多參量融合的光纖光柵傳感器測試技術研究

左思佳　李盧丹

摘? 要：目前飛行試驗中溫度和應變參數均采用傳統傳感器，每個參數單獨測試采集，這種方法布線多，改裝復雜，且飛機測試參數日益增多，對傳感器重量、體積以及能否實現分布式測試要求迫切。通過安裝光纖光柵傳感器網絡對飛機上多處應變/溫度進行分布式測量，并通過與傳統傳感器比對，建立模型提高測量精度，實現多點應變、溫度等參量同時測試，極大地減少加裝在飛機上的傳感器數量和重量，降低改裝難度。

關鍵詞：光纖光柵;飛行試驗;溫度;應變

中圖分類號：V217? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0144-03

Abstract： At present， the traditional temperature and strain sensors are used in the flight test. Each parameter is tested and collected separately. This method has many wiring， complex refitting. But there will be more and more aircraft test parameters. It is very important to decrease the weight， volume and to realize distributed test of sensors. Through the installation of fiber bragg grating （FBG） sensor network， the distributed measurement of strain/temperature in many places on the aircraft is carried out. Compared with the traditional sensor， the model is established to improve the measurement accuracy and realize the simultaneous measurement of multi-point strain， temperature and other parameters， thus greatly reducing the number and weight of sensors installed on the aircraft and reducing the difficulty of refitting.

Keywords： fiber bragg grating （FBG）; flight test; temperature; strain

1 概述

歐美等許多發達國家已將光纖光柵傳感技術應用于多種飛行器主要部件上，波音公司通過光纖光柵傳感器實現溫度和應力的遙測，并對結構進行評估;NASA通過光纖光柵傳感器對X-33驗證機上復合材料高壓容器的溫度、應力和壓力情況進行全方位監測;空客公司通過光纖光柵傳感器實現了對A340各機構的載荷標定，但由于國外的技術封鎖，未能獲取詳細的技術資料。

為了推進光纖光柵傳感技術在國內飛行試驗上的應用，實現多路應變、溫度數據準確測量，我們在探索光纖光柵傳感特性和工作原理的基礎上，欲將其安裝于真實飛行試驗環境中，實現多點應變、溫度等參數同時測試;并與傳統傳感器進行比對測量，獲取試驗數據，并進行分析，從而為推進光纖光柵傳感器在飛行試驗中的應用奠定基礎。

2 原理及技術實施方案

2.1 光纖光柵傳感器工作原理

圖1給出了光纖光柵傳感器結構與傳輸光譜示意圖。

從圖1中可以看出光纖光柵傳感器對不同波長的光具有選擇作用，當光在其中傳播時，入射光會在特定波長上被反射回來，而其他波長的光則無影響的通過，峰值反射波長即光柵的中心波長。光纖光柵傳感器中心波長表達式為：

式中：？撰為纖芯有效折射率;neff為光柵周期;由于應變和溫度可以使這兩個參量發生改變，因此當外界應變和溫度變化時將引起波長漂移，從而獲取應變和溫度的變化量。

2.2 光纖光柵傳感器應變、溫度試驗方案設計

使用應變片及傳統鉑電阻溫度傳感器是目前飛行試驗中準確度和認可度最高的測試方法，因此為了驗證光纖光柵傳感器在飛行試驗中的可行性，以傳統傳感器輸出為基準，光纖光柵應感器與之比對進行地面驗證試驗，并對測量結果進行分析討論。（如圖2所示）

3 實驗驗證

3.1 光纖光柵傳感器應變、溫度測量實驗

以等強度梁為試驗平臺，在其正反兩面相同位置分別分布兩個應變測點，通過施加砝碼實現應變測試;之后將該試驗平臺放置于高低溫箱，改變溫度值，將光纖光柵傳感器測得的數據與應變片測得的數據進行比對，如圖3和4所示。

光纖光柵傳感器通過解調儀，檢測其中心波長漂移，并將其轉換為應變值或溫度值;傳統測試系統，通過采集器將傳感器輸出信號采集到，并通過校準曲線轉化為對應物理量。

3.2 數據分析

根據光纖光柵傳感器特性，其應變靈敏度系數為1pm/με，10pm/℃將解調儀測得的波長變化轉換為應變，與相同位置應變片和鉑電阻測試結果比對，所得結果如圖5和圖6所示;其中圖5為應變測試結果對比曲線;圖6為溫度測試結果對比曲線。

從圖中可以看出，無論是應變測試還是溫度測試，光纖光柵傳感器的響應均與傳統傳感器同步，但測得的應變峰值小于應變片，而溫度吻合度非常高，將圖5和圖6中應變峰值數據進行統計，并計算和傳統測量結果的相對偏差，見表1和2。

從表1中數據可知，應變片測得的結果與理論值基本吻合，測試精度高;光纖對應變變化響應良好，但測得的應變值明顯小于理論值。表明光纖光柵傳感器應變傳遞過程中存在損失。從表2中數據可知，鉑電阻與光纖傳感器測得的溫度值均與理論值基本吻合，測試精度高，而光纖光柵傳感器溫度測試精度高于鉑電阻。

4 結束語

通過實驗室試驗，驗證了光纖光柵傳感器在應變和溫度測試中的可行性，其接線簡潔，響應良好。實驗結果表明，光纖光柵傳感器用于應變測試時，存在應變損失，精度低于傳統應變片;用于溫度測試時，精度高于鉑電阻，以上試驗結果為實現光纖光柵傳感器在飛行試驗中的應用奠定基礎。

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