飛機燃油箱無油空間氧氣濃度測量系統研究和發展綜述

呂旭飛， 姚尚宏， 杜明杰

中國飛行試驗研究院 發動機所，陜西 西安 710089)

氧濃度檢測可以分為化學方法和光譜學方法。化學方法成本低、裝置簡單、易操作，但易被污染、壽命短、使用條件限制多；光譜學方法對環境適應性強、靈敏度高，但技術復雜、成本高。基于這兩種方法開發的測量系統根據需求適用于不同的領域。

飛機的氧氣濃度測量需求主要來自機載人員生命保障系統[1]和燃油箱機載惰化系統[2]。其中，在燃油箱惰化系統及相關的燃油箱無油空間氧濃度測量中，由于測量環境苛刻、燃油污染大、安裝位置受限、強電磁、強振動等因素，對測量設備提出了高可靠性、智能化、小型化等要求。目前為止，國內外還未形成成熟的機載產品，部分測量系統只在航空器試飛中短暫使用。

筆者以國內多型民機適航取證和某先進運輸機燃油惰化系統試飛為切入點，詳述測量需求的來源，同時在總結國內外研究現狀的基礎上，指出飛機燃油箱無油空間氧濃度測量系統(下文簡稱測量系統)的發展趨勢。

1 測量系統需求分析

1.1 機載制氮系統

燃油箱爆炸是造成飛機事故的重要原因之一。對于民用飛機，燃油箱爆炸會引起重大人員傷亡；對于軍用飛機，遭遇火炮襲擊后的燃油箱點燃和爆炸將大大降低飛機的生存能力[3]。為應對這一問題，飛機在飛行中，必須降低燃油箱可燃性，行之有效的措施之一是在飛機上加裝制氮系統，用產生的富氮氣體沖洗油箱上部空間，控制氧濃度水平。

某民用飛機中央油箱惰化采用滲透膜制氮技術，系統原理如圖1所示。該系統引入發動機高溫氣體，通過換熱器等裝置進行氣體溫度/壓力調節，調節后的氣體通過空氣分離器被分離為富氮氣體和富氧氣體。富氮氣體分配至目標油箱，通過降低油箱內氧氣濃度，從而降低油箱可燃性。世界主要民機制造商空客和波音的絕大部分機型也都安裝了類似的裝置。

圖1 燃油惰化系統

因此，必須測量燃油箱無油空間和惰化管路內氧氣濃度，以評價惰化系統工作效能，保證系統工作有效。

1.2 燃油箱可燃性評估

燃油箱可燃性是民用航空器重要安全指標之一。可燃性是指在一個機型機隊運行的各個航段距離范圍內，每個燃油箱的空余空間處于可燃狀態的時間比例[4]。按照適航規章規定，燃油箱可燃性評估方法可分為定性評估和定量評估。對于采用了降低可燃性措施(Flammability Reduced Method,FRM)的機型，都需要采用定量方法進行評估。目前國內研制的ARJ飛機中央油箱和C919飛機全部油箱都適用于定量評估方法。

燃油箱可燃性定量評估方法為FAA(Federal Aviation Administration，美國聯邦航空管理局)基于Monte Carlo隨機數產生技術提出的，該方法已被我國民航局采用。可燃性評估對每一時間單位的可燃性判定可以看作一個比較過程，包含燃油箱溫度和燃油箱無油空間氧濃度兩類判據。無油空間氧濃度隨機數的產生必須考慮FRM性能和可靠性，因此，為了表明燃油箱可燃性的適航符合性，申請人至少應開展燃油箱熱模型驗證和燃油箱惰化系統性能及模型驗證相關地面/飛行試驗，其中就包括無油空間氧濃度測量[5]。國內在ARJ21-700飛機中央油箱惰化系統適航取證中進行了短航程試飛、長航程試飛和蛙跳航程試飛，以獲取油箱氧濃度數據進行模型驗證。

軍用飛機雖然沒有燃油箱可燃性這一概念，但安裝了油箱惰化系統的戰斗機/無人機/運輸機都需滿足GJB 3212《飛機燃油系統飛行試驗要求》規定的“油箱惰化空間內氣體的氧濃度不應大于10%”。國內在某先進運輸機試飛中，在爬升、穩定平飛、應急下降中測量了ASM出口、油箱和通氣箱中氧氣濃度，以證明該型機油箱惰化系統的有效性。

