浅探航空航天光纤传感技术

刘玥

【摘 要】由于光纤传感器具备包括体积小质量轻抗干扰能力强等许多优点，在航空航天的极端环境下，仍然能够进行包括压力和角速度等许多数据的测量。本文对光纤传感技术目前在航空航天中的应用做了介绍，对于目前航空航天传感器技术的发展和应用进行了介绍和总结同时讨论了目前技术中仍然存在的难点，对航空航天光纤传感技术的发展做了分析和预测，认为航空航天中的光纤传感必然会走向高密度、大规模、高精度的发展方向。

【关键词】航空航天 光纤 压力 温度

1 绪论

上世纪70年代以来，作为一种新型技术，光纤传感逐步发展起来，其核心技术为通过对光纤中传输光的包括波长和相位等在内的参数进行调制，再对这些参数传输时的变化进行测量，计算出温度、压力等需要的数据。近年来，随之技术的不断发展，光纤传感器的灵敏度高、体积小等优势让它受到越来越多的关注。目前，传感器研究中的一个热点问题就是光纤传感。

目前在光纤传感领域，EF-PI传感器、FBG传感器以及FOG传感器是应用最多且前景较为看好的三种，主要应用领域包括电力能源、航天、石油化工等。随着飞行器技术的不断更新，航空航天事业也不断发展，随之而来的是越来越极端的太空环境，也就是说，传感器的应用环境越来越复杂，这就使得传感器技术面临着巨大的挑战，传统的电子机电技术已经不足以满足实际要求了。与传统传感器相比，光纤传感的优势日益凸现出来，并且作为航空航天领域的一项关键技术，光纤传感不仅有着重要的学术价值，还有着难以估计的应用价值。

2 航空航天中的EFPI技术

EFPI传感器诞生于1991年，由Murphy 等人研制成功。其核心原理為根据基于法珀腔长度进行传感，通过信号的不同变化计算出外界参量的变化情况，从而实现对不同参数的传感。诞生一年后就有了在F-15战斗机上对EFPI传感器的疲劳测试。此后，在1994年Greene等人用六只EFPI传感器组成阵列，在飞机副翼上进行测试，模拟了实际飞行器的机动应力。此时传感器的测量结果精度已经初步让人满意。[1]

至1996年，Bhatia等人在已有EFPI传感器的基础上，利用白光低相相干干涉实现对测量参数的实时自校准。同时，他们在美国空军基地进行了有关航空器测量。2002年，Pulliam等人研究了在高速燃烧室和发动机中EFPI传感器的应用。2003年，Luna Innovations公司在波音公司出产的飞机健康监测中使用了EFPI传感器，主要用于压力和温度两个参量。这一项应用确定了该系统的原理和工作流程等。2004年，Richards等人研究了在航天复合材料中FEPI传感器的特性，确定了其内嵌时应变的测量范围和精度。同时，国内重庆大学的一些专家学者也对于光纤传感的复用和解调技术做了有关研究，于2005年同国内其他学者一起开展了EFPI的智能加层技术试验。根据实验结果，EFPI传感器的腔长与应变有一定的线性相关，说明智能加层具有得到应用的可能性。2009年，国内西北工业大学的学者在测量飞机发动机的裂纹时应用了EFPI，主要判断依据为返回的传输信号。2010年，NASA开始了光纤压力传感器研发的资助项目，并且开始将其应用在气流压力的测量中。[2]

3 航空航天中的FBG技术

世界上第一根光纤光栅诞生于1978年，主要原理为光纤的光敏效应。此后，Meltz等人在此基础上加入了紫外线侧面写入，带来了光纤光栅制作的一个里程碑，成功研制出第一只可以适用于通信的FBG。

FBG传感器所使用的栅格周期一般为539nm左右，为均匀周期光纤光栅。起主要传感原理为通过FBG反射回入射光中的符合匹配条件的单色光，经过待测参量的调制后反射波长变化。因此，通过测量波长，就可以对待测物理量进行传感。

