航空航天光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展

周義晨

摘要：近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光纖傳感技術(shù)也獲得了巨大的發(fā)展空間，在各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。光纖傳感器具有體積小、靈敏度高、重量輕、易于鑲嵌、抗電磁能力強(qiáng)以及復(fù)用能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其能夠在極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、應(yīng)變以及角速度等多種參量的測量，因此在航空航天中有著十分廣泛的應(yīng)用。鑒于此，本文將首先對傳統(tǒng)的傳感技術(shù)進(jìn)行簡單的闡釋，再分別對航空航天EFPI傳感技術(shù)、FBG傳感技術(shù)以及FOG傳感技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行比較深入的研究與分析，從而指出航空航天光纖傳感技術(shù)的發(fā)展方向，以期為我國日后航空航天光纖傳感技術(shù)的發(fā)展提供一些建議和理論參考。

關(guān)鍵詞：航空航天;光纖傳感;研究進(jìn)展;溫度;壓力;應(yīng)變;

【中圖分類號】TP212.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2236-1879（2018）13-0159-01

引言

傳感器，英文名稱是transducer/sensor是一種檢測轉(zhuǎn)換裝置，它能夠感應(yīng)到傳到他他身上的信號，并且可以感知到傳感信號上所攜帶的信息，將傳感信號上攜帶的信息按照一定的要求，以及需要，轉(zhuǎn)換成電流，電壓，電容，電感等物理量的輸出。

傳感器具有微型，數(shù)字，智能化的特點(diǎn)。它能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測和自動控制的功能。光纖傳感器是一種特殊的傳感器，不僅具有一般的傳感器的普遍特點(diǎn)，而且，最新的光纖傳感器還具有耐高溫，耐高壓，穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

光纖傳感技術(shù)從上世紀(jì)下半葉開始發(fā)展，其主要是通過對光纖中光的波長、相位、光強(qiáng)以及偏振狀態(tài)等進(jìn)行相應(yīng)的觀察和記錄，通過分析得到的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對溫度，角速度，壓力，電阻，電抗等參數(shù)的測量。光纖傳感器是一種特殊的傳感器，因此它具有一般傳感器所普遍擁有的特點(diǎn)，因此已經(jīng)成為傳感技術(shù)中十分重要的組成部分。現(xiàn)如今我國比較常見的光纖傳感器主要有非本征法珀（EFPI）傳感器、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器以及光纖陀螺（FOG）傳感器，目前這三種傳感器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了航空航天等多個領(lǐng)域。

一、航空航天中傳統(tǒng)傳感技術(shù)的分類

現(xiàn)如今我國比較常見的光纖傳感器主要有非本征法珀（EF-PI）傳感器、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器以及光纖陀螺（FOG）傳感器，目前這三種傳感器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了航空航天等多個領(lǐng)域。

1.1非本征法珀傳感技術(shù)。非本征法珀（EFPI）傳感器出現(xiàn)于上世紀(jì)九十年代，其主要原理是通過干涉信號來導(dǎo)出微腔的長度，從而計算出外界參量的變化。Greene等人曾將六個非本征法珀傳感器組成一個傳感器陣列，之后用其對飛行器的副翼進(jìn)行測試，對航空飛行器的機(jī)動過程進(jìn)行全真模擬，從而得到其應(yīng)力變化，最終將EFPI傳感器的測量結(jié)果與實(shí)際計算結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)二者十分接近。2002年，Pulliam等人對非本征法珀壓力傳感器在渦輪發(fā)動機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，之后完成了對跨聲速風(fēng)扇的測試。一年之后，Elster等人開始將EFPI傳感技術(shù)應(yīng)用到了波音飛機(jī)的健康監(jiān)測系統(tǒng)之中，以此來測試飛機(jī)系統(tǒng)的安裝過程以及耐受性。2005年，我國的重慶大學(xué)與南京航空航天大學(xué)進(jìn)行合作，共同開始了對非本征法珀傳感器的光纖智能夾層的探索和研究，最終證明了EFPI傳感器的光纖智能夾層能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測工作。在此之后，西北工業(yè)大學(xué)第一次實(shí)現(xiàn)了利用EFPI傳感器判斷飛機(jī)葉片上是否出現(xiàn)裂紋。

1.2光纖布拉格光柵傳感技術(shù)。光纖布拉格光柵（FBG）傳感器的研究開始于上世紀(jì)七十年代。光纖光柵是利用某種技術(shù)，將具有一定幅度特性和相位特性的光柵耦合再光纖的纖芯上，形成具有透射和反射功能的反射濾波器，在使用中，這一部分的纖芯會暴露在紫外光下，介質(zhì)會發(fā)生改變，從而使的特定波長的光波得到反射，就可以實(shí)現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的測量，當(dāng)入射光譜經(jīng)過FBG時，能夠通過系統(tǒng)內(nèi)部的濾波器的單色波長會被反射，之后回到入射端口，這樣一來，由于折射率的變化滿足條件的單色波長就會被反射且記錄下來因此可以得到外界溫度，濕度以及相應(yīng)參量的變化。

1.3航空航天光纖陀螺傳感技術(shù)。光纖陀螺（FOG）傳感技術(shù)誕生于上世紀(jì)七十年代，其可以通過一種雙光束干涉儀，計算出角速度的變化，從而實(shí)現(xiàn)對角速度的傳感。美國時最先開始對FOG進(jìn)行研究的國家，并將其應(yīng)用于波音飛機(jī)。到了2002年，Honey-well公司的高精度陀螺儀的第一個太空計劃圓滿完成。自此以后，歐洲的各個國家也發(fā)現(xiàn)了FOG的重要作用，并逐漸開始了對FOG的研究工作。自上世紀(jì)八十年代以來，我國的航空航天領(lǐng)域?qū)OG的研究進(jìn)展也比較快，已經(jīng)能夠基本掌握較高精度的FOG的制作水平，并使其得到了實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)如今FOG技術(shù)發(fā)展十分迅速，在各個國家已經(jīng)被大批量生產(chǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。

二、航空航天光纖傳感技術(shù)的研究前景

現(xiàn)階段人們雖然在光纖傳感技術(shù)的研究上取得了一定的成果，但是就復(fù)雜嚴(yán)酷的航空航天環(huán)境而言，目前的光纖傳感技術(shù)仍然處在發(fā)展初期，其發(fā)展水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。鑒于此，建議相關(guān)科研單位從以下幾個方面加深研究。一是在光纖的研制過程中可以使用新的材料，比如可以使用一些耐高溫的材料，耐高壓的材料等，這些材料在航空航天中的作用會大過現(xiàn)有的材料，二是對于多參量的傳感器而言，減小傳感器的體積是一種很好的解決方法，縮小傳感器的體積，就可以在一定的面積上，附著更多的傳感器，從而可以實(shí)現(xiàn)多參量測量;三使用國際上統(tǒng)一規(guī)定的傳感器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，對于國際上認(rèn)可的結(jié)構(gòu)，可以縮短傳感器的研究過程。

三、結(jié)語

本文對三種光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了深入的研究，并以此為根據(jù)指明了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展方向。然而要真正提高我國航空航天光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用水平，依然需要相關(guān)科研人員和單位不懈努力，在研究實(shí)踐中去努力創(chuàng)新，爭取使我國航空航天領(lǐng)域中光纖傳感技術(shù)的研究取得更大的進(jìn)展。

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