光纖光柵傳感器在風洞試驗中的應用

多 勐

（中國航空工業(yè)空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

光纖光柵是近些年新研制出來一種新型傳感器，其主導產(chǎn)品光纖布拉格光柵傳感器（FBG）可以用來測量多個物理量，包括應變、應力、溫度、振動、壓力和電壓等，其應用領域非常廣泛。隨著光纖光柵傳感器測量技術的發(fā)展，其在很多領域中得到了廣泛的應用。國際航空雜志報道：“NASA 在其航天飛機X-33 上安裝了測量應變和溫度光纖光柵傳感器網(wǎng)絡，加拿大光子研究機構提出用光纖光柵傳感器測量飛機發(fā)動機系統(tǒng)的壓力和溫度等參數(shù)”。很多國家都在積極開展關于光纖布拉格光柵傳感技術在航空航天領域應用的研究[1]。在國內，航空航天領域應用還處于探索階段，尤其是風洞試驗中的應用處于萌芽期。該文主要根據(jù)光纖光柵傳感器在諸多領域中的應用情況來探討其風洞測試中的應用前景。

1 光纖布拉格光柵傳感器的基本原理

溫度、應變的變化會引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使布拉格光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化，通過檢測布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應的溫度和應變的信息，如公式（1）所示。式中：λB是被反射的波長；neff是光纖布拉格光柵的有效折射率； Λ 為光柵周期。

當一束寬光譜光λB經(jīng)過光纖布拉格光柵時，被光柵反射回一單色光λB相當于一個窄帶的反射鏡。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期ΔΛ 和有效折射率neff有關。通過拉伸和壓縮光纖布拉格光柵， 或者改變溫度， 可以改變光纖布拉格光柵的周期和有效折射率， 從而達到改變光纖布拉格光柵的反射波長的目的。反射波長和應變、溫度、壓力物理量成線性關系。根據(jù)這些特性，可以將光纖布拉格光柵制作成應變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。圖1 為光纖布拉格光柵傳感器的溫度和應變響應原理圖。

2 光纖布拉格光柵傳感器發(fā)展及應用狀況

1978 年，加拿大的K.O.Hill 等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)了光敏現(xiàn)象，并采用駐波法制造出世界上第一根光纖光柵，1989 年，美國的G·Meltz 等人實現(xiàn)了光纖光柵的UV 激光側面寫入技術以來，光纖光柵的制造技術不斷完善，人們對光纖光柵在光傳感方面的研究更為廣泛和深入。1997 年后，光纖光柵壓力傳感進入大規(guī)模發(fā)展階段，世界各國對光纖光柵的制作及光纖光敏化技術不斷取得了新的進展，其也被廣泛地用于壓力傳感領域。

圖1 光纖布拉格光柵傳感器的溫度和應變響應原理圖

2.1 航空航天領域應用

航空航天各種飛行器是由多個傳感器對壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態(tài)、機翼和方向舵的位置等進行監(jiān)測的，傳感器的應用數(shù)量有幾百個，因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕等特點，非常適合應用在大飛機、無人機、戰(zhàn)斗機中進行參數(shù)測量，而關于我國航空領域在這方面的實際應用資料很少。國外在航空航天領域有代表性的應用成果有5 個方面。

2.1.1 無人機機翼應力監(jiān)測

美國航空航天局（NASA）對一架在機翼上安裝了新型的光纖光柵傳感器的伊卡納（Ikhana）無人機進行了飛行測試。光纖光柵傳感器可以在飛行中實時感覺和測量出機翼在氣動力作用下發(fā)生的彎曲和扭轉變形時受到的應力，這些信息反饋給控制系統(tǒng)，對機翼載荷重新分配，做到這一點就可以避免像“太陽神”無人機在飛行的過程中，因遭遇大氣湍流機翼被折斷而墜毀的悲劇。

2.1.2 有限元模型修正

澳大利亞平臺學實驗室飛行部對F/A-18A-D“大黃蜂”戰(zhàn)斗機的穩(wěn)定軸進行了應變監(jiān)測實驗，以修正穩(wěn)定軸的有限元模型。靜應力實驗結果表明，光纖布拉格柵陣列測試結果精度優(yōu)于電阻應變片，而且采用光纖傳感器大大減少了傳輸線的重量、密集度和復雜程度。該實驗室還進行了動載實驗，其測試結果與電阻應變片測試結果一致。

2.1.3 旋翼葉片應力測量

哈爾濱航空工業(yè)（集團）有限公司利用美國微光光學（MOI）公司光纖光柵測量系統(tǒng)對直升機旋翼葉片進行應變與應力測量。

2.1.4 航天飛機監(jiān)測

NASA 采用分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)，對航天飛行器結構的應變和溫度進行實時監(jiān)測，如在航天飛機X-38 試驗機中安裝這種傳感裝置，12 個光纖光柵安置在4 個測量點上，采用常溫、低溫條件下運行的光纖光柵傳感器監(jiān)測復合材料高壓容器的應力、溫度和壓力情況。

