖傳感。

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，隨之而來的是越來越極端的太空環(huán)境，也就是說，傳感器的應(yīng)用環(huán)境越來越復(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)不足以滿足實際要求了。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感的優(yōu)勢日益凸現(xiàn)出來，并且作為航空航天領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)，光纖傳感不僅有著重要的學(xué)術(shù)價值，還有著難以估計的應(yīng)用價值。

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)基于法珀腔長度進(jìn)行傳感，通過信號的不同變化計算出外界參量的變化情況，從而實現(xiàn)對不同參數(shù)的傳感。誕生一年后就有了在F-15戰(zhàn)斗機(jī)上對EFPI傳感器的疲勞測試。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)行測試，模擬了實際飛行器的機(jī)動應(yīng)力。此時傳感器的測量結(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現(xiàn)對測量參數(shù)的實時自校準(zhǔn)。同時，他們在美國空軍基地進(jìn)行了有關(guān)航空器測量。2002年，Pulliam等人研究了在高速燃燒室和發(fā)動機(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)測中使用了EFPI傳感器，主要用于壓力和溫度兩個參量。這一項應(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)嵌時應(yīng)變的測量范圍和精度。同時，國內(nèi)重慶大學(xué)的一些專家學(xué)者也對于光纖傳感的復(fù)用和解調(diào)技術(shù)做了有關(guān)研究，于2005年同國內(nèi)其他學(xué)者一起開展了EFPI的智能加層技術(shù)試驗。根據(jù)實驗結(jié)果，EFPI傳感器的腔長與應(yīng)變有一定的線性相關(guān)，說明智能加層具有得到應(yīng)用的可能性。2009年，國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)者在測量飛機(jī)發(fā)動機(jī)的裂紋時應(yīng)用了EFPI，主要判斷依據(jù)為返回的傳輸信號。2010年，NASA開始了光纖壓力傳感器研發(fā)的資助項目，并且開始將其應(yīng)用在氣流壓力的測量中。[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)面寫入，帶來了光纖光柵制作的一個里程碑，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FBG反射回入射光中的符合匹配條件的單色光，經(jīng)過待測參量的調(diào)制后反射波長變化。因此，通過測量波長，就可以對待測物理量進(jìn)行傳感。

現(xiàn)在，航空航天領(lǐng)域中，對于FBG的研究主要關(guān)注了溫度測量和飛行器結(jié)構(gòu)檢測。2002年Betz等人在客機(jī)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測中使用了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)對老齡飛行器進(jìn)行結(jié)構(gòu)傳感，經(jīng)過大量實驗，F(xiàn)BG對于補(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，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)測系統(tǒng)。同年，又有用于健康監(jiān)測和火情探測的FBG傳感器被研發(fā)出來，專家同年完成了在原型機(jī)上的系統(tǒng)性能測試試驗。2009 年，針對典型的飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，南京航空航天大學(xué)的學(xué)者開展了FBG應(yīng)用與健康監(jiān)測的研究。2010年，Kosters等人在完成對于FBG傳感器的高速解調(diào)技術(shù)研究后，實現(xiàn)了飛行器的沖擊損傷監(jiān)測與定位功能。2011年，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展了FBG測量應(yīng)變技術(shù)，研究了在可變翼體關(guān)鍵位置的監(jiān)測。

同時，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)測的FBG傳感網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)，其主體由12個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)計了一套監(jiān)測系統(tǒng)，用于針對其復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測。2006年出現(xiàn)了FBG傳感器組合在液氫罐的應(yīng)力測量實驗；2008年出現(xiàn)了在近地球軌道中FBG傳感應(yīng)用的測量；2010年Kim 等人在模擬空間環(huán)境中試驗了FBG應(yīng)用的可行性；2012年日本的專家制作了傳感器，其中FBG被當(dāng)做應(yīng)變量，通過實驗，F(xiàn)BG應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)的監(jiān)測可行性被證實。

