光纖光柵傳感器民機(jī)機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性分析方法

趙琳， 魯明宇， 楊海楠， 龐煒涵， 馬超

(中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心/民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102211)

隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感器測(cè)量在民機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。各飛機(jī)制造商在該領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了大量地面和飛行試驗(yàn)工作。波音公司在多個(gè)機(jī)型上采用光纖光柵(fiber bragg grating，F(xiàn)BG)傳感器對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)變監(jiān)測(cè)，用于確定傳感器安裝步驟、數(shù)據(jù)收集程序，并用于驗(yàn)證傳感系統(tǒng)的生存能力[1]?？湛蛯?duì)A340、A350XWB開(kāi)展了光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)變、載荷監(jiān)測(cè)方法的飛行驗(yàn)證，應(yīng)用光纖光柵技術(shù)取得顯著效果[2-3]。中國(guó)商飛在ARJ21-700飛機(jī)試飛中，利用光纖狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的飛行載荷監(jiān)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)減載優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持[4]。此外，中外學(xué)者持續(xù)追蹤并開(kāi)展飛機(jī)結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。Iele等[5]在飛機(jī)起落架上集成光纖光柵傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)載荷監(jiān)測(cè)。Hyunseok等[6]研究了基于光纖光柵傳感器的機(jī)翼載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。華林等[7]選用光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行了機(jī)翼盒段傳感器優(yōu)化布置研究。兌紅娜等[8]開(kāi)展了基于光纖傳感器應(yīng)變測(cè)量的飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)載荷分布反演方法研究。劉莉等[9]利用光纖光柵傳感器進(jìn)行飛機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究并開(kāi)展了狀態(tài)診斷的原理驗(yàn)證試驗(yàn)。

已有研究按照光纖光柵傳感原理、光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)、地面試驗(yàn)的飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)光纖光柵監(jiān)測(cè)功能驗(yàn)證以及飛行試驗(yàn)的光纖光柵應(yīng)用測(cè)試等方面開(kāi)展了大量研究。對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感器在飛行服役環(huán)境下的性能測(cè)試與評(píng)定研究較少。然而飛行環(huán)境復(fù)雜惡劣，光纖光柵應(yīng)變傳感器在長(zhǎng)期機(jī)載使用過(guò)程中，面臨環(huán)境誘發(fā)的問(wèn)題就更為突出。環(huán)境適應(yīng)性是光纖光柵應(yīng)變傳感器功能、性能指標(biāo)等特性實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，關(guān)系到其在全壽命周期內(nèi)生存和完成任務(wù)的能力，是構(gòu)建光纖結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為了評(píng)價(jià)光纖光柵應(yīng)變傳感器的環(huán)境適應(yīng)性，需要研究相應(yīng)的評(píng)價(jià)理論。為此，開(kāi)展機(jī)載環(huán)境下光纖光柵應(yīng)變傳感器環(huán)境適應(yīng)性分析方法的研究，對(duì)于促進(jìn)光纖光柵應(yīng)變傳感器在民機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有重要意義。

在多年工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)載環(huán)境要求，現(xiàn)通過(guò)對(duì)光纖光柵傳感特性的分析，建立光纖光柵應(yīng)變傳感器的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系，設(shè)計(jì)環(huán)境試驗(yàn)前后基于等強(qiáng)度梁的傳感器有效性測(cè)試方法，采用涂層封裝與非金屬基底封裝兩種封裝形式的光纖光柵傳感器對(duì)提出的光纖光柵應(yīng)變傳感器的機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性分析方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 機(jī)載環(huán)境條件

機(jī)載環(huán)境條件是光纖光柵應(yīng)變傳感器全壽命周期內(nèi)經(jīng)歷的各種環(huán)境的要求，通過(guò)環(huán)境剖面分析確定影響光纖光柵應(yīng)變傳感器的環(huán)境及環(huán)境因素。傳感器通過(guò)粘接方式與結(jié)構(gòu)集成后的環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)滿足被測(cè)結(jié)構(gòu)的環(huán)境要求，考慮到民用飛機(jī)的服役環(huán)境，具體包括高低溫、濕熱、振動(dòng)、沖擊、低氣壓、鹽霧、結(jié)冰、吹砂塵、防水等環(huán)境要求[10]，如表1所示。

