基于分布式光纖光柵碳纖維復(fù)合材料的飛機(jī)火警定位

王 獻(xiàn),伊重瑾,楊 勇

(1.武漢市消防救援支隊,湖北 武漢 430021;2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國家工程研究中心,湖北 武漢 430070)

飛機(jī)飛行安全是航空工業(yè)和民航領(lǐng)域的核心關(guān)注點(diǎn),旨在確保飛機(jī)在各種條件下的飛行中最大程度降低事故風(fēng)險,飛機(jī)火災(zāi)事故的發(fā)生概率相對較低,但是火災(zāi)一旦發(fā)生,其后果可能非常嚴(yán)重。因此飛機(jī)火災(zāi)報警系統(tǒng)是飛機(jī)上十分重要的安全設(shè)備,用于檢測和報警飛機(jī)上可能發(fā)生的火災(zāi)或煙霧事件。該類系統(tǒng)經(jīng)過研究和設(shè)計,能確保對火災(zāi)和煙霧的及時檢測和報警,這些技術(shù)包括光電探測、離子化煙霧探測、紅外探測等[1-2]。其中,光纖光柵傳感器作為一種高效的火災(zāi)報警裝置具有體積小、重量輕、反應(yīng)迅速靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵傳感的基本原理是利用光纖光柵有效折射率和光柵周期對外界參量的敏感特性,通過檢測光柵反射的中心波長移動實現(xiàn)對外界參量的測量。光纖光柵器件在飛機(jī)火災(zāi)報警系統(tǒng)中可用于溫度監(jiān)測和火源檢測,預(yù)防潛在的火災(zāi)或高溫事件的發(fā)生。在發(fā)現(xiàn)異常情況時立即發(fā)出警報,為乘客和機(jī)組人員提供更安全的飛行環(huán)境[3-4]。

傳統(tǒng)光纖光柵傳感技術(shù)對熱源位置的檢測并不精確,在大面積區(qū)域出現(xiàn)火情時無法快速確定火源位置,需要對其進(jìn)行優(yōu)化?；鹪炊ㄎ患夹g(shù)是飛機(jī)火災(zāi)報警的關(guān)鍵一環(huán),這對于及早采取適當(dāng)?shù)臏缁鸫胧p小火災(zāi)造成的損失和確保人員安全非常重要。由于飛機(jī)的組成結(jié)構(gòu)上采用了大量的復(fù)合材料,通常包括纖維材料(如碳纖維、玻璃纖維)和基體材料(如聚合物樹脂)[5-6],需要對光纖光柵在該類材料上的性能進(jìn)行研究。復(fù)合材料具有輕量化、強(qiáng)度高剛度高、抗腐蝕、設(shè)計自由度廣、疲勞性能良好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的各個部分,包括機(jī)翼、尾翼、機(jī)身、艙壁、襟翼等。因此,在實驗研究當(dāng)中,采用了碳纖維板模擬機(jī)翼板材,設(shè)計在碳纖維板上光纖光柵火源定位系統(tǒng)。

基于光纖光柵傳感技術(shù)的火源定位實際流程包括:①傳感器部署,在需要進(jìn)行火源定位的區(qū)域內(nèi),沿著關(guān)鍵部位或結(jié)構(gòu)周邊布置光纖光柵傳感器。②數(shù)據(jù)采集,光纖光柵傳感器通過監(jiān)測光纖中的光信號變化來捕捉環(huán)境參數(shù)的變化,如溫度、應(yīng)變、壓力等。當(dāng)火源附近的參數(shù)發(fā)生變化時,傳感器會記錄這些數(shù)據(jù)。③數(shù)據(jù)傳輸,傳感器數(shù)據(jù)被傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理單元,可以通過光纖連接或無線通信實現(xiàn),數(shù)據(jù)傳輸是實時的,以便及時分析和響應(yīng)。④數(shù)據(jù)分析,中央數(shù)據(jù)處理單元會對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以確定哪些傳感器受到了火源附近參數(shù)的影響,這些數(shù)據(jù)可以與傳感器的位置信息相結(jié)合。⑤火源定位算法,使用專門的火源定位算法來處理數(shù)據(jù),以確定火源的位置。⑥警報和應(yīng)急響應(yīng),一旦確定了火源的位置,系統(tǒng)可以發(fā)出警報,啟動火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)措施,如滅火系統(tǒng)的激活、警報的發(fā)出或疏散程序的啟動[7-10]?？偟膩碚f,實時定位的分布式光纖光柵傳感器的應(yīng)用有助于確保飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài),減少了熱問題可能造成的風(fēng)險。同時,它還可以提高飛機(jī)的可靠性,并降低維護(hù)成本,對可能出現(xiàn)的問題事先做好診斷和修復(fù)?；诠饫w光柵傳感技術(shù)的復(fù)合材料火源定位方法具有高精度和實時性的優(yōu)點(diǎn),適用于航空安全領(lǐng)域中精確定位火源的關(guān)鍵應(yīng)用。

