王 獻(xiàn),伊重瑾,楊 勇

(1.武漢市消防救援支隊(duì),湖北 武漢 430021;2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國家工程研究中心,湖北 武漢 430070)

飛機(jī)飛行安全是航空工業(yè)和民航領(lǐng)域的核心關(guān)注點(diǎn),旨在確保飛機(jī)在各種條件下的飛行中最大程度降低事故風(fēng)險(xiǎn),飛機(jī)火災(zāi)事故的發(fā)生概率相對(duì)較低,但是火災(zāi)一旦發(fā)生,其后果可能非常嚴(yán)重。因此飛機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是飛機(jī)上十分重要的安全設(shè)備,用于檢測(cè)和報(bào)警飛機(jī)上可能發(fā)生的火災(zāi)或煙霧事件。該類系統(tǒng)經(jīng)過研究和設(shè)計(jì),能確保對(duì)火災(zāi)和煙霧的及時(shí)檢測(cè)和報(bào)警,這些技術(shù)包括光電探測(cè)、離子化煙霧探測(cè)、紅外探測(cè)等[1-2]。其中,光纖光柵傳感器作為一種高效的火災(zāi)報(bào)警裝置具有體積小、重量輕、反應(yīng)迅速靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵傳感的基本原理是利用光纖光柵有效折射率和光柵周期對(duì)外界參量的敏感特性,通過檢測(cè)光柵反射的中心波長(zhǎng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量的測(cè)量。光纖光柵器件在飛機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中可用于溫度監(jiān)測(cè)和火源檢測(cè),預(yù)防潛在的火災(zāi)或高溫事件的發(fā)生。在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)立即發(fā)出警報(bào),為乘客和機(jī)組人員提供更安全的飛行環(huán)境[3-4]。

傳統(tǒng)光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)熱源位置的檢測(cè)并不精確,在大面積區(qū)域出現(xiàn)火情時(shí)無法快速確定火源位置,需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。火源定位技術(shù)是飛機(jī)火災(zāi)報(bào)警的關(guān)鍵一環(huán),這對(duì)于及早采取適當(dāng)?shù)臏缁鸫胧?、減小火災(zāi)造成的損失和確保人員安全非常重要。由于飛機(jī)的組成結(jié)構(gòu)上采用了大量的復(fù)合材料,通常包括纖維材料(如碳纖維、玻璃纖維)和基體材料(如聚合物樹脂)[5-6],需要對(duì)光纖光柵在該類材料上的性能進(jìn)行研究。復(fù)合材料具有輕量化、強(qiáng)度高剛度高、抗腐蝕、設(shè)計(jì)自由度廣、疲勞性能良好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分,包括機(jī)翼、尾翼、機(jī)身、艙壁、襟翼等。因此,在實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中,采用了碳纖維板模擬機(jī)翼板材,設(shè)計(jì)在碳纖維板上光纖光柵火源定位系統(tǒng)。

基于光纖光柵傳感技術(shù)的火源定位實(shí)際流程包括:①傳感器部署,在需要進(jìn)行火源定位的區(qū)域內(nèi),沿著關(guān)鍵部位或結(jié)構(gòu)周邊布置光纖光柵傳感器。②數(shù)據(jù)采集,光纖光柵傳感器通過監(jiān)測(cè)光纖中的光信號(hào)變化來捕捉環(huán)境參數(shù)的變化,如溫度、應(yīng)變、壓力等。當(dāng)火源附近的參數(shù)發(fā)生變化時(shí),傳感器會(huì)記錄這些數(shù)據(jù)。③數(shù)據(jù)傳輸,傳感器數(shù)據(jù)被傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理單元,可以通過光纖連接或無線通信實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)時(shí)的,以便及時(shí)分析和響應(yīng)。④數(shù)據(jù)分析,中央數(shù)據(jù)處理單元會(huì)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以確定哪些傳感器受到了火源附近參數(shù)的影響,這些數(shù)據(jù)可以與傳感器的位置信息相結(jié)合。⑤火源定位算法,使用專門的火源定位算法來處理數(shù)據(jù),以確定火源的位置。⑥警報(bào)和應(yīng)急響應(yīng),一旦確定了火源的位置,系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào),啟動(dòng)火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)措施,如滅火系統(tǒng)的激活、警報(bào)的發(fā)出或疏散程序的啟動(dòng)[7-10]?？偟膩碚f,實(shí)時(shí)定位的分布式光纖光柵傳感器的應(yīng)用有助于確保飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài),減少了熱問題可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),它還可以提高飛機(jī)的可靠性,并降低維護(hù)成本,對(duì)可能出現(xiàn)的問題事先做好診斷和修復(fù)?；诠饫w光柵傳感技術(shù)的復(fù)合材料火源定位方法具有高精度和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn),適用于航空安全領(lǐng)域中精確定位火源的關(guān)鍵應(yīng)用。