表1 傳感器及粘接劑機(jī)載環(huán)境測(cè)試要求Table 1 Requirements for airborne environmental tests of sensors and adhesives

依據(jù)RTCA DO-160G《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和測(cè)試程序》[11]標(biāo)準(zhǔn)，要求吹砂塵試驗(yàn)不應(yīng)在鹽霧、濕熱試驗(yàn)之前，其他試驗(yàn)可按任何順序進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)表1中的每一項(xiàng)環(huán)境要求，均需要完成一系列累積試驗(yàn)驗(yàn)證，證明傳感器與黏接劑的組合可以在機(jī)載環(huán)境條件下正常工作。

2 FBG應(yīng)變傳感器有效性評(píng)價(jià)指標(biāo)

光纖光柵傳感器與黏接劑的機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性通過(guò)機(jī)載環(huán)境試驗(yàn)前后對(duì)光纖光柵傳感器及表面粘貼的有效性判定以驗(yàn)證光纖光柵傳感器及安裝方式是否滿足機(jī)載條件。由機(jī)載環(huán)境條件因素導(dǎo)致光纖光柵應(yīng)變傳感器本身的破壞失效、傳感器封裝材料失效及膠體粘接的失效，使得光纖光柵傳感特性劣化，典型的光纖光柵傳感特性曲線如圖1所示，反映光纖光柵傳感器在受外力情況下引起的波長(zhǎng)變化與應(yīng)變變化的關(guān)系。評(píng)定傳感特性的主要參數(shù)指標(biāo)包括應(yīng)變靈敏度系數(shù)、線性度。靈敏度系數(shù)是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出與引起輸出變化值的輸入比值，即圖1中曲線的斜率，為了能夠準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化環(huán)境試驗(yàn)前后靈敏度偏差不得高于5%。線性度反應(yīng)傳感器實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差，由圖1中曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2表示，線性高，相關(guān)性好，代表傳感器的線性輸出較好，對(duì)于光纖結(jié)構(gòu)應(yīng)變類傳感器線性相關(guān)性指標(biāo)達(dá)到0.999以上，傳感器性能較好，可正常反映實(shí)際輸入。同時(shí)零點(diǎn)漂移是光纖光柵傳感器在不受外力情況下的波長(zhǎng)偏移量，是評(píng)定傳感器自身穩(wěn)定性的重要參數(shù)，考慮到機(jī)載光纖傳感器最大應(yīng)變?yōu)? 000 με，零點(diǎn)漂移以波長(zhǎng)變換量的滿度相對(duì)誤差表示失效閾值，為滿足光纖傳感安裝工藝滿足工程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)要，環(huán)境試驗(yàn)前后對(duì)應(yīng)的滿度相對(duì)誤差零點(diǎn)漂移不得高于2% F.S.(F.S.為滿量程)。

圖1 FBG應(yīng)變傳感器典型傳感特性曲線Fig.1 Typical sensing characteristic curve of FBG strain sensor

此外，光纖光柵傳感器對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，光纖傳感器的溫度系數(shù)反應(yīng)材料自身熱膨脹性能，是傳感器精準(zhǔn)溫度補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵，為了能夠準(zhǔn)確補(bǔ)償環(huán)境變化的影響環(huán)境試驗(yàn)前后溫度系數(shù)偏差不得高于5%。

