多參量融合的光纖光柵傳感器測試技術(shù)研究

左思佳　李盧丹

摘? 要：目前飛行試驗(yàn)中溫度和應(yīng)變參數(shù)均采用傳統(tǒng)傳感器，每個(gè)參數(shù)單獨(dú)測試采集，這種方法布線多，改裝復(fù)雜，且飛機(jī)測試參數(shù)日益增多，對傳感器重量、體積以及能否實(shí)現(xiàn)分布式測試要求迫切。通過安裝光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)對飛機(jī)上多處應(yīng)變/溫度進(jìn)行分布式測量，并通過與傳統(tǒng)傳感器比對，建立模型提高測量精度，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)應(yīng)變、溫度等參量同時(shí)測試，極大地減少加裝在飛機(jī)上的傳感器數(shù)量和重量，降低改裝難度。

關(guān)鍵詞：光纖光柵;飛行試驗(yàn);溫度;應(yīng)變

中圖分類號：V217? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0144-03

Abstract： At present， the traditional temperature and strain sensors are used in the flight test. Each parameter is tested and collected separately. This method has many wiring， complex refitting. But there will be more and more aircraft test parameters. It is very important to decrease the weight， volume and to realize distributed test of sensors. Through the installation of fiber bragg grating （FBG） sensor network， the distributed measurement of strain/temperature in many places on the aircraft is carried out. Compared with the traditional sensor， the model is established to improve the measurement accuracy and realize the simultaneous measurement of multi-point strain， temperature and other parameters， thus greatly reducing the number and weight of sensors installed on the aircraft and reducing the difficulty of refitting.

Keywords： fiber bragg grating （FBG）; flight test; temperature; strain

1 概述

歐美等許多發(fā)達(dá)國家已將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于多種飛行器主要部件上，波音公司通過光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的遙測，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估;NASA通過光纖光柵傳感器對X-33驗(yàn)證機(jī)上復(fù)合材料高壓容器的溫度、應(yīng)力和壓力情況進(jìn)行全方位監(jiān)測;空客公司通過光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)了對A340各機(jī)構(gòu)的載荷標(biāo)定，但由于國外的技術(shù)封鎖，未能獲取詳細(xì)的技術(shù)資料。

為了推進(jìn)光纖光柵傳感技術(shù)在國內(nèi)飛行試驗(yàn)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多路應(yīng)變、溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確測量，我們在探索光纖光柵傳感特性和工作原理的基礎(chǔ)上，欲將其安裝于真實(shí)飛行試驗(yàn)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)應(yīng)變、溫度等參數(shù)同時(shí)測試;并與傳統(tǒng)傳感器進(jìn)行比對測量，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，從而為推進(jìn)光纖光柵傳感器在飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 原理及技術(shù)實(shí)施方案

2.1 光纖光柵傳感器工作原理

圖1給出了光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)與傳輸光譜示意圖。

從圖1中可以看出光纖光柵傳感器對不同波長的光具有選擇作用，當(dāng)光在其中傳播時(shí)，入射光會在特定波長上被反射回來，而其他波長的光則無影響的通過，峰值反射波長即光柵的中心波長。光纖光柵傳感器中心波長表達(dá)式為：

式中：？撰為纖芯有效折射率;neff為光柵周期;由于應(yīng)變和溫度可以使這兩個(gè)參量發(fā)生改變，因此當(dāng)外界應(yīng)變和溫度變化時(shí)將引起波長漂移，從而獲取應(yīng)變和溫度的變化量。

2.2 光纖光柵傳感器應(yīng)變、溫度試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

使用應(yīng)變片及傳統(tǒng)鉑電阻溫度傳感器是目前飛行試驗(yàn)中準(zhǔn)確度和認(rèn)可度最高的測試方法，因此為了驗(yàn)證光纖光柵傳感器在飛行試驗(yàn)中的可行性，以傳統(tǒng)傳感器輸出為基準(zhǔn)，光纖光柵應(yīng)感器與之比對進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn)，并對測量結(jié)果進(jìn)行分析討論。（如圖2所示）

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 光纖光柵傳感器應(yīng)變、溫度測量實(shí)驗(yàn)

以等強(qiáng)度梁為試驗(yàn)平臺，在其正反兩面相同位置分別分布兩個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，通過施加砝碼實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測試;之后將該試驗(yàn)平臺放置于高低溫箱，改變溫度值，將光纖光柵傳感器測得的數(shù)據(jù)與應(yīng)變片測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，如圖3和4所示。

光纖光柵傳感器通過解調(diào)儀，檢測其中心波長漂移，并將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值或溫度值;傳統(tǒng)測試系統(tǒng)，通過采集器將傳感器輸出信號采集到，并通過校準(zhǔn)曲線轉(zhuǎn)化為對應(yīng)物理量。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)光纖光柵傳感器特性，其應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1pm/με，10pm/℃將解調(diào)儀測得的波長變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，與相同位置應(yīng)變片和鉑電阻測試結(jié)果比對，所得結(jié)果如圖5和圖6所示;其中圖5為應(yīng)變測試結(jié)果對比曲線;圖6為溫度測試結(jié)果對比曲線。

從圖中可以看出，無論是應(yīng)變測試還是溫度測試，光纖光柵傳感器的響應(yīng)均與傳統(tǒng)傳感器同步，但測得的應(yīng)變峰值小于應(yīng)變片，而溫度吻合度非常高，將圖5和圖6中應(yīng)變峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算和傳統(tǒng)測量結(jié)果的相對偏差，見表1和2。

從表1中數(shù)據(jù)可知，應(yīng)變片測得的結(jié)果與理論值基本吻合，測試精度高;光纖對應(yīng)變變化響應(yīng)良好，但測得的應(yīng)變值明顯小于理論值。表明光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞過程中存在損失。從表2中數(shù)據(jù)可知，鉑電阻與光纖傳感器測得的溫度值均與理論值基本吻合，測試精度高，而光纖光柵傳感器溫度測試精度高于鉑電阻。

4 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，驗(yàn)證了光纖光柵傳感器在應(yīng)變和溫度測試中的可行性，其接線簡潔，響應(yīng)良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖光柵傳感器用于應(yīng)變測試時(shí)，存在應(yīng)變損失，精度低于傳統(tǒng)應(yīng)變片;用于溫度測試時(shí)，精度高于鉑電阻，以上試驗(yàn)結(jié)果為實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器在飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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