1.3 飛機智能化需求

飛機智能化以飛機全方位監測和全面精細控制為主要特征。同時，隨著智能化的全面推進，飛機維修保障策略從故障維修、定期維修向基于狀態的維修不斷發展[6]。

目前的惰化系統不能實時監控油箱無油空間氧濃度，主要用于為油箱提供過盈富氮氣體。圖2為典型剖面飛行中中央油箱無油空間氧濃度變化曲線，整個飛行剖面中，氧氣濃度安全盈余飛行時間占比50%，最大盈余量超過80%。顯然更多的富氮氣體需要更高的引氣壓力和更大的引氣量[7]，這將明顯增加發動機油耗，降低發動機推力。同時，由于無法實時監控油箱的無油空間氧濃度，不能準確評估惰化系統的工作效能，只能采取周期性定檢的方法來加以保障，增加了成本。油箱無油空間氧濃度實時監測系統的缺失已經成為軍民機惰化系統邁向智能化的瓶頸。

圖2 典型剖面飛行中央油箱無油空間氧濃度變化曲線

1.4 嚴苛的使用環境

飛機在高空長時間的滯留導致部分燃油箱無油空間氣體溫度非常低；飛機在起飛、降落或快速響應機動時，燃油在燃油箱中劇烈晃動，液體燃油會侵入油箱各個位置；對于戰斗機和無人機，往往沒有足夠的密閉空間安裝測量設備，因此，設備大概率處于暴露環境中。根據以上特點可知，機載燃油箱氧氣濃度測量系統不同于工業場景中常用的氧濃度測量系統，可以將其應滿足的條件歸納如下：

① 測量環境壓力范圍為20～120 kPa(絕對壓力)，溫度范圍為-40～70 ℃，受燃油-空氣混合氣、水蒸氣等雜質的侵蝕。

② 傳感器體積小，方便安裝和更換。

③ 傳感器響應時間為秒級，分辨率不低于氧分壓1～5 kPa。

④ 集成度高，輸出信號形式與飛控系統信號形式匹配。

⑤ 應確保引入油箱的能量符合相關要求，并保證其失效不會對油箱安全產生威脅。

2 研究及應用現狀

按照核心傳感器不同，測量系統可以分為電化學原理測量系統、光譜吸收原理測量系統和熒光猝滅原理測量系統。其中，基于電化學原理和基于光譜吸收原理的測量系統都已在飛機型號中成功應用，基于熒光猝滅原理的測量系統在國內外文獻中還未見在飛機上成功應用的案例。下面重點介紹已經成功應用的兩種測量系統的框架和使用中的問題。

2.1 電化學原理測量系統

2.1.1 電化學方法測量氧濃度原理

電化學氧濃度傳感器一般主要由擴散柵、金屬傳感電極(陰極)、鉛制工作電極(陽極)和電解液組成，其本體實際是一個金屬/空氣電池，其結構[8]如圖3所示。

圖3 電化學氧濃度傳感器結構圖

通過擴散柵的氧氣在陰極被還原為羥基，羥基離子在鉛電極上被氧化，其發生的化學反應如下。

陰極：O2+2H2O+4e-→4OH-

陽極：2Pb+4OH-→2PbO+2H2O+4e-

總反應式：2Pb+O2→2PbO

當鉛/氧電池達到平衡后，位于擴散柵和陰極之間的氧氣分子被快速消耗，因此在擴散柵和陰極之間的氧分壓近似為零。在氧分壓壓差作用下，擴散柵外側的氧氣分子得以通過擴散柵與陰極接觸，繼續推動化學反應。由于氧分子擴散速度與氧分子參與電化學反應被消耗的速度幾乎相等，于是，傳感器通過測量氧分子的消耗率就得到了環境中的氧分壓。電化學反應發生后，產物會不可逆地留在電解液內，導致傳感器壽命較短，一般為1～2年。

由于電化學傳感器的測量對象是環境中氧分壓，因此環境壓力會對傳感器的測量值產生影響，在環境壓力與標定值產生偏離后，需要同時測量傳感器擴散柵外的壓力，對測量結果進行修正。文獻[8]通過壓力修正，在壓力偏離常壓30 kPa時，測量結果絕對誤差控制在0.3%以內。筆者所在團隊也進行了類似的傳感器壓力補償研究，結果表明：當壓力偏離常壓達70 kPa時，絕對誤差驟增至50%，即壓力修正只在有限范圍內有效。