1 分布式光柵定位熱源的理論分析

為了在飛機(jī)機(jī)翼精準(zhǔn)測(cè)得著火點(diǎn)位置,不同于在光纖線路上進(jìn)行一維傳感[11-13],設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵溫度傳感的多點(diǎn)位二維平面上的測(cè)溫裝置。在機(jī)翼內(nèi)部的蒙皮材料上附著分布式光柵,為了模擬飛機(jī)上的復(fù)合材料,將使用碳纖維板作為替代,其具有各方向?qū)峋鶆?熱導(dǎo)系數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),如圖1(a)所示。在該板材上搭建了實(shí)驗(yàn)裝置,在厚度為5 mm的準(zhǔn)各向同性碳纖維板上固定了一段U型光纖,如圖1(b)所示。其中,U型光纖上分布有6段柵區(qū)長(zhǎng)度均為10 mm的切趾光纖Bragg光柵。室溫條件下,各光柵的峰值波長(zhǎng)分別為1 540.174 nm、1 544.783 nm、1 550.249 nm、1 544.870 nm、1 560.118 nm和1 565.063 nm,6段光柵邊緣的間距均為60 mm。如圖1(c)所示,在該裝置的下方設(shè)置了由直流電源控制的可加熱銅棒作為模擬火源。通過改變加熱銅棒在板下的位置可以測(cè)試該裝置對(duì)火源的定位效果。

圖1 光柵陣列示意圖

1.1 光纖Bragg光柵測(cè)溫原理

(1)

對(duì)于二氧化硅制備的光柵,在不考慮外界其他因素影響時(shí),根據(jù)光纖Bragg光柵的光柵方程λB=2neffΛ可得光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù):

(2)

式中:ΔT為溫度的變化量;αn為熱光系數(shù);αΛ為線性熱膨脹系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)的變化量與溫度的變化線性相關(guān),通過程序擬合得到的峰值波長(zhǎng)能根據(jù)上式解得此時(shí)光柵柵區(qū)對(duì)應(yīng)的溫度。

1.2 分布式光柵定位熱源原理

實(shí)驗(yàn)通過分布式光柵對(duì)溫度的響應(yīng)反推出熱源的位置,因此還需要確定導(dǎo)熱板材上溫度的分布情況,溫度最高的位置即為熱源。首先要確定各點(diǎn)的坐標(biāo)位置,如圖2所示。將碳纖維板的底邊作為x軸,底邊中點(diǎn)為原點(diǎn),并作出相應(yīng)的y軸。裝置中6段實(shí)驗(yàn)光柵由波長(zhǎng)從小到大標(biāo)號(hào)為1、2、3、4、5、6,它們的中點(diǎn)坐標(biāo)分別為(7.5,3)、(7.5,10)、(3.5,15)、(-3.5,15)、(-7.5,10)、(-7.5,3)。

圖2 裝置坐標(biāo)圖

在這樣一塊碳纖維板下表面放置的熱源是溫度固定但位置不確定的。求出不同位置熱源和各光柵之間的距離,得到的值若與光柵溫度呈固定的函數(shù)關(guān)系,就可以解出熱源坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)定位功能。

將碳纖維板的導(dǎo)熱系統(tǒng)看成是一個(gè)圓柱,圓柱上表面圓心處即為著火點(diǎn),坐標(biāo)為(x,y),圓柱上表面半徑為r,此處溫度為t,面積A=πr2,根據(jù)傅里葉定律,熱流量可以表示為:

(3)

式中:λ為碳纖維板的導(dǎo)熱系數(shù),由于銅加熱棒的功率固定,這里的Φ設(shè)置為一定值。將該式積分并根據(jù)邊值條件r→∞,t=23 ℃可以解得溫度隨半徑變化的關(guān)系式:

(4)

因此可以根據(jù)光柵的溫度得到光柵到著火點(diǎn)的距離r。設(shè)1號(hào)光柵和2號(hào)光柵的坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2),他們到著火點(diǎn)的距離為r1,r2,根據(jù)式(5)可解得(x,y),實(shí)現(xiàn)定位的目的,六點(diǎn)位光柵能測(cè)得多組數(shù)據(jù)減小誤差。

(5)

2 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 光纖Bragg光柵測(cè)溫曲線的標(biāo)定

由于實(shí)驗(yàn)中的Bragg光柵溫度靈敏系數(shù)并不確定,需要通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫光柵測(cè)量6段實(shí)驗(yàn)光柵的溫度變化。已知測(cè)溫光柵在的室溫下的波長(zhǎng)為1 550.156 nm,測(cè)溫光柵的溫度系數(shù)為10 pm/℃,將這樣的測(cè)溫光柵依次與6段實(shí)驗(yàn)光柵放在同一位置。根據(jù)式(1),用軟件擬合得到的反射曲線如圖3所示,可以讀出對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng),得到第三段光柵對(duì)應(yīng)的溫度和峰值波長(zhǎng)如表1所示,繪制圖4,計(jì)算出斜率k=10 pm/℃,即為實(shí)驗(yàn)裝置中3號(hào)光柵的溫度系數(shù)。再對(duì)其他5段光柵進(jìn)行測(cè)量,溫度系數(shù)的結(jié)果一致,均為10 pm/℃,這樣便確定了光柵反射譜中心波長(zhǎng)和光柵柵區(qū)溫度的關(guān)系。