1 分布式光柵定位熱源的理論分析

為了在飛機(jī)機(jī)翼精準(zhǔn)測得著火點(diǎn)位置,不同于在光纖線路上進(jìn)行一維傳感[11-13],設(shè)計了一種基于光纖光柵溫度傳感的多點(diǎn)位二維平面上的測溫裝置。在機(jī)翼內(nèi)部的蒙皮材料上附著分布式光柵,為了模擬飛機(jī)上的復(fù)合材料,將使用碳纖維板作為替代,其具有各方向?qū)峋鶆?熱導(dǎo)系數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),如圖1(a)所示。在該板材上搭建了實驗裝置,在厚度為5 mm的準(zhǔn)各向同性碳纖維板上固定了一段U型光纖,如圖1(b)所示。其中,U型光纖上分布有6段柵區(qū)長度均為10 mm的切趾光纖Bragg光柵。室溫條件下,各光柵的峰值波長分別為1 540.174 nm、1 544.783 nm、1 550.249 nm、1 544.870 nm、1 560.118 nm和1 565.063 nm,6段光柵邊緣的間距均為60 mm。如圖1(c)所示,在該裝置的下方設(shè)置了由直流電源控制的可加熱銅棒作為模擬火源。通過改變加熱銅棒在板下的位置可以測試該裝置對火源的定位效果。

圖1 光柵陣列示意圖

1.1 光纖Bragg光柵測溫原理

(1)

對于二氧化硅制備的光柵,在不考慮外界其他因素影響時,根據(jù)光纖Bragg光柵的光柵方程λB=2neffΛ可得光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù):

(2)

式中:ΔT為溫度的變化量;αn為熱光系數(shù);αΛ為線性熱膨脹系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)波長的變化量與溫度的變化線性相關(guān),通過程序擬合得到的峰值波長能根據(jù)上式解得此時光柵柵區(qū)對應(yīng)的溫度。

1.2 分布式光柵定位熱源原理

實驗通過分布式光柵對溫度的響應(yīng)反推出熱源的位置,因此還需要確定導(dǎo)熱板材上溫度的分布情況,溫度最高的位置即為熱源。首先要確定各點(diǎn)的坐標(biāo)位置,如圖2所示。將碳纖維板的底邊作為x軸,底邊中點(diǎn)為原點(diǎn),并作出相應(yīng)的y軸。裝置中6段實驗光柵由波長從小到大標(biāo)號為1、2、3、4、5、6,它們的中點(diǎn)坐標(biāo)分別為(7.5,3)、(7.5,10)、(3.5,15)、(-3.5,15)、(-7.5,10)、(-7.5,3)。

圖2 裝置坐標(biāo)圖

在這樣一塊碳纖維板下表面放置的熱源是溫度固定但位置不確定的。求出不同位置熱源和各光柵之間的距離,得到的值若與光柵溫度呈固定的函數(shù)關(guān)系,就可以解出熱源坐標(biāo),實現(xiàn)定位功能。

將碳纖維板的導(dǎo)熱系統(tǒng)看成是一個圓柱,圓柱上表面圓心處即為著火點(diǎn),坐標(biāo)為(x,y),圓柱上表面半徑為r,此處溫度為t,面積A=πr2,根據(jù)傅里葉定律,熱流量可以表示為:

(3)

式中:λ為碳纖維板的導(dǎo)熱系數(shù),由于銅加熱棒的功率固定,這里的Φ設(shè)置為一定值。將該式積分并根據(jù)邊值條件r→∞,t=23 ℃可以解得溫度隨半徑變化的關(guān)系式:

(4)

因此可以根據(jù)光柵的溫度得到光柵到著火點(diǎn)的距離r。設(shè)1號光柵和2號光柵的坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2),他們到著火點(diǎn)的距離為r1,r2,根據(jù)式(5)可解得(x,y),實現(xiàn)定位的目的,六點(diǎn)位光柵能測得多組數(shù)據(jù)減小誤差。

(5)

2 實驗的設(shè)計與驗證

2.1 光纖Bragg光柵測溫曲線的標(biāo)定

由于實驗中的Bragg光柵溫度靈敏系數(shù)并不確定,需要通過標(biāo)準(zhǔn)測溫光柵測量6段實驗光柵的溫度變化。已知測溫光柵在的室溫下的波長為1 550.156 nm,測溫光柵的溫度系數(shù)為10 pm/℃,將這樣的測溫光柵依次與6段實驗光柵放在同一位置。根據(jù)式(1),用軟件擬合得到的反射曲線如圖3所示,可以讀出對應(yīng)的峰值波長,得到第三段光柵對應(yīng)的溫度和峰值波長如表1所示,繪制圖4,計算出斜率k=10 pm/℃,即為實驗裝置中3號光柵的溫度系數(shù)。再對其他5段光柵進(jìn)行測量,溫度系數(shù)的結(jié)果一致,均為10 pm/℃,這樣便確定了光柵反射譜中心波長和光柵柵區(qū)溫度的關(guān)系。