此外，由測量原理可知，該類傳感器還存在測量時消耗測量環境中的氧氣、傳感器的帶電屬性使其不能在易燃易爆環境中使用等問題。

2.1.2 國外研究及應用現狀

2003年，FAA借鑒工業界的準則和成熟的工程應用經驗，以電化學氧濃度傳感器為核心，研發了一套適用于飛行試驗的飛機油箱氧氣濃度測量設備(以下簡稱FAA設備)。該測量設備由采樣管、氧濃度傳感器和一些輔助設備組成。待測氣體通過采樣管進入測量設備，先后通過氣體選擇閥、火焰抑制器、浮子除液閥、壓力控制閥、兩級加壓泵，之后進入氧濃度傳感器發生化學反應，傳感器將產生的數據發送給數據分析儀，數據分析儀根據地面標定和測量環境壓力修正得出最終的氧分壓。經過測量的樣氣可以流回油箱或排到機外。

為使樣氣在任何情況下都能被吸入測量設備，一級加壓泵將采樣管進口壓力降低至2.9 psi(1 psi=6.895 kPa)；在進入氧濃度傳感器之前，二級減壓泵再將樣氣壓力加至14.7 psi，兩級加壓泵之間通過閥門進行壓力正定。為了防止油液污染和測量設備的電屬性部件點燃油氣，測量設備安裝了火焰抑制器和浮子除液閥。FAA測量設備架構[9]如圖4所示。

圖4 FAA測量設備架構圖

為了將樣氣調制到傳感器能夠接受的環境范圍，并使整個測量設備滿足適航規定的使用條件，在核心傳感器周邊增加了大量的輔助設備。雖然巧妙的吸入式設計最終保證了該設備能夠用于飛行試驗，但該設備體積達1 m×1.5 m×2 m，且該設備連接、操作較為復雜,對改裝要求也較高，并不具備擴展性。

該設備最開始被用在A320飛機上進行了一系列的地面和空中試驗，用于改進燃油箱惰化系統，試驗主要包括40 h的地面試驗和6架次的飛行試驗。試驗中，該測量設備測量了飛機惰化管路和油箱上部的氧氣濃度，數據良好。之后，波音公司聯合FAA利用該設備對波音737-700飛機中央油箱惰化系統開展了一系列地面試驗和飛行試驗，驗證了地面燃油惰化方法的有效性，最終結果為波音公司對該機型中央油箱的修改設計提供了極大的幫助。此外，波音公司利用該設備進行了諸多油箱惰化的技術研究，包括證明地面縮比燃油箱模型用于驗證全尺寸模型的有效性[10]和建立了一套高效簡單的惰化系統工程設計算法[11]。

2.1.3 國內研究及應用現狀

中國飛行試驗研究院燃油系統試飛團隊依據FAA的公開資料和國內實際工程經驗，自主開發了基于電化學傳感器的測量設備，并用于某型先進運輸機試飛鑒定中，填補了國內在該領域的空白。該測量設備研制設計的主要思路是將油箱上部空間的氣體通過真空泵吸入安裝于客艙的氧濃度測量設備中，然后進行過濾、阻火、調壓后利用氧傳感器進行測量。在研制過程中主要解決了以下工程問題：

① 測量系統與油箱的安全隔離設計。

② 油箱無油空間氣體取樣設計。

③ 采樣氣體溫壓調整、雜質過濾設計。

④ 標定管路設計。

⑤ 給出滿足精度、性能要求的氧濃度傳感器選型標準。

最終形成的中國飛行試驗研究院測量設備架構[12]如圖5所示。

圖5 中國飛行試驗研究院測量設備架構圖

在設備制造過程中，遵循氣路與電路分離的原則，設計為A、B兩個機柜。其中A柜為控制顯示柜，主要包括電源系統、測量系統控制、顯示系統和對外的數據接口；B柜為測量柜，主要包括采樣氣體預調制組件、氧濃度傳感器和防爆告警組件。機柜尺寸與FAA設備尺寸接近。該測量設備最終達到的主要技術指標與FAA設備相當，滿足了實際測量需求。