2.1.5 民用飛機結構監(jiān)測

美國 MOI 公司光纖光柵傳感器及應變解調儀應用于最新型飛機Comp Air 12 的安全監(jiān)測，其與波音787 客機上采用的是同一種技術，光纖健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠對飛機的結構整體性進行連續(xù)監(jiān)測。這套健康監(jiān)測系統(tǒng)還包括安裝在機翼和安定裝置上的振弦傳感器和應變片。在整個測試過程中溫度、壓力和振動信號以及信號變化都能監(jiān)測到。

2.2 民用工程領域

光纖光柵傳感器在民用工程領域中應用得非常廣泛，主要用于大型工程結構的應力應變和溫度監(jiān)測，其中包括管道、近海石油平臺、油井、大壩、堤壩、 橋梁、建筑物、隧道和電纜等方面。光纖光柵測量系統(tǒng)能夠在30 km 長單模標準光纖上進行分布式溫度和應變測量，測量點數(shù)達幾萬點。這個獨特的系統(tǒng)引領了在光纖分布式監(jiān)測技術領域的新時代。以下是光纖光柵傳感器在民用工程的經(jīng)典應用實例。

2.2.1 水立方工程

為了保證北京奧林匹克游泳場館“水立方”的主體鋼結構卸載安全，工程人員在腳手架上安裝了光纖光柵應變傳感器，在卸載過程中發(fā)生的任何一點受力變化，都會反饋到監(jiān)測中心的顯示屏上。工程人員在鋼結構主要受力點布設光纖光柵傳感器，由MOI 的SI425 光柵傳感解調器做受力變化數(shù)據(jù)采集與分析，并通過數(shù)據(jù)分析結果來指導場館的建設。

2.2.2 廣州電視塔工程

高達600 m 的廣州電視塔于2009 年9 月竣工，現(xiàn)為世界第一高塔，為監(jiān)測電視塔在風載時所產(chǎn)生的變形與應力，工作人員環(huán)繞該電視塔安裝了200 多個光纖光柵傳感器。

2.2.3 風力發(fā)電裝置

風力發(fā)電機是電力提供的主要裝置之一，丹麥30%的電力供應來自于風電，當遇到強風天氣時，強勁的風力很可能造成風力發(fā)電機的槳葉斷裂，造成嚴重的安全事故，將光纖光柵傳感器固定在風力發(fā)電機的槳葉上可以監(jiān)測其受到風載時應力的大小，這樣就可以預警由強風天氣帶來的安全事故。

光纖光柵傳感器為大型結構和工業(yè)生產(chǎn)提供了監(jiān)視和監(jiān)測能力，通過提供光纖光柵在各個地方的溫度和應變信息來顯示潛在事故的位置，以便于及時做出改變。

3 風洞試驗中的應用前景

風洞同樣是傳感器應用比較密集的地方，尤其以氣動載荷作用下帶來的各種結構體彈性變形的應變、應力以及形變測量最為重要。傳統(tǒng)風洞試驗中電阻應變片是測量機構應變、應力的一種基本元件。然而，電阻應變片因易受環(huán)境（如電磁場、溫度、濕度、化學腐蝕等）以及自身重量、體積、測量精度低和壽命短等因素影響，其應用受到一定限制。近年來，光纖光柵作為一種新型的測量應變、應力、位移、溫度的傳感器，以其抗電磁干擾強、體積小、重量輕、壽命長和復用性好等優(yōu)良特性，很適合應用于風洞試驗的各個領域。

3.1 機翼應力分布測量

隨著復合材料大量在航空領域的應用，新型的大展弦比飛機具有速度更快、質量更輕、燃油更省和柔性更高等特性。但是，大展弦比及低重量柔性機翼機構往往在氣動載荷作用下會發(fā)生很大的變形，氣動彈性問題突出，其結果會導致飛機部件出現(xiàn)非定常的運動及振蕩，從而使飛機的駕駛品質急劇下降，導致突發(fā)性結構故障甚至災難性的后果[2]。所以，了解復合材料的機翼在風洞試驗中的應力分布和氣動特性對飛機機翼的安全性、可靠性具有重要的意義。

比頭發(fā)絲還要纖細的光纖可以黏貼在模型機翼的表面并涂以密封液，一根光纖可以刻上100 個以上的光柵作為應變、應力測量的傳感器，相對于傳統(tǒng)的溫度和應變傳感器（熱電偶和應變測量器）柔性差以及易受環(huán)境干擾等缺陷，F(xiàn)BG 傳感器具有對電磁的不敏感性，尺寸小、重量輕、柔性好、傳感器和數(shù)據(jù)處理裝置之間的距離可以很遠等特點，最重要的是還具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠適應風洞的實驗環(huán)境。