现在，航空航天领域中，对于FBG的研究主要关注了温度测量和飞行器结构检测。2002年Betz等人在客机的结构监测中使用了FBG传感器，载荷标定成功完成。20005年，有关学者提出了使用FBG构建网络对老龄飞行器进行结构传感，经过大量实验，FBG对于补丁的退化传感可行性被证明。2006年，武汉理工大学的学者提出了一种FBG传感器，并对其在封装和不封装的条件下的工作特性做出了分别研究，得出了在允许温度范围内两者的灵敏系数。2008年，Takeya 等人构造了一种网络结构，在其中使用FBG传感器进行飞行器的结构监测，该网络可靠性较高，在其中主要使用了翼尖夹具和监测系统。同年，又有用于健康监测和火情探测的FBG传感器被研发出来，专家同年完成了在原型机上的系统性能测试试验。2009 年，针对典型的飞机复合材料结构，南京航空航天大学的学者开展了FBG应用与健康监测的研究。2010年，Kosters等人在完成对于FBG传感器的高速解调技术研究后，实现了飞行器的冲击损伤监测与定位功能。2011年，国内学者进一步发展了FBG测量应变技术，研究了在可变翼体关键位置的监测。

同时，航天领域的FBG光纤技术也有了很大的进展。2001年，能够用于X-38宇宙飞船结构监测的FBG传感网已经出现，其主体由12个FBG传感器构成。2004年，Ogisu等人根据新一代航天器的材料特征，使用压电陶瓷FBG设计了一套监测系统，用于针对其复合材料进行结构监测。2006年出现了FBG传感器组合在液氢罐的应力测量实验；2008年出现了在近地球轨道中FBG传感应用的测量；2010年Kim 等人在模拟空间环境中试验了FBG应用的可行性；2012年日本的专家制作了传感器，其中FBG被当做应变量，通过实验，FBG应用于航天结构的监测可行性被证实。

4 国内技术领域现状

4.1 温度、应变传感

FBG传感器能够作为敏感元件，在温度和应变系统中工作，其中FBG的作用是通过反射波长反映出环境中的变化量。可见，如果同时存在温度和应变，FBG的波长就会出现漂移，也就是通常所说的交叉敏感。为了解决这个问题，就必须实现对在热真空环境中工作FBG的封装。对此，技术人员设计了许多封装传感器并投入制作，并且采用了温度补偿算法进行修正，改良了参量传感。为满足航空航天传感应用多点测量的实际需求，学者们重点研究了多路复用，现在已经成功研制了8路并行系统。这个系统中应用了可调谐技术，可以分为数据处理、传感校正和光源产生三个部分。其中，光源产生的光经过滤波器进行处理后，大部分进入检测通道作为信号。仅有1%作为参考标准，在通过标准具后被探测器收集。由分光器处理后信号光进入通道，再经过环形器后开始探测，探测过程需要计算机参与处理。

4.2 压力传感

在EFPI的基础上，现在已经有了经过进一步改良的压力传感器。这种传感器中的芯片玻璃上有经过精细腐蚀形成的小浅坑，底部镀有反射膜，使用键合技术在真空中封装构成。并且，通过镀膜面和内表面够早了一个干涉仪，可看做双光束类型，当光线穿过时，首先接触玻璃底。采用激光热熔将芯片固定在毛细管上，用于传输光线。这样，封装就完成了。

为了提高压力的测量精度，采取了结合低相干涉和EFPI的方式，构建出低相干涉基础上的傳感系统。通过对系统性能的不同层次分析，可以将系统分为传感部分、解调部分以及处理部分。其中，解调部分来自于1992年Dndliker所提出结构的改进，即在系统中，经过耦合器处理后LED灯光源发出的光线抵达传感器，在其中形成感受，再经过特定方法调制，之后从耦合器中导出。