某先進運輸機惰化系統試飛中，使用該設備測量了空氣分離器出口、兩個獨立油箱隔艙、通氣箱共4個位置的氧氣濃度，開展了3個典型飛行剖面試驗，全面鑒定了該型機油箱惰化系統。同時，該設備在使用中也暴露了諸多問題，包括設備體積大，改裝難度大，不能適用其他型號；設備復雜且故障率高；大功率真空泵對供電要求高，試飛中出現多次掉電現象。

2.2 光譜吸收原理測量系統

2.2.1 光譜吸收方法測量氧濃度原理

光譜吸收技術以Beer-Lambert定律為基本理論：一束激光穿過裝有待測氣體的樣品池，采集透射光強作為光譜信息，通過對光譜信息、激光源入射光強和有效光程的分析，實現特定氣體濃度的檢測[13]。吸收光譜技術包括多種氣體探測技術，其中，氧氣濃度測量通常使用可調諧半導體激光吸收光譜術(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)。

根據Beer-Lambert定律，初始光強為I0、頻率為υ的紅外光通過一段氣體介質時，由于氣體吸收，光強會發生衰減，透射光強I為

I(υ)=I0(υ)exp(-kυL)

(1)

式中:I0(υ)為入射光強;I(υ)為透射光強;υ為入射光的頻率;L為有效吸收光程;kυ為光譜吸收系數。對于單一氣體的單一躍遷而言，有

kυ=S(T)φ(υ)Px

(2)

式中:S(T)為溫度T時的吸收線強度；φ(υ)為吸收線的歸一化線性函數，在大氣環境檢測中通常選擇Voigt線型[14]；P為氣體壓強；x為吸收氣體的摩爾分數。

在溫度、壓力、光程已知的情況下利用積分吸收光度和吸光度峰值，可以進行氣體濃度反演。

(3)

式中：A(υ0)為積分吸光度。

為了提高氣體濃度的檢測靈敏度，往往需要增加氣體吸收的有效光程，可采用多通池、多孔散射材料、積分球等延長光程。

由測量原理可以看出，利用TDLAS測量氧氣濃度具有抗干擾能力強、響應速度快(毫秒級)的優勢；但將其應用于油箱無油空間氧濃度測量時，依然存在油液污染核心傳感器的問題。

2.2.2 國外研究及應用現狀

美國OXIGRAF公司基于其光譜吸收技術在生物醫藥、科學研究、工業生產等領域的成功應用，于2010年左右發布了一款基于光譜吸收原理的測量設備[15]，型號為OXIGRAF O2N2。該設備被著名航空燃油機電設備供應商Parker公司采用，在俄羅斯RAJ和龐巴迪C型公務機上進行油箱惰化系統適航取證試飛。

O2N2設備的總體設計思路與FAA設備一脈相承，即將油箱無油空間樣氣吸出油箱，通過凈化、溫壓正定等處理后，再送入核心傳感器進行測量。設備的系統框架如圖6所示。其主要由一個氧傳感器、四通道采樣系統、自動校準系統、真空熒光數字顯示器、鍵盤、RS485和ARINC429通信協議接口組成。

圖6 OXIGRAF O2N2設備框架圖

與FAA設備相比，兩者主要存在的差異如下。

① 核心傳感器不同。O2N2設備核心傳感器是基于TDLAS光譜吸收技術的光學傳感器，傳感器每10 ms對樣氣分析一次，在測量間隙通過將光源光譜改變至氧氣非吸收波段實現分析器調零。

② 傳感器分時復用設計。該設備一個核心傳感器同時應用于4通道采樣管路，通過分時復用閥門，每路采樣氣體每16 s被送入核心傳感器測量4 s，這種設計降低了測量延遲，減少了設備管路復雜性，壓縮了設備體積。

③ 實時校準。O2N2設備攜帶校準氣瓶，一般為氧氣濃度5.0%和21.0%的兩種氮氧混合氣，對核心傳感器進行周期性掃描校準。

④ 防油設計。O2N2設備在采樣管與飛機油箱之間安裝防油浮子閥，防止燃油流入采樣管。一旦燃油堵塞采樣管，設備利用攜帶的98%的干氮氣瓶反向吹掃采樣管路。該氮氣瓶同時還提供對測量設備內部電器元件周圍環境的惰化。

⑤ 壓力正定。O2N2設備通過實時測量傳感器氣室內部的壓力對結果進行修正，此壓力應處于9.65～120 kPa之間，因此仍然設計了閥門對高低壓進行限制。同時，為了消除系統本身產生的壓差，設備改裝時要求各通道采樣管長度和直徑相同。