表1 3號光柵峰值波長和溫度的關(guān)系表

圖3 3號光柵波長在不同溫度下的反射率

圖4 3號光柵峰值波長隨溫度的變化圖

2.2 利用定位裝置確定著火點(diǎn)坐標(biāo)

確定好實驗中6段光柵的測溫曲線后即可進(jìn)行下一步實驗。在碳纖維板的底部選取了a、b、c、d、e、f共6個點(diǎn)模擬火源位置,見圖2中圓點(diǎn),坐標(biāo)分別為(0,7.5)、(-2.5,7.5)、(2.5,7.5)、(2.5,5)、(0,5)、(0,-2.5)。同一功率的加熱銅棒依次放置在這6個點(diǎn)位,即可以測得同一溫度不同位置熱源條件下給6段光柵帶來的波長漂移。

實驗結(jié)果如圖5所示,利用python依據(jù)式(1)對測溫曲線進(jìn)行擬合可以得到各段光柵的峰值波長,將相應(yīng)的波長代入式(2)中可解得每段光柵對應(yīng)的溫度。峰值波長、溫度與光柵到熱源的距離如表2所示。

表2 各段光柵峰值波長、溫度距離的關(guān)系表

圖5 各點(diǎn)位光纖波長與反射率的關(guān)系圖

由于加熱銅棒輸出功率固定,這里的熱流量Φ為一定值,碳纖維板的導(dǎo)熱系數(shù)也為定值,因此Φ/λ應(yīng)當(dāng)為一常數(shù)。根據(jù)式(4),將6段光柵溫度與距熱源距離作圖并擬合可得圖6,6組擬合曲線的Φ/λ值如表3所示,可以發(fā)現(xiàn)它們近乎為一定值,對6者求平均得到Φ/λ=41.155 5 ℃/cm,該系統(tǒng)光柵溫度-熱源距離關(guān)系式即可確定為:

表3 各段光柵Φ/λ系數(shù)表

圖6 熱源距離與光柵溫度的關(guān)系圖

(6)

式(6)即為碳纖維板上的溫度分布。因此,通過兩段光柵峰值波長的變化就能反推出熱源的精確坐標(biāo),多段光柵的組合也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的定位精度。

將光柵的溫度數(shù)據(jù)代入式(6)可得不同光柵與火源的距離,在該過程中去除兩組與其他組別相差明顯的數(shù)據(jù)后,剩下的4組數(shù)據(jù)兩兩組合;再根據(jù)式(5)求得坐標(biāo),如表4所示。

表4 各點(diǎn)推算坐標(biāo)

根據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)火源實際坐標(biāo)與推算坐標(biāo)之間的誤差小于5 mm。利用光矢量分析儀可以在1 s內(nèi)將波長數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,隨后經(jīng)程序計算能在1 s內(nèi)確定著火點(diǎn)坐標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)為了在復(fù)合材料板材上精確定位著火點(diǎn),筆者設(shè)計了一種分布式光纖光柵測溫裝置,理論分析了該裝置的可行性并進(jìn)行了實驗驗證。

(2)實驗上制備并組建了該裝置,在一根光纖上刻蝕出6段峰值波長不同但柵區(qū)長度、邊緣間距相等的光柵,將這樣的光纖光柵以U形粘連在復(fù)合碳纖維板上即可實現(xiàn)對熱源的定位。

(3)由于光纖光柵波長隨溫度線性變化,碳纖維板上的溫度分布和熱源距離又具有固定的函數(shù)關(guān)系,因此,基于光柵反射譜的峰值波長能夠得到該光柵柵區(qū)到熱源之間的距離。通過6組光柵中心波長的變化求解出距離能夠精確地反推出熱源坐標(biāo),即著火點(diǎn)的位置。

(4)后續(xù)進(jìn)行的實驗對光柵陣列中的6個點(diǎn)位進(jìn)行了測試,通過每段光柵不同的波長信息推導(dǎo)出了柵區(qū)溫度與兩點(diǎn)間距離的關(guān)系式。將數(shù)據(jù)帶入進(jìn)行驗證,可在5 mm誤差的范圍內(nèi)推導(dǎo)出著火點(diǎn)的坐標(biāo),整個系統(tǒng)具有較短的響應(yīng)時間。