表1 3號(hào)光柵峰值波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系表

圖3 3號(hào)光柵波長(zhǎng)在不同溫度下的反射率

圖4 3號(hào)光柵峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化圖

2.2 利用定位裝置確定著火點(diǎn)坐標(biāo)

確定好實(shí)驗(yàn)中6段光柵的測(cè)溫曲線后即可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。在碳纖維板的底部選取了a、b、c、d、e、f共6個(gè)點(diǎn)模擬火源位置,見圖2中圓點(diǎn),坐標(biāo)分別為(0,7.5)、(-2.5,7.5)、(2.5,7.5)、(2.5,5)、(0,5)、(0,-2.5)。同一功率的加熱銅棒依次放置在這6個(gè)點(diǎn)位,即可以測(cè)得同一溫度不同位置熱源條件下給6段光柵帶來的波長(zhǎng)漂移。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,利用python依據(jù)式(1)對(duì)測(cè)溫曲線進(jìn)行擬合可以得到各段光柵的峰值波長(zhǎng),將相應(yīng)的波長(zhǎng)代入式(2)中可解得每段光柵對(duì)應(yīng)的溫度。峰值波長(zhǎng)、溫度與光柵到熱源的距離如表2所示。

表2 各段光柵峰值波長(zhǎng)、溫度距離的關(guān)系表

圖5 各點(diǎn)位光纖波長(zhǎng)與反射率的關(guān)系圖

由于加熱銅棒輸出功率固定,這里的熱流量Φ為一定值,碳纖維板的導(dǎo)熱系數(shù)也為定值,因此Φ/λ應(yīng)當(dāng)為一常數(shù)。根據(jù)式(4),將6段光柵溫度與距熱源距離作圖并擬合可得圖6,6組擬合曲線的Φ/λ值如表3所示,可以發(fā)現(xiàn)它們近乎為一定值,對(duì)6者求平均得到Φ/λ=41.155 5 ℃/cm,該系統(tǒng)光柵溫度-熱源距離關(guān)系式即可確定為:

表3 各段光柵Φ/λ系數(shù)表

圖6 熱源距離與光柵溫度的關(guān)系圖

(6)

式(6)即為碳纖維板上的溫度分布。因此,通過兩段光柵峰值波長(zhǎng)的變化就能反推出熱源的精確坐標(biāo),多段光柵的組合也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的定位精度。

將光柵的溫度數(shù)據(jù)代入式(6)可得不同光柵與火源的距離,在該過程中去除兩組與其他組別相差明顯的數(shù)據(jù)后,剩下的4組數(shù)據(jù)兩兩組合;再根據(jù)式(5)求得坐標(biāo),如表4所示。

表4 各點(diǎn)推算坐標(biāo)

根據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)火源實(shí)際坐標(biāo)與推算坐標(biāo)之間的誤差小于5 mm。利用光矢量分析儀可以在1 s內(nèi)將波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,隨后經(jīng)程序計(jì)算能在1 s內(nèi)確定著火點(diǎn)坐標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)為了在復(fù)合材料板材上精確定位著火點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)了一種分布式光纖光柵測(cè)溫裝置,理論分析了該裝置的可行性并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(2)實(shí)驗(yàn)上制備并組建了該裝置,在一根光纖上刻蝕出6段峰值波長(zhǎng)不同但柵區(qū)長(zhǎng)度、邊緣間距相等的光柵,將這樣的光纖光柵以U形粘連在復(fù)合碳纖維板上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的定位。

(3)由于光纖光柵波長(zhǎng)隨溫度線性變化,碳纖維板上的溫度分布和熱源距離又具有固定的函數(shù)關(guān)系,因此,基于光柵反射譜的峰值波長(zhǎng)能夠得到該光柵柵區(qū)到熱源之間的距離。通過6組光柵中心波長(zhǎng)的變化求解出距離能夠精確地反推出熱源坐標(biāo),即著火點(diǎn)的位置。

(4)后續(xù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)對(duì)光柵陣列中的6個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行了測(cè)試,通過每段光柵不同的波長(zhǎng)信息推導(dǎo)出了柵區(qū)溫度與兩點(diǎn)間距離的關(guān)系式。將數(shù)據(jù)帶入進(jìn)行驗(yàn)證,可在5 mm誤差的范圍內(nèi)推導(dǎo)出著火點(diǎn)的坐標(biāo),整個(gè)系統(tǒng)具有較短的響應(yīng)時(shí)間。