設備在實際制造過程中，也采用了氣路和電路分離的原則。核心傳感器和設備電源在同一個機箱，校準、除油管路等在其他機箱，除此之外，還有3個外接氣瓶和1臺數據處理筆記本電腦。雖然4通道集成的核心機箱尺寸只有23 in×5.22 in×19 in(1 in=0.0254 m)，質量為18 kg，但真正使用時，添加了冗余部件后四通道設備質量和尺寸將變為之前的3倍。該設備的主要技術參數如表1所示。

表1 OXIGRAF O2N2設備主要技術參數

某國內民機使用該設備進行了取證試飛。為滿足惰化系統試飛要求，在飛機客艙中改裝了8通道OXIGRAF O2N2設備，對燃油箱和機載制氮系統管路的氧氣濃度進行測量。試飛過程中，液體燃油堵塞采樣管是最大的問題。若飛機接近加滿油，此時打開設備必然會引起堵塞，且大量燃油的堵塞無法在飛行中排除。若油箱油量較少，此時打開設備會有少量燃油進入管路引起堵塞，但有時可以通過設備反吹使通道重新有效。部分使用較好的飛行架次中設備數據無效時長如表2所示。由表2中數據可知，試飛中由于通道進油或為防止通道進油有意關閉通道導致的測量無效的時間最大占比約為50%。

表2 使用較好的飛行架次中設備數據無效時長

此外，雖然理論上光譜吸收原理的傳感器響應時間是毫秒級的，但該設備采用了吸氣測量和分時復用的架構設計，實際使用中其響應時間與FAA設備響應時間并無差別。而且，雖然采取了一系列防油措施，但液體燃油堵塞導致測量無效依然是該設備的最大問題。

2.2.3 國內研究及應用現狀

國內基于TDLAS技術的研究相對起步較晚，自從2000年開展TDLAS技術研究以來，目前香港理工大學、清華大學、燕山大學、哈爾濱工業大學、中科院安徽光機所等大學和機構都進行了不同程度的深入研究，在系統結構設計和關鍵技術上取得了較為突出的成績。特別是北京工業大學的苗揚等[16]于2016年發明了一種非接觸式檢測裝置，該裝置利用氧氣的順磁性將氧氣吸收進集氧裝置，通過激光器發射和接收到的光信號，利用波長調制光譜技術中氣體吸收函數擬合方法進一步測定氧氣濃度。但未見該方法在實際飛行中使用的公開材料。

2.3 現狀總結

電化學原理測量設備和光譜吸收原理的測量設備已分別成功應用于部分型號，推動了油箱惰化系統的長足發展，但其仍然存在以下關鍵問題。

① 防油設計不到位。防油設計的核心問題是測量設備所采用的傳感器“不耐油”，因此，兩種設備都采用吸氣方式，在核心傳感器前完成樣氣中的油污過濾，但實際使用中發現，燃油堵塞和燃油污染仍然是設備不可靠的主要來源。

② 體積過大。雖然OXIGRAF O2N2設備在FAA設備基礎上采用了分時復用等巧妙設計，使設備體積有一定縮減，但為了彌補核心傳感器“不耐油”的缺陷，依然需要設計復雜的管路，導致設備體積大，難以滿足戰斗機和無人機使用需求。

③ 可靠性低。主要表現為安全可靠性和故障率。兩種設備內部都存在較多的電氣元件，一旦油氣混合物泄露，存在點燃風險。同時，兩種設備復雜的管路設計使其故障率高且維修復雜。

要解決以上關鍵問題，核心傳感器的設計非常重要。近年來，國內外研究者逐步探索將基于熒光猝滅原理的傳感器用于飛機燃油箱無油空間氧濃度測量。

3 熒光猝滅原理的氧濃度測量

3.1 熒光猝滅效應

熒光是一種光致發光的冷發光現象。當特定波長的入射光照射處于基態的熒光物質時，熒光物質會吸收光能進入激發態，激發態各個振動能級的分子經由無輻射躍遷落至第一電子激發態的最低振動能級，再持續降落至基態各振動能級，并散射出相應光量子，而且一旦對其停止照射，發光也即刻停止，這種光在宏觀上表現為熒光。熒光物質通過發光釋放多余能量時，部分特殊物質在吸收這部分能量后會產生瞬時的基態復合物，導致熒光特性發生變化，從而引起熒光猝滅現象。