3.2 主動彈性響應控制

從飛行器發(fā)展趨勢來看，出于減重目的和飛行性能的需要，飛行器結構柔性趨于增大，結構與控制系統(tǒng)趨于復雜，這使動彈性問題日益突出。如何避免在飛行過程中因氣動彈性問題給飛行器帶來的損傷是一件棘手的問題。例如，由于飛行器的結構特性和非定常氣動載荷引起的飛行器抖振和顫振現(xiàn)象。20 世紀70 年代，蘭利研究中心（Langley Research Center，簡稱LRC）先后啟動了多個氣動彈性響應控制計劃，開發(fā)出了許多有用的技術，主動彈性響應控制通過對彈性機翼應力分布的監(jiān)測數(shù)據(jù)快速反應給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅動機翼控制面偏轉產(chǎn)生氣動控制力，這樣能主動地控制翼面產(chǎn)生變形，從而達到最佳的氣動效果。1985年，蘭利研究中心、美國空軍及羅克韋爾國際公司合作開發(fā)了一項基于主動控制概念的“主動變形機翼”（AFW）計劃，并在跨音速動態(tài)風洞（TDT）進行了大量的探索和驗證試驗。

NASA 在一架“依卡納”無人機上進行了“光纖機翼變形傳感系統(tǒng)”的飛行試驗，研究人員在依卡納機翼表面一共粘貼了6 根光纖，總共可以連接2 000 個光纖光柵傳感器，它們可以實施“感覺”和測量機翼在氣動力作用下發(fā)生彎曲和扭轉變形時的應力。NASA 通過“依卡納”無人機的飛行試驗，確認了光纖光柵傳感系統(tǒng)將集成到飛行控制系統(tǒng)的可能性。NASA 確認，通過光纖光柵傳感系統(tǒng)實時檢測出的機翼變形情況，及時地將這些信息反饋到控制系統(tǒng)中，對機翼載荷分布進行重新分配，減輕飛機對突風的響應[3]。

主動彈性響應控制是正在探索研究的熱門技術，如果將光纖光柵傳感系統(tǒng)應用到風洞氣動彈性試驗中，通過將光纖光柵傳感系統(tǒng)實時測量得到的機翼扭轉變形時的應力分布情況反映給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過改變模型或者機翼的狀態(tài)，對機翼載荷分布進行重新分配，從而達到最佳的氣動效果。光纖光柵測量系統(tǒng)在風洞試驗中的應用，為主動彈性響應控制技術的發(fā)展提供了新的途徑，使主動彈性響應控制技術的實際應用成為可能。

3.3 結構有限元模型修正

風洞中的支撐機構、洞體及風洞試驗時的飛機模型在氣動載荷作用下都要發(fā)生某種程度的變形，在投入生產(chǎn)之前要用有限元法進行計算?？梢岳霉饫w光柵傳感器高精度測量應變應力的結果，對有限元模型進行修正。

3.4 抖振邊界測量

飛行器在飛行時如果氣流分離，有可能發(fā)生抖振。風洞抖振試驗就是測量飛行器模型的抖振邊界、抖振性及抖振載荷。采用翼根彎矩法測量抖陣邊界時可以在機翼的翼根處粘貼光纖光柵傳感器來感受翼根彎矩，光纖光柵體積小、抗電磁干擾的特性很適合風洞的抖振試驗。

3.5 風洞洞體總溫測量

光纖光柵傳感器的另一個重要特性是可以測量溫度，溫度是風洞試驗的狀態(tài)參數(shù)，它除了對天平等測試設備的精度有影響外，還直接影響風洞試驗的雷諾數(shù)，特別是在低溫風洞或變壓力風洞等高雷諾數(shù)風洞中，要想精確計算風洞風速和雷諾數(shù)，必須精確測量風洞溫度，采用光纖光柵傳感器可以實時精準地測量風洞的溫度變化。

3.6 風扇應力應變測量

風洞的風速是由動力段的風扇提供的，而風扇在離心力與氣動載荷的作用下有可能使槳葉產(chǎn)生裂紋和斷裂，給風洞設備及風洞試驗帶來損失，日本汽輪機葉片斷裂事件占電站事故的5%。如果把光纖光柵傳感器通過特制的轉接軸固定在風扇的槳葉上用以實時監(jiān)測其所受到的應力，就可以采取相應的措施，避免因槳葉斷裂給風洞試驗帶來的損失。

3.7 光纖天平

應變天平是一種單分量或多分量的應變式測力傳感器，是目前高速與低速風洞中使用最為廣泛的空氣動力測量裝置，其應變測量元件主要是電阻應變計。但是傳統(tǒng)的應變天平輸出的是微伏級弱電壓信號，容易受到風洞現(xiàn)場強電磁干擾，而光纖光柵傳感器應變信號是以光形式傳輸?shù)模梢钥箯婋姶鸥蓴_，并且其測量精度也很高，是未來天平研制技術的一個發(fā)展方向。

4 結論

光纖光柵傳作為一種新型的傳感器，隨著其解調技術的不斷發(fā)展， 已經(jīng)廣泛地應用在各個領域，其體積小、抗電磁干擾、測量精度高及多路復用等特點很適合風洞設備監(jiān)測及風洞試驗中各種參數(shù)的測試，特別是在結構體氣動彈性應變、應力方面的測量。光纖光柵傳感器以其優(yōu)越的性能在風洞試驗中具有廣闊的應用前景，對風洞測試技術的發(fā)展將起到重要的推動作用。