綜上所述，全面考慮光纖光柵傳感器受外力情況、不受外力情況和受溫度影響三個(gè)方面，評(píng)定傳感特性的主要參數(shù)指標(biāo)包括靈敏度系數(shù)、線性度、零點(diǎn)漂移、溫度系數(shù)4項(xiàng)，將光纖光柵傳感器的傳感特性參數(shù)作為評(píng)價(jià)光纖光柵傳感器機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性的指標(biāo)，根據(jù)民機(jī)工程應(yīng)用要求任意一項(xiàng)參數(shù)在任意一項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)前后不滿足指標(biāo)視為失效。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

光纖光柵應(yīng)變傳感器的機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性通過(guò)將傳感器粘貼于結(jié)構(gòu)表面，環(huán)境試驗(yàn)前后進(jìn)行應(yīng)變靈敏度系數(shù)、線性度、零點(diǎn)漂移、溫度靈敏度系數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，采用等強(qiáng)度梁試驗(yàn)裝置，將光纖光柵粘貼在等強(qiáng)度梁上，使得等強(qiáng)度梁與光纖光柵應(yīng)變傳感器形成一個(gè)傳感系統(tǒng)，通過(guò)加卸載試驗(yàn)、零漂試驗(yàn)、溫度系數(shù)試驗(yàn)分別對(duì)4項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。

由于等強(qiáng)度梁表面應(yīng)力處處相等，與傳感器粘貼位置無(wú)關(guān)[12]，可以將光纖光柵應(yīng)變傳感器粘貼與梁表面的任意位置。根據(jù)民機(jī)應(yīng)變、載荷測(cè)量需求，選取兩種不同封裝方式的光纖光柵傳感器，一種為涂層式封裝，另一種為非金屬基底式封裝，分別用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼于等強(qiáng)度梁上表面，如圖2所示。2種光纖光柵應(yīng)變傳感器，編號(hào)分別為FBG-A、FBG-B。

圖2 等強(qiáng)度梁尺寸簡(jiǎn)圖Fig.2 Dimensional sketch of equal strength beam

圖3 等強(qiáng)度梁靜力加載試驗(yàn)裝置Fig.3 Static loading test device of equal strength beam

(1)加卸載試驗(yàn)。將安裝好傳感器的等強(qiáng)度梁一端通過(guò)螺栓固定在等強(qiáng)度梁拉伸架上，等強(qiáng)度梁末端通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加載荷，基于等強(qiáng)度梁的靜力加載試驗(yàn)裝置(圖3)，以測(cè)量光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變化量與載荷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲得光纖光柵傳感器靈敏度、線性度兩項(xiàng)參數(shù)。

考慮到梁承受最大載荷極限，為使得梁在加載過(guò)程中為線彈性變化，因此將加載砝碼控制在1 kg以內(nèi)，從0 g逐級(jí)遞增砝碼加載至最大載荷，每隔200 g為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，再?gòu)淖畲筝d荷逐級(jí)遞減砝碼卸載至0 g，每一級(jí)保載不低于10 s，記錄每級(jí)載荷下光纖光柵應(yīng)變傳感器中心波長(zhǎng)，重復(fù)不少于3個(gè)加載卸載循環(huán)，數(shù)據(jù)擬合處理后求的相應(yīng)指標(biāo)。

(2)零漂試驗(yàn)。在未加載情況對(duì)粘貼于等強(qiáng)度梁直接測(cè)量光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變化量，測(cè)量過(guò)程要進(jìn)行溫度補(bǔ)償剔除溫度影響。

(3)溫度系數(shù)試驗(yàn)。采用高精度恒溫槽進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)將等強(qiáng)度梁放入高精度恒溫槽中進(jìn)行溫度靈敏度系數(shù)測(cè)試。

3.2 結(jié)果與分析

為了對(duì)比兩種不同封裝方式的光纖光柵傳感器環(huán)境適應(yīng)性，利用6個(gè)等強(qiáng)度梁試件分別粘貼6個(gè)涂層式封裝光纖光柵傳感器和非金屬基底式封裝光纖光柵傳感器進(jìn)行了加卸載試驗(yàn)、零漂試驗(yàn)、溫度系數(shù)試驗(yàn)。