有氧情況下，熒光分子與氧氣發生猝滅效應，導致一部分能量轉移到氧氣分子上，使熒光分子以發光的形式釋放的能量減少，與無氧情況相比，熒光壽命縮短，總體來看，熒光強度也會降低。熒光分子周圍的氧氣分子濃度直接影響了熒光壽命和熒光強度，因此可以通過檢測熒光壽命和熒光強度達到測量氧氣濃度的目的。

理想情況下，熒光壽命和熒光強度以及熒光分子周圍的氧氣濃度遵循S-V(Stern-Volmer，斯特恩-沃耳默)方程：

I0/I=τ0/τ=1+k[O2]

(4)

式中:I0、I分別為無氧和有氧條件下的熒光強度；τ0、τ分別為無氧和有氧條件下的熒光壽命；[O2]為熒光分子周邊氧濃度；k為常數，與熒光物質有關。

理想情況下的S-V方程中，氧氣濃度與熒光壽命、熒光強度的比值呈線性，這種線性關系便于熒光猝滅型傳感器的校準和使用，因此，在合成新的熒光猝滅染色劑時，學者們總是傾向于加強其線性相關度[17-18]。

測量環境的溫度對熒光物質的熒光特性有較大的影響。2008年，Lo等[19]根據研究給出溫度修正下的S-V方程為

Im(T)=I(T)C(T)

(5)

式中：I0(Tref)為在特定溫度下(通常是室溫)測量的無氧條件下的熒光強度；Im(T)為某一溫度下某一氧氣濃度中的熒光強度;Ksv1(Tref)為特定溫度下的熒光常數；[%O2(T)]為某一溫度下氧氣含量百分數；f1(T)為實際測量環境溫度下的熒光強度占總熒光量的百分數；I(T)為某一溫度下總的熒光強度；C(T)為溫度修正系數。

壓力對基于熒光猝滅測量結果的影響與對電化學測量傳感器的影響是一致的。因此，對實時記錄的測量環境中的總壓進行結果換算，即可計算出測量環境中的氧氣體積百分比[20]。

綜上分析可知，基于熒光猝滅原理測量環境中氧氣分子濃度時，大部分熒光材料的熒光特性符合線性S-V方程，但當考慮實際測量范圍、測量環境中的溫度和熒光指示劑的固定方式等因素時，理想的S-V方程將不再完全適用，傳感器在使用前需要進行試驗標定，并對結果進行算法修正。

3.2 檢測方法

通常，通過檢測熒光強度和熒光壽命來實現氧氣分子濃度的反演。檢測熒光強度技術簡單、成本低，在生物、化學等領域有著廣泛的應用。但熒光強度容易受光源穩定性、光纖傳輸效率、光強檢測器的敏感度、傳感器的光漂白和傳感器中熒光指示劑分布不均等因素的影響[21]。特別是在航空機載領域使用時，強振動、強電磁干擾、極端自然環境等往往會進一步擴大不利因素的作用，導致傳感器壽命銳減或測量失效。熒光壽命是熒光材料的本質屬性，它能夠克服上述因素的影響[22]。因此，在極端環境中常通過測量熒光壽命進行濃度測量。主流的熒光壽命檢測方法包括時域法和頻域法。

3.2.1 時域法

采用時域法測量熒光壽命時，使用門脈沖激光信號調制激光源，使激光快速照射熒光物質，當照射時間遠低于熒光壽命時，熒光信號將會呈單一指數形式衰減[23]，可表示為

(6)

式中：I(t)為熒光信號強度；A為熒光衰減曲線起始值；τ為熒光壽命。熒光衰減曲線的衰減速度取決于熒光壽命的大小，在時域上記錄多個時間下的猝滅熒光信號強度，這些點將在單一衰減曲線上，對單一指數擬合即可得到熒光壽命。

時域法本質雖然是測量熒光強度，但相較于單次測量，短時間內通過多次測量進行數據擬合的方法能夠消除背景中的噪聲影響，有效提高了測量精度。

3.2.2 頻域法

頻域法測量時，采用正弦函數調制激光光源，光源照射到熒光物質后，產生的熒光和激發光源存在相位滯后現象，相位滯后可表示為

Δφ=arctan(2πfτ)

(7)

