光纤传感器在低温运载火箭上的应用

李铁 夏智勇 陈智丰 黄小春

摘   要：光纤传感器作为火箭低温储箱应变监测和温度测量的测量设备，其具有灵敏度高、抗电磁和辐射干扰能力强的特点。本文通过施工实例，对光纤传感器的监测原理和施工工艺进行了探讨，重点强调了低温复杂工况下传感器的固定措施和光缆余量及弯曲半径对产品性能的影响，提出了闭环测试的工艺思路，为后续其他型号火箭的应用提供了参考。

关键词：光纤传感器  低温运载火箭  测量  施工工艺  弯曲半径

光纤传感器作为测量传感器的一种，利用其对应变、温度变化敏感的特点，可成功实现对大直径低温储箱应变监测和复杂热环境下发动机尾舱内的温度测量。这为掌握低温储箱加注后变形、箭体飞行过程中结构变形及发动机尾舱环境温度信息提供了可靠的数据支撑，对防控因箭体结构局部应变应力过大造成的不利影响起到了重要作用。

1  光纤传感器在低温火箭上的应用

1.1 光纤传感器在低温火箭上的布局及信号传输路径

低温火箭上应用的光纤传感器主要分为光纤温度传感器和光纤应变传感器。光纤温度传感器呈网络分布式安装于发动机尾舱，光纤应变传感器采用多路并行分段施工的方式布置于低温储箱侧壁卡箍。利用光纤解调仪实现对传感器信号的解调，将测量的温度及应变转换成数字量输出。该测量分系统依靠箭上电池供电，所有采集数据通过遥测系统传回地面（见图1）。

1.2 光纤传感器测量原理

光纤传感器的敏感元件为光纤光栅，其本质是一段纤芯折射率周期性变化的光纤，长度一般从几个毫米到几十厘米不等。常用的光纤光栅为1cm左右长度的反射率为80%～90%的布拉格光纤光栅，当一束宽光谱光λ经过光纤光栅时，被光栅反射回单一频率的光λB，光纤光栅相当于一个窄带的反射镜[2]，反射特定波长的光，其余部分无损输出（见图2）。

当光纤光栅受应变或周围的温度变化时，将导致光栅周期和有效纤芯的折射率发生变化，从而产生光栅信号的波长漂移ΔλB，通过监测光纤光栅反射波长λB的变化，即可获得测点上光纤光栅的应变和周围温度的变化状况[3]。光纤光栅波长漂移ΔλB与应变和温度的变化关系如下：

其中，第一项代表光纤的应变效应，Pe为弹光系数，第二项表示温度对光纤的影响，αΛ为光纤材料的膨胀系数，αn为热光系数，Sε、ST分别为光纤应变传感器应变、温度灵敏度系数。

1.3 箭上光纤传感器产品特点

由于光纤光栅对温度和应变均敏感，往往通过改变封装形式的方法将光纤光栅封装成温度传感器和应变传感器。光纤应变传感器采用热塑橡胶作为封装材料，以起到保护光纤和辅助灌胶粘接的作用，这相当于直接将光纤光栅粘贴在被测结构上，可提高对应变监测灵敏度。这种柔性封装的传感器能够适应小曲面安装，也大大提高了对安装环境的适应能力。光纤温度传感器采用不锈钢基体进行封装，传感器的两侧安装耳用于传感器的粘接，同时也可保证结构体的应变仅施加到两个安装耳之间，而不会施加到光纤光栅上，避免安装基底形变对光纤温度传感器产生影响。但是这两种光纤光栅中心波长均受到温度变化影响，表现为光纤应变传感器中心波长受结构体应变、温度影响，光纤温度传感器仅受结构体温度影响。因此在应变监测中，需要通过光纤补偿传感器对光纤应变传感器的测量结果进行补偿。

2  光纤传感器在低温火箭上的施工工艺

箭上所敷光纤通过加装铠甲或耐高温玻璃纤维编织套进行防护，以提高光纤强壮性。但由于箭上安装环境复杂，需考虑低温环境下储箱收缩、飞行增压过程箭体膨胀、箭体飞行过程中高频振动等多重复杂环境因素影响，给光纤传感器的施工带来了巨大挑战。

为了保证光纤传感器安装后产品性能完好，施工质量可控，最终状态满足测量测试要求，我们主要从施工前操作考试、施工操作过程精细化管理、施工后产品性能测试三个方面对传感器的安装质量进行有效把控。

2.1 施工前准备

（1）对参加光纤传感器施工的人员进行岗前培训，并对施工中关键操作进行实操考试，合格后方可上岗。

（2）施工前应对施工部位进行清洁处理。禁止其他箭上操作，并对施工区域隔离划分。

（3）检查传感器上箭前的状态，对其进行光强测试并记录。

2.2 光纤传感器施工安装

（1）使用定位工装对每个卡箍的安装区域并用记号笔进行标记，以组为单位对每个卡箍上传感器对应的安装位置进行清洁，要求安装表面处理后无锈蚀、无油脂。

（2）采用倒序的方法将各传感器测点及各段滑管与其安装位置一一对应并用3M胶带对两者进行预固定，直至该路传感器全部预固定完成，将铠装光缆沿卡箍侧壁进行预敷设，此过程禁止线缆扭转打折。

（3）取下预固定的第一个光纤应变传感器测点，撕去测点背面的双面胶，并按照定位标记将其贴在安装位置，上下两端面粘贴3M胶带辅助固定。

（4）按照步骤C依次完成每一个传感器测点的双面胶预固定工作。

（5）光纤应变传感器安装采用乐泰E-20HP环氧树脂胶粘剂，其固化时间较长，需使用胶带辅助固定传感器。将配好的胶液置于注射器内，使注射器针头对准传感器测点的注胶孔，缓慢推进注射器活塞，使胶液匀速缓慢注入光纖安装槽内。当传感器两侧溢胶孔有胶液溢出时，说明光纤安装槽内已充满胶液，此时停止注胶，完成单个传感器测点的安装，重复此步骤完成该组卡箍中所有应变传感器测点的注胶。

（6）光纤温度传感器及补偿传感器安装时，应先使用无水乙醇清洁安装表面和传感器安装耳，在安装耳正面涂抹乐泰E-20HP胶，要求胶液涂抹均匀适量，涂胶后迅速将传感器扣装在测点位置，按压2min，并用3M胶带进行辅助固定。

（7）由于传感器安装于低温贮箱卡箍侧壁，为增加传感器测点和滑管固定的强壮性，采用玻璃纤维布浸蘸DW-3胶液对传感器测点和滑管进行附加固定。