4 國內(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的作用是通過反射波長反映出環(huán)境中的變化量。可見，如果同時存在溫度和應(yīng)變，F(xiàn)BG的波長就會出現(xiàn)漂移，也就是通常所說的交叉敏感。為了解決這個問題，就必須實現(xiàn)對在熱真空環(huán)境中工作FBG的封裝。對此，技術(shù)人員設(shè)計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)用多點測量的實際需求，學(xué)者們重點研究了多路復(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)生三個部分。其中，光源產(chǎn)生的光經(jīng)過濾波器進(jìn)行處理后，大部分進(jìn)入檢測通道作為信號。僅有1%作為參考標(biāo)準(zhǔn)，在通過標(biāo)準(zhǔn)具后被探測器收集。由分光器處理后信號光進(jìn)入通道，再經(jīng)過環(huán)形器后開始探測，探測過程需要計算機(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，通過鍍膜面和內(nèi)表面夠早了一個干涉儀，可看做雙光束類型，當(dāng)光線穿過時，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)。通過對系統(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)過特定方法調(diào)制，之后從耦合器中導(dǎo)出。

在這個過程中，光線依次經(jīng)過起偏器、光楔和檢偏器，在經(jīng)過光楔時光線形成低相干條紋，此時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，則信號被耦合部分接受，并送入信號處理部分。為了適應(yīng)航空航天領(lǐng)域中需要進(jìn)行多處測量的要求，同時也要注意盡量采用小型系統(tǒng)，就對多路復(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)計進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，實現(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處理系統(tǒng)。根據(jù)通道類型的不同，這種多通道EFPI可以大致分為兩類，即LED光源調(diào)制類型和光開關(guān)類型。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，測量精度為納米級，滿量程負(fù)荷時精度仍然達(dá)到0.3%。同時，由于采用了不同的波分復(fù)用方法，不同的光源所對應(yīng)的傳感通道也不相同，經(jīng)過所有的干涉信號疊加之后，就構(gòu)成了混疊信號。此時需要通過空間頻域的頻譜分離，再依次復(fù)原不同通道的絕對相位，最后完成解調(diào)。通過考察精度、處理速度等不同指標(biāo)，現(xiàn)在已經(jīng)有了對于解調(diào)算法的許多研究成果。

4.3 聲振動傳感

由于聲振動具有頻率多樣、變化迅速的特點，其產(chǎn)生的壓力非常小，一般僅為微帕至毫帕量級。因此，為了實現(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，通過準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對準(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，實現(xiàn)傳感。與聲音信號頻率較高而強(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 航空大氣壓力實驗

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)都需要通過計算壓力數(shù)據(jù)得出，因此，準(zhǔn)確測量大氣壓力，在導(dǎo)航和控制飛行器中都有著至關(guān)重要的影響。一般來說，EFPI壓力傳感是系統(tǒng)的核心組成，通常同時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，通過法蘭與外界環(huán)境連接。

4.5 航天水升華器監(jiān)測

熱控中的一個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實現(xiàn)環(huán)境中的溫度下降，主要應(yīng)用場所為宇航服。正常工作時，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，還沒有可以實現(xiàn)實時監(jiān)測的有效手段。但是通過將三種傳感系統(tǒng)結(jié)合工作，聯(lián)合不同的參量進(jìn)行傳感，就可以實現(xiàn)對于水升華器的實時監(jiān)控。試驗環(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，充分說明了其具有有效性。

試驗中，通過監(jiān)測，工作人員多次觀察到明顯噴冰，同時，傳感系統(tǒng)也對應(yīng)檢測倒了故障現(xiàn)象，可以認(rèn)為時間點吻合，即實現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文對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)?，F(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，針對航空航天的極端環(huán)境，國內(nèi)外的專家和學(xué)者在特性分析、系統(tǒng)構(gòu)建等方面展開了針對性的研究，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)測航空航天中的光纖傳感必然會走向高密度、大規(guī)模、高精度的發(fā)展方向?，F(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.