式中:f為光源頻率。測量出相位滯后即可計算出熒光壽命τ。

在實際使用中，由于正弦形式的激發信號對激發光源性能和光源驅動電路要求較高，嚴格的單一頻率正弦激發信號難以得到，因此，通常使用脈沖激光的形式進行光源調制，并采用鎖相檢測技術進行相位檢測[24]。

與時域法相比，頻域法有以下3個優勢。

① 針對特定的驅動和檢測電路，選擇特定頻率，能有效提升檢測信號的信噪比。

② 通過測量的滯后相位可很方便地計算出熒光壽命。

③ 背景變化和信號散射對測量影響較小。

3.3 氧敏感膜

要想使傳感器能夠在油氣混合、高低溫等環境中完成油箱無油空間氧氣濃度測量，氧敏感膜的制備至關重要。氧敏感膜不僅要滿足熒光特性好、對氧氣的敏感度高、有較大的Stokes位移、光學穩定性好這些一般環境中對氧敏感膜的要求，而且要具有疏油性，并能夠耐受航空煤油的侵蝕。典型的氧敏感膜主要包括熒光物質層和基質層，并且兩層之間應該具有良好的黏合性。

3.3.1 熒光指示劑

Ru有機配合物是一種應用最廣泛的熒光指示劑。學者們開發了眾多Ru配合物作為熒光物質，例如[Ru(bpy)3]2+、[Ru(phen)3]2+、[Ru(dpp)3]2+等[25-26]。在眾多的Ru配合物中，[Ru(dpp)3]2+展現出最好的氧敏感性，其熒光壽命最長達5.3 μs，光量子產率為0.3[27]。除此以外，以Pt和Pd元素為中心金屬元素的卟啉是一種極為重要的熒光指示劑[28-29]。

總體來看，釕金屬絡合物自1986年被發現適合作為光纖氧傳感器的熒光指示劑以來，因為其具有熒光壽命長、靈敏度高、有較大的Stokes位移和改造后光學穩定性好等優點，成為應用較為廣泛的熒光指示劑。

3.3.2 基質

基質用于固定熒光指示劑，適合作為飛機燃油箱無油空間氧敏感膜的基質應該具備以下特點。

① 制備流程方便簡單。

② 染色劑能夠被良好地封裝起來，不易從基質中脫落，脫落后不污染航空煤油。

③ 染色劑固定到基質后，應能確保染色劑物化性能良好。

④ 支撐基質應具備良好的光學特性和優良的氧氣分子滲透性，強化基質疏水疏油性質，并強化氧氣分子的選擇性通過。

支撐基質按照物質類型可以分為有機高分子聚合物、無機高分子聚合物和混合傳感膜基質。混合傳感膜能夠兼具有機高分子膜[30]和無機高分子膜的優點，制備方便且穩定性好。其中以有機改性的烷氧基硅烷[31](ORMOSIL)特性尤為突出。

以上內容為下文介紹的氧濃度測量系統提供了技術基礎。

3.4 應用于無油空間氧濃度測量的光纖傳感器系統

2007年，NASA的格倫研究中心在國際火災安全研究會議中發布了一款用于油箱無油空間氧濃度實時測量的便攜式機載裝置。雖然該裝置的核心測量原理不是熒光猝滅，但其發布的插入式測量裝置框架被廣泛借鑒，如圖7所示。

圖7 插入式測量裝置框架圖

在該測量框架中，受感部插入飛機油箱的無油空間，與測量環境直接接觸，激光器和光譜檢測裝置以及其他輔助設備安裝在遠離油箱的“舒適”的環境，發射光通過光纖傳導至受感部，產生的信號光通過另一條光纖傳送回檢測裝置，結合測量環境中溫度和壓力數據，完成信號實時處理。以這個框架為藍本，國外申請了眾多類似的測量裝置專利[32-36]。

2011年，Allen[37]首次明確提出采用上述插入式測量系統時對氧氣濃度傳感器的要求，以該要求為目標，筆者介紹了一種基于紫外-可見光光度法(UV-VIS)測量熒光壽命的方法和系統架構。該系統使用輕便緊湊的紫外熒光分光計對熒光進行測量，在-50～60 ℃的環境溫度中，測量0～25%范圍內的氧氣濃度，精度優于0.5%體積分數。

