光纖傳感器在低溫運載火箭上的應用

李鐵 夏智勇 陳智豐 黃小春

摘? ?要：光纖傳感器作為火箭低溫儲箱應變監(jiān)測和溫度測量的測量設備，其具有靈敏度高、抗電磁和輻射干擾能力強的特點。本文通過施工實例，對光纖傳感器的監(jiān)測原理和施工工藝進行了探討，重點強調(diào)了低溫復雜工況下傳感器的固定措施和光纜余量及彎曲半徑對產(chǎn)品性能的影響，提出了閉環(huán)測試的工藝思路，為后續(xù)其他型號火箭的應用提供了參考。

關鍵詞：光纖傳感器? 低溫運載火箭? 測量? 施工工藝? 彎曲半徑

光纖傳感器作為測量傳感器的一種，利用其對應變、溫度變化敏感的特點，可成功實現(xiàn)對大直徑低溫儲箱應變監(jiān)測和復雜熱環(huán)境下發(fā)動機尾艙內(nèi)的溫度測量。這為掌握低溫儲箱加注后變形、箭體飛行過程中結(jié)構(gòu)變形及發(fā)動機尾艙環(huán)境溫度信息提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，對防控因箭體結(jié)構(gòu)局部應變應力過大造成的不利影響起到了重要作用。

1? 光纖傳感器在低溫火箭上的應用

1.1 光纖傳感器在低溫火箭上的布局及信號傳輸路徑

低溫火箭上應用的光纖傳感器主要分為光纖溫度傳感器和光纖應變傳感器。光纖溫度傳感器呈網(wǎng)絡分布式安裝于發(fā)動機尾艙，光纖應變傳感器采用多路并行分段施工的方式布置于低溫儲箱側(cè)壁卡箍。利用光纖解調(diào)儀實現(xiàn)對傳感器信號的解調(diào)，將測量的溫度及應變轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。該測量分系統(tǒng)依靠箭上電池供電，所有采集數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)傳回地面（見圖1）。

1.2 光纖傳感器測量原理

光纖傳感器的敏感元件為光纖光柵，其本質(zhì)是一段纖芯折射率周期性變化的光纖，長度一般從幾個毫米到幾十厘米不等。常用的光纖光柵為1cm左右長度的反射率為80%～90%的布拉格光纖光柵，當一束寬光譜光λ經(jīng)過光纖光柵時，被光柵反射回單一頻率的光λB，光纖光柵相當于一個窄帶的反射鏡[2]，反射特定波長的光，其余部分無損輸出（見圖2）。

當光纖光柵受應變或周圍的溫度變化時，將導致光柵周期和有效纖芯的折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生光柵信號的波長漂移ΔλB，通過監(jiān)測光纖光柵反射波長λB的變化，即可獲得測點上光纖光柵的應變和周圍溫度的變化狀況[3]。光纖光柵波長漂移ΔλB與應變和溫度的變化關系如下：

其中，第一項代表光纖的應變效應，Pe為彈光系數(shù)，第二項表示溫度對光纖的影響，αΛ為光纖材料的膨脹系數(shù)，αn為熱光系數(shù)，Sε、ST分別為光纖應變傳感器應變、溫度靈敏度系數(shù)。