3.2.1 環(huán)境試驗(yàn)前傳感特性

環(huán)境試驗(yàn)前將兩種封裝形式FBG-A、FBG-B共計(jì)12個(gè)光纖光柵傳感器測(cè)試獲得的靈敏度系數(shù)、線性度、零點(diǎn)漂移、溫度系數(shù)統(tǒng)計(jì)成如表2所示。其中靈敏度系數(shù)、線性度、溫度系數(shù)均測(cè)得有效數(shù)據(jù)；零點(diǎn)漂移的滿度相對(duì)誤差均小于失效閾值，由表2可以看出兩種封裝形式共計(jì)12個(gè)光纖光柵傳感器在環(huán)境試驗(yàn)前全部正常工作。

3.2.2 環(huán)境試驗(yàn)后傳感特性

根據(jù)某飛機(jī)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)環(huán)境要求，經(jīng)歷高溫(高溫存儲(chǔ)和高溫工作)、低溫(低溫存儲(chǔ)和低溫工作)、溫度變化、濕熱、高度(低氣壓和溫度-低氣壓)、振動(dòng)和沖擊、鹽霧、結(jié)冰和噴水、吹砂塵14項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)后，兩種封裝形式共計(jì)12個(gè)光纖光柵傳感器測(cè)試獲得的靈敏度系數(shù)、線性度、零點(diǎn)漂移、溫度系數(shù)如表3～表5所示。其中表3～表5給出了每項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)后的傳感器線性度和零點(diǎn)漂移，根據(jù)線性度和零點(diǎn)漂移參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)定義，其有效性可從表3～表5直接得出；而表3～表5中只給出每項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)后傳感器靈敏度系數(shù)和溫度系數(shù)的測(cè)量值，將表3～表5中每項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)后傳感器靈敏度系數(shù)和溫度系數(shù)的測(cè)量值分別與表2中環(huán)境試驗(yàn)前傳感器靈敏度系數(shù)和溫度系數(shù)的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比求取偏差，獲得靈敏度系數(shù)和溫度系數(shù)變化如圖4和圖5所示。

從表3～表5可以看出，①FBG-A、FBG-B兩種封裝形式12個(gè)光纖光柵傳感器在經(jīng)歷高溫存儲(chǔ)和高溫工作、低溫存儲(chǔ)和低溫工作、溫度變化、濕熱、低氣壓和溫度-低氣壓、振動(dòng)和沖擊10項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)后靈敏度系數(shù)、線性度、溫度系數(shù)均測(cè)得有效數(shù)據(jù)，零點(diǎn)漂移的滿度相對(duì)誤差均小于失效閾值；②鹽霧試驗(yàn)后，6個(gè)FBG-A涂層封裝光纖傳感器中2#和3#傳感器失效，2#傳感器靈敏度系數(shù)、線性度數(shù)據(jù)均出現(xiàn)異常，如圖4所示其靈敏度系數(shù)環(huán)境試驗(yàn)前后變化為26.7%遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)失效判據(jù)所要求的5%，線性度為0.898 11小于0.999表現(xiàn)為非線性，3#傳感器信號(hào)完全消失，鹽霧試驗(yàn)后6個(gè)FBG-B非金屬基底封裝光纖傳感器全部工作正常；③結(jié)冰和噴水試驗(yàn)后，F(xiàn)BG-A涂層封裝光纖傳感器中4#傳感器失效，靈敏度系數(shù)、線性度、溫度系數(shù)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)異常，如圖4所示其靈敏度系數(shù)環(huán)境試驗(yàn)前后變化為7.6%遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)失效判據(jù)所要求的5%，線性度為0.994 2小于0.999表現(xiàn)為非線性，如圖5所示其溫度系數(shù)環(huán)境試驗(yàn)前后變化為12.6%遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)失效判據(jù)所要求的5%，結(jié)冰和噴水試驗(yàn)后6個(gè)FBG-B非金屬基底封裝光纖傳感器全部工作正常；④吹砂塵試驗(yàn)后，F(xiàn)BG-A涂層封裝光纖傳感器剩余1#、5#傳感器工作正常，6個(gè)FBG-B非金屬基底封裝光纖傳感器全部工作正常。