2013年，美國空軍“小企業創新研究計劃”(SBIR)官方網站中公布了一項對于ROI(Redondo Optics,Inc.)公司的資助項目，項目名稱為“基于自參考光纖氧氣傳感器的飛機燃油箱無油空間氧濃度實時監測系統”。該項目旨在向美國空軍提供一款能夠實時監測油箱無油空間氧濃度并進行溫壓修正的測量系統(FOxSense)，該系統要能夠統籌協調飛機控制系統，用以完成對飛機惰化系統的實時反饋。

2014年，該項目的負責人Mendoza[38]介紹了FOxSense系統的詳細情況。FOxSense系統架構如圖8所示。

圖8 FOxSense系統架構圖

FOxSense系統由4個關鍵部件組成：① 溫度和壓力補償的光纖氧氣濃度測量受感部；② 符合美軍標的多模光纖通信布線網絡架構；③ 熒光壽命鎖相檢測技術；④ 多維傳感器校準算法。FOxSense系統可以在所有飛行機動條件下，包括高度在0～50000 ft、溫度在45～160 ℉之間、壓力在1.6～16 psi之間，連續實時監測0%～40%的氧氣濃度范圍。

ROI公司在地面模擬試驗臺模擬了飛機起飛-爬升-巡航-下降-下客整個流程中油箱中的溫度、壓力和氧氣濃度的變化，應用此測量系統進行測量，結果顯示在整個過程中氧氣濃度平均誤差不大于0.6%，溫度誤差不大于0.9 ℃。

雖然取得了一些成果，但目前基于熒光猝滅原理的油箱無油空間氧濃度測量系統仍然面臨很多挑戰：① 熒光敏感膜的光漂白衰減，具備疏油和疏水特性的基質需要進一步的研究和開發;② 極端環境下熒光檢測系統的有效性，特別是應用于戰斗機時檢測設備可能安裝在暴露環境下，熒光檢測系統能否承受高低溫、強振動的考驗還需進一步研究；③ 自調零、自校準、自補償等多項智能技術在檢測系統中的應用，這是新一代機載氧濃度測量設備區別于前兩代設備的標志，也是關鍵技術之一。

4 未來發展趨勢

目前，還未見到對飛機燃油箱無油空間氧濃度在飛機全任務周期實時監測的報道，技術較為成熟的基于電化學和光譜吸收原理的測量設備由于體積大、安全性低、可靠性不高等因素，都只應用于大型運輸機的試飛中，無法形成機載設備，以及參與油箱惰化系統的反饋調節。而基于熒光猝滅原理的測量系統已經顯示出其在成為機載氧濃度檢測設備上的先天優勢，但其技術仍然不夠成熟。在未來，機載油箱氧濃度測量系統將向以下方向發展：

① 基于熒光猝滅原理的受感部將成為下一代飛機燃油箱氧濃度測量系統的核心。基于熒光猝滅原理的測量系統將受感部直接置于測量環境中，免去了吸氣和樣氣正定的過程，響應速度和測量精度將極大提升；受感部和后端調制設備之間通過光纖交換信號，避免了燃油箱油氣混合物被點燃的可能性，測量系統也得到簡化；成本低，適用于大規模制造。

② 智能化。氧濃度測量系統智能化體現在：測量系統具備自校準，自補償能力；測量系統嵌入飛機管理系統，為油箱惰化系統控制提供反饋；測量系統具備實時為決策者提供燃油箱的安全情況說明、提供燃油箱點燃告警等功能。

③ 高可靠性。測量系統必須在飛機全任務周期內開展燃油箱無油空間氧濃度實時監測；測量系統必須采用模塊化設計，通道之間互不影響，在遭遇通道故障后能夠迅速重構；進一步降低熒光猝滅受感部光漂白衰減，研制疏油疏水的受感部基質，提高測量系統使用壽命。

④ 小體積。小體積、輕重量是機載航空設備永恒的需求，此外，當測量系統安裝在軍用戰機和無人機上時，對體積和重量的要求會更加嚴苛。

5 結束語

筆者介紹了基于3種不同原理的飛機油箱無油空間氧濃度測量系統，結合實際研發和使用經驗，介紹了基于電化學原理和基于激光吸收原理的測量系統存在的局限性和使用中存在的主要問題。重點介紹了熒光猝滅原理、熒光物質和基于熒光猝滅原理的測量系統的研制現狀，指出小型化便攜式基于熒光猝滅原理的氧濃度測量系統將成為飛機燃油箱無油空間氧濃度測量的主流，用于實時監測該空間的氧氣濃度，以及參與油箱惰化系統的反饋控制。