1.3 箭上光纖傳感器產(chǎn)品特點

由于光纖光柵對溫度和應變均敏感，往往通過改變封裝形式的方法將光纖光柵封裝成溫度傳感器和應變傳感器。光纖應變傳感器采用熱塑橡膠作為封裝材料，以起到保護光纖和輔助灌膠粘接的作用，這相當于直接將光纖光柵粘貼在被測結(jié)構(gòu)上，可提高對應變監(jiān)測靈敏度。這種柔性封裝的傳感器能夠適應小曲面安裝，也大大提高了對安裝環(huán)境的適應能力。光纖溫度傳感器采用不銹鋼基體進行封裝，傳感器的兩側(cè)安裝耳用于傳感器的粘接，同時也可保證結(jié)構(gòu)體的應變僅施加到兩個安裝耳之間，而不會施加到光纖光柵上，避免安裝基底形變對光纖溫度傳感器產(chǎn)生影響。但是這兩種光纖光柵中心波長均受到溫度變化影響，表現(xiàn)為光纖應變傳感器中心波長受結(jié)構(gòu)體應變、溫度影響，光纖溫度傳感器僅受結(jié)構(gòu)體溫度影響。因此在應變監(jiān)測中，需要通過光纖補償傳感器對光纖應變傳感器的測量結(jié)果進行補償。

2? 光纖傳感器在低溫火箭上的施工工藝

箭上所敷光纖通過加裝鎧甲或耐高溫玻璃纖維編織套進行防護，以提高光纖強壯性。但由于箭上安裝環(huán)境復雜，需考慮低溫環(huán)境下儲箱收縮、飛行增壓過程箭體膨脹、箭體飛行過程中高頻振動等多重復雜環(huán)境因素影響，給光纖傳感器的施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。

為了保證光纖傳感器安裝后產(chǎn)品性能完好，施工質(zhì)量可控，最終狀態(tài)滿足測量測試要求，我們主要從施工前操作考試、施工操作過程精細化管理、施工后產(chǎn)品性能測試三個方面對傳感器的安裝質(zhì)量進行有效把控。

2.1 施工前準備

（1）對參加光纖傳感器施工的人員進行崗前培訓，并對施工中關鍵操作進行實操考試，合格后方可上崗。

（2）施工前應對施工部位進行清潔處理。禁止其他箭上操作，并對施工區(qū)域隔離劃分。

（3）檢查傳感器上箭前的狀態(tài)，對其進行光強測試并記錄。

2.2 光纖傳感器施工安裝

（1）使用定位工裝對每個卡箍的安裝區(qū)域并用記號筆進行標記，以組為單位對每個卡箍上傳感器對應的安裝位置進行清潔，要求安裝表面處理后無銹蝕、無油脂。

（2）采用倒序的方法將各傳感器測點及各段滑管與其安裝位置一一對應并用3M膠帶對兩者進行預固定，直至該路傳感器全部預固定完成，將鎧裝光纜沿卡箍側(cè)壁進行預敷設，此過程禁止線纜扭轉(zhuǎn)打折。

（3）取下預固定的第一個光纖應變傳感器測點，撕去測點背面的雙面膠，并按照定位標記將其貼在安裝位置，上下兩端面粘貼3M膠帶輔助固定。

（4）按照步驟C依次完成每一個傳感器測點的雙面膠預固定工作。

（5）光纖應變傳感器安裝采用樂泰E-20HP環(huán)氧樹脂膠粘劑，其固化時間較長，需使用膠帶輔助固定傳感器。將配好的膠液置于注射器內(nèi)，使注射器針頭對準傳感器測點的注膠孔，緩慢推進注射器活塞，使膠液勻速緩慢注入光纖安裝槽內(nèi)。當傳感器兩側(cè)溢膠孔有膠液溢出時，說明光纖安裝槽內(nèi)已充滿膠液，此時停止注膠，完成單個傳感器測點的安裝，重復此步驟完成該組卡箍中所有應變傳感器測點的注膠。

（6）光纖溫度傳感器及補償傳感器安裝時，應先使用無水乙醇清潔安裝表面和傳感器安裝耳，在安裝耳正面涂抹樂泰E-20HP膠，要求膠液涂抹均勻適量，涂膠后迅速將傳感器扣裝在測點位置，按壓2min，并用3M膠帶進行輔助固定。

（7）由于傳感器安裝于低溫貯箱卡箍側(cè)壁，為增加傳感器測點和滑管固定的強壯性，采用玻璃纖維布浸蘸DW-3膠液對傳感器測點和滑管進行附加固定。