表2 環(huán)境試驗(yàn)前兩種封裝形式傳感器的傳感特性Table 2 Sensing characteristics of two encapsulated types of sensors before environmental tests

表3 高低溫試驗(yàn)后兩種封裝形式傳感器的傳感特性Table 3 Sensing characteristics of two encapsulated types of sensors after high and low temperature tests

表4 溫度變化試驗(yàn)后兩種封裝形式傳感器的傳感特性Table 4 Sensing characteristics of two encapsulated types of sensors after temperature variation tests

表5 不同試驗(yàn)后兩種封裝形式傳感器的傳感特性Table 5 Sensing characteristics of two encapsulated types of sensors after different tests

圖4 環(huán)境前后傳感器靈敏度系數(shù)變化Fig.4 Changes of sensitivity coefficient of sensors before and after environment

圖5 環(huán)境前后傳感器溫度系數(shù)變化Fig.5 Changes of temperature coefficient of sensors before and after environment

3.2.3 失效分析

涂層封裝光纖傳感器經(jīng)歷鹽霧試驗(yàn)后，2#傳感器有信號(hào)但數(shù)據(jù)異常，主要由于粘接失效，導(dǎo)致粘接效果下降；3#傳感器信號(hào)完全消失，主要由于傳感器發(fā)生斷裂，導(dǎo)致傳感器失效。進(jìn)一步經(jīng)歷結(jié)冰和噴水試驗(yàn)后，4#傳感器有信號(hào)但數(shù)據(jù)異常，主要原因也為粘接失效，導(dǎo)致粘接效果下降。綜上所述，涂層封裝光纖傳感器由于只采用表面涂層進(jìn)行封裝保護(hù)，保護(hù)面積小，在經(jīng)歷鹽霧、結(jié)冰、噴水、吹砂塵等對(duì)傳感器表面影響比較大的環(huán)境其機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性較差，可對(duì)其進(jìn)行表面硅膠保護(hù)減少環(huán)境影響，充分發(fā)揮涂層封裝光纖傳感器在民機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控中尺寸小、應(yīng)變傳遞效果好等優(yōu)勢(shì)。

非金屬基底封裝光纖傳感器經(jīng)歷14項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)后，6個(gè)傳感器信號(hào)正常，全部有效。由于采用非金屬材料作為基底進(jìn)行封裝保護(hù)，保護(hù)面積大、保護(hù)材料受鹽霧、結(jié)冰、噴水、吹砂塵等環(huán)境影響小其機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性較好，適用為民機(jī)結(jié)構(gòu)空間非限制區(qū)域提供應(yīng)變測(cè)量。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析機(jī)載環(huán)境條件，從光纖光柵傳感器的傳感特性出發(fā)，提出了以靈敏度系數(shù)、零點(diǎn)漂移、線性度、溫度系數(shù)作為光纖光柵環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)為了驗(yàn)證該指標(biāo)的有效性，設(shè)計(jì)了基于等強(qiáng)度梁試驗(yàn)裝置，對(duì)涂層封裝和非金屬基底封裝兩種不同封裝形式的光纖光柵傳感器進(jìn)行高溫、低溫、溫度變化、濕熱、高度、振動(dòng)、沖擊、鹽霧、結(jié)冰、噴水、吹砂塵14項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明：涂層封裝光纖光柵傳感器在鹽霧試驗(yàn)后暴露出表面保護(hù)方面存在的問(wèn)題進(jìn)而需采取加強(qiáng)表面保護(hù)的措施，非金屬基底封裝光纖光柵傳感器在環(huán)境試驗(yàn)后全部正常工作其環(huán)境適應(yīng)性較好，說(shuō)明基于傳感器特性的光纖光柵機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性評(píng)級(jí)體系是可行的。