在这个过程中，光线依次经过起偏器、光楔和检偏器，在经过光楔时光线形成低相干条纹，此时一旦某一处的光程差与传感器所设定的值匹配上了，即复合后光程差为0时，则信号被耦合部分接受，并送入信号处理部分。为了适应航空航天领域中需要进行多处测量的要求，同时也要注意尽量采用小型系统，就对多路复用提出了更高的要求。在阵列型EFPI系统的基础上，该设计进行了进一步改进，实现了解调部分效率的提升，并且使得不同的传感器使用了同一个处理系统。根据通道类型的不同，这种多通道EFPI可以大致分为两类，即LED光源调制类型和光开关类型。现在已有的24路EFPI系统，工作扫描频率可达12千赫兹，测量精度为纳米级，满量程负荷时精度仍然达到0.3%。同时，由于采用了不同的波分复用方法，不同的光源所对应的传感通道也不相同，经过所有的干涉信号叠加之后，就构成了混叠信号。此时需要通过空间频域的频谱分离，再依次复原不同通道的绝对相位，最后完成解调。通过考察精度、处理速度等不同指标，现在已经有了对于解调算法的许多研究成果。

4.3 声振动传感

由于声振动具有频率多样、变化迅速的特点，其产生的压力非常小，一般仅为微帕至毫帕量级。因此，为了实现传感，就要使用薄膜式传感器。其主要原理为使用薄膜作为敏感元件，为了提高传感器灵敏度，采用超薄聚合物作为膜片，在经过预拉伸后将其固定。为了满足不同的应用要求，要预先设置膜片的谐振频率。膜片作为反射界面，构成了微腔的一部分，可以形成双光束干涉。

传感器主体使用D型毛细管，通过准直结构实现对准。在声波压力下膜片上产生形变，导致其与光纤端面的距离变化，从而改变了入射光的相位，实现传感。与声音信号频率较高而强度不高的特征相适应，适合采用强度解调方法。

4.4 航空大气压力实验

航空大气数据中，最为基本的参考量就是大气压力。其中包括飞行高度、静压、全压等参数。由于其他数据都需要通过计算压力数据得出，因此，准确测量大气压力，在导航和控制飞行器中都有着至关重要的影响。一般来说，EFPI压力传感是系统的核心组成，通常同时配有高控制精度的压力控制部分和温度控制设备等辅助结构，构成压力测试系统。连接密封压力舱和控制设备的一般是气管，而压力舱中配备传感器，通过法兰与外界环境连接。

4.5 航天水升华器监测

热控中的一个重要组成就是航天水升华器，其主要原理是利用了物质的汽化中吸收的热量来实现环境中的温度下降，主要应用场所为宇航服。正常工作时，水升华器是周期式的，工作中不断排出降温用的蒸汽。如果仪器出现故障，就会产生喷冰。

目前，由于传感技术应用条件的限制，而水升华器的工作环境为热真空，还没有可以实现实时监测的有效手段。但是通过将三种传感系统结合工作，联合不同的参量进行传感，就可以实现对于水升华器的实时监控。试验环境由模拟器进行模拟，其中最低温度约零下两百摄氏度，而所有传感器均能正常工作，充分说明了其具有有效性。

试验中，通过监测，工作人员多次观察到明显喷冰，同时，传感系统也对应检测倒了故障现象，可以认为时间点吻合，即实现了传感系统的应用。

5 结语

本文对于目前航空航天传感器技术的发展和应用进行了介绍和总结。现在，在航空航天光纤传感领域已经有了许多研究成果。同时，针对航空航天的极端环境，国内外的专家和学者在特性分析、系统构建等方面展开了针对性的研究，已经取得了很大进展。但是在严酷的环境中，有关技术仍然面临着很大挑战。

总而言之，可以预测航空航天中的光纤传感必然会走向高密度、大规模、高精度的发展方向。现在，已有的研究成果仍然不足以满足所需求的复杂应用，因此还需要更多更深入的研究和探索。

参考文献：

[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.