光纤应变测量原理和技术应用研究

王楠芬

中国直升机设计研究所， 江西 景德镇 333001

Research on the Principle and Technology Application of Optical Fiber Strain Measurement

WANG Nan-fen

(China Helicopter Design Institute, Jingdezhen 333001, China)

【摘要】相较于传统的电阻式应变片，光纤应变传感器是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，其具有重量轻、电绝缘性好、抗电磁干扰能力强和灵敏度高等诸多优点，已经在波音、空客和NASA等航空航天公司和机构开始应用，是未来直升机旋翼系统载荷测量的一个发展方向。

【Abstract】Compared with the traditional resistive strain gauges, the optical fiber strain sensor is a new sensing technology derived from the development of optical communication technology and semiconductor technology, it has many advantages such as light weight, good electrical insulation, strong electromagnetic interference resistance and high sensitivity. It has been applied in aerospace companies and institutions such as Boeing, Airbus and NASA, and is a development direction of load measurement for helicopter rotor systems in the future.

【关键词】光纤应变测量；半导体技术；航空航天

【Keywords】optical fiber strain measurement; semiconductor; aerospace

【中图分类号】TN253 【文献标志码】A

1 电阻式应变片对旋翼系统载荷进行测量的不足

旋翼系统是直升机的主要升力和操纵力来源，而旋翼系统中的桨叶和桨毂部件在飞行过程中，由于气弹耦合的作用，始终处于交变载荷的工作状态。因此，为提高直升机安全性，有必要对作用在旋翼系统的交变载荷进行实时在线测量，并为桨叶和桨毂部件的寿命估算积累数据。目前主要使用电阻式应变片对旋翼系统载荷进行测量，但是此方法存在以下不足。

第一，容易受外界环境如温度、湿度、电磁干扰的影响，测量结果容易产生偏差。

第二，直升机旋翼系统载荷或应变测量往往需要布置多达三十多个测点和数百根导线，不仅贴片和粘贴的周期长，还影响桨叶的动平衡和气动特性。

第三，复合材料的桨叶由于制造工艺的原因，容易造成桨叶内部的结构缺陷，现有的电阻式应变测量方法只能对桨叶有限的离散剖面进行监测，很难及时发现此类缺陷。

2 光纤光栅传感器基本原理和功能

2.1 光纤光栅传感器原理

光纤光栅是利用紫外曝光技术在光纤纤芯内形成的折射率的周期性分布结构，当一定带宽的光λ入射到光纤光栅中，由于其自身的波长选择性，只能使特定波长的光发生反射，然后通过光栅解调仪或光谱仪来测量发生反射的光的波长变化，就可以实现被测结构的应变和温度的测量。这使得应力应变成为所有反映引起光栅布喇格波长漂移最直接的外界因素，这也是采用光纤布喇格光栅制作光纤应变传感器时，将应力应变特性作为基本物理参量的原因。同时，光纤光栅波长漂移也受到温度的影响，在实际的应力测量中需要采用光纤光栅温度补偿传感器，从而克服温度对应变测量的影响。

2.2 在旋翼系统上的应用原理

首先，根据应变测量的需要，沿长度方向预先在光纤上光刻好不同中心波长的光栅；其次，将光纤通过粘贴、预埋等方式固在旋翼系统的桨叶和桨毂部件表面或者结构内部；最后，当旋翼系统部件受到外界的载荷发生微小应变时，会导致光刻在光纤相应位置的光栅中心波长发生变化，通过调理器对接受到的反射光进行处理和分析，便可以得到应变的位置和大小信息，综合所有位置上的光栅信号，最终得到旋翼系统部件的应变分布和载荷分布。

3 国外发展状况、水平和趋势

光纤光栅传感技术能够满足智能材料健康检测中对长期性、稳定性、高精度及分布式等方面的要求，成为实现智能材料结构在线监测及安全评估的重要技术手段之一。利用先进的光纤光栅传感技术对智能材料结构健康状态实现有效、实时监测具有很重要的作用，发展新的旋翼桨叶载荷识别。

在航空领域，作为保障复合材料可靠性、降低维护费用和提高飞机安全性的关键技术，基于光纤传感系统的结构健康监测技术被大量航空公司视为首要研究的技术之一。2010年，美国国家宇航局（NASA)在一种改进的扑食者B无人机飞行器翼表上，采用分布式光纤监测结构完整性，该研究表明，用光纤做翼表结构应变监测，既不影响飞行时空气动力学性能，又能实时、充分、安全地提供机翼形状信息。研究进一步说明，此试验通过光纤监测结构完整性，目的是发展机翼变形的主动控制，使飞行器在起飞、巡航和着陆时获得最优的空气动力学性能^[1]。

此外，NASA还开展了一项光纤机敏结构与蒙皮计划，首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料蒙皮中，用以监控复合材料应变与温度。基于光纤光栅传感器可以组成分布式传感网络的特点。

为了实现对结构应力和温度的准分布监测，洛克希德－马丁公司将光纤 Bragg 光栅传感网络粘贴于X-33液氢燃料罐结构和保温层结构表面。

2013年，德国的Vivien Schukar等人将FBG集成在玻璃纤维中，制备了一种以玻纤复合材料为载体的FBG应变片，该FBG应变片具有优异的温度敏感性以及耐疲劳特性，能够长期服役并且应变的测量范围较高，在实际中可用于航空航天复合材料和风机叶片等结构的健康监测中。

目前，光纤应变测量技术在国外波音、空客和NASA等航空航天公司和机构开始应用，是未来直升机桨叶载荷测量的一个发展方向。

4 国内发展状况、水平和趋势

国内对光纤光栅传感器研究的起步较晚、时间较短，但与发达国家相比，在商品化和产业化方面还有相当的差距，尤其是工程应用方面的局面尚未彻底打开。近几年，国内对光纤光栅的研究也非常活跃，取得不少研究成果。

中科院半导体所、大连理工大学、武汉理工大学等多家单位均已成功制作了光纤光栅。南京航空航天大学智能材料与结构健康监测研究所梁大开等以某型飞机机翼盒段为研究对象，构建了基于波分复用结构的分布式光纤Bragg光栅传感网络测量盒段试件应变监测系统，运用波长监测方法实现对盒段结构承受载荷情况的有效监测^[2]。

2013年，北京航空航天大学郭艳丽等介绍了一种基于瑞利背向散射的高密度分布式光纤传感技术，并使用该技术成功地实现了对复合材料单向层合板的分布式应变测量。结果表明，该系统具有高空间分辨率的应变监测能力，其具有的高精度特性可对构件的关键部位进行定位分析。

近年来，常琦等人针对大型的碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构，提出了使用光纤布拉格光栅测量结构应变场场分布，通过神经网络判别结构损伤的方法，对典型的飞机碳纤维复合材料盒段壁板结构进行健康监测研究。研究表明，光栅布拉格光栅作为传感器可以较好地应用于航空材料的结构健康监测中，采用神经网络的判别方法可以较准确地判别出结构损伤的位置和程度。

在直升机应用领域，对于旋翼旋转时交变载荷的测量主要还是依靠传统的电测技术，光纤光栅测量技术还属于起步阶段，仍有待进一步的研究。

【参考文献】

【1】王永洪,张明义,白晓宇,等.基于光纤光栅传感技术的静压沉桩贯入特性及影响因素研究[J].岩土力学,2019(12):4801-4812.

【2】王蕾.光纤温度测量领域专利布局分析[J].产业创新研究,2019(11):236-239.