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光纤光栅在航空结构健康监测中的应用前景

2015-1-20 16:43:48点击:
光纤光栅传感作为一门快速发展的新型传感技术,具有精度高、体积小、重量轻、波分复用、寿命长、可靠性高、耐腐蚀、传输距离长等优点,可实现应力应变、温度、力、加速度等多种参量的测量,在飞机、舰船、发动机等重大装备的机载化测试以及地面综合测试中具有重大的应用前景,基于光的测量正在逐步成为航空试验测试技术发展的重要趋势。


光纤光栅是一种对应变及温度敏感的传感元件,可实现单根光纤对几十个应变节点的测量。基于光纤光栅传感原理的应变测量技术突破了传统电阻应变片布线复杂、疲劳寿命短、抗电磁干扰能力差、无法实现复合材料内部埋植等不足,对光纤光栅采用不同的封装方法,可形成光纤应变传感器、光纤温度传感器和力传感器等,从而为航空结构状态监测提供极具发展前途的测量新技术。


对于光纤光栅的应用,国内外开展了大量研究工作,针对航空结构健康监测的相关研究也在逐步展开,本文主要结合航空相关应用研究展开讨论。


光纤光栅传感器的工作原理和技术特点


1光纤光栅传感器测量原理


当宽带入射光通过光纤光栅时,一部分窄带光被反射回去,回光的中心波长取决于光纤光栅的栅距,光纤光栅的栅距因机械应力或热应力而改变,因此通过对回光中心波长的检测就可获知被测点的应力和温度信息,若进行其他参量的测量时,需要将被测量的变化转化为光纤光栅的应变或温度变化。


在刻制光纤光栅的过程中,因为相位掩膜板参数的调整,可形成多种不同中心波长的光纤光栅,将若干光纤光栅通过串、并联等方式连接在一起,组成分布式测量网络,如图1所示。由于回光由不同中心波长的窄带光组成,不同测点的测量信号可以相互区分,从而可以在一根光纤上形成多点测量(一般可以达到20~30点)。FBG传感器网络测量系统由宽带光源、信号传输线(光纤或光缆)、FBG传感器网络、光纤耦合器以及波长解调测量系统组成,宽带光源将有一定带宽的光通过光纤耦合器入射到光纤光栅中,由于光纤光栅的波长选择性作用,符合条件的光就会被反射回来,再经由光纤耦合器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化。


2光纤光栅的技术特点


针对结构应变测量,与传统金属应变片进行比较,光纤光栅传感器具有多种显著的技术特点。


(1)波分复用、大大提高测量效率。


单路光纤上可以制作多个光栅。一根光纤串接20只光纤光栅,为解决320点应变测量问题,只需16根光纤,而应变片则至少需要640根导线。因此,使用光纤光栅传感技术可以大大简化系统布线,使结构更加轻便、测量可靠性更高。如果作为机载传感系统,则可以保证在增加很小重量的情况下,实现多点结构应变监测,该优势随着测量点的增加而明显。


(2)抗电磁干扰能力强。


在电磁干扰环境下,对试验件动态加载时应变片测量数据与光纤光栅测量数据进行比较。图2(a)为光纤光栅测量结果,图2(b)为应变片测量结果,可以看出应变的测量结果有明显的干扰噪声和尖刺,而光纤光栅数据则非常平滑,若应用于状态监测系统,将大大提高数据分析质量、降低误判率。(3)寿命长,可靠性高,耐腐蚀。


国外将光纤光栅传感器埋入碳纤维复合材料进行应变测试,试验结果表明:在0~2000με循环320000次后,光纤光栅传感器仍没有出现劣化现象;通过加速老化试验认为光纤光栅存活寿命大于30年。


(4)体积小,重量轻。


光纤光栅直径为一般为0.25mm,特殊制作可以达到0.15mm。由于其结构纤细,可适用于多种特殊的应用场合,尤其适合于埋入材料内部形成智能材料或结构,在国内外的研究中,已经实现可内埋于复合材料内部的构想,并进行了相关验证试验。


国外研究现状


重点结合光纤光栅传感器、波长解调仪表和应用研究对国外的研究情况进行说明。

(1)光纤光栅传感器。

光纤光栅在某种程度上讲,更像是一种敏感器件,为了能够实现更方便、更准确、更可靠的测量,往往要进行一定形式的封装,从而形成各种光纤光栅传感器。光纤光栅与被测结构的物理结合是研究的关键,若胶涂于光纤光栅表面,其应力传递的效果将直接影响测量,传感器的研究重点正在于解决该问题。使用中要求将光纤光栅牢固、均匀、稳定与被测参量耦合起来,因此在传感器封装和安装形式上进行了大量研究。

(2)波长解调仪表。

20世纪90年代以来,国外提出多种光纤光栅传感解调方案,其中可调谐F-P腔滤波器和衍射光栅原理的解调技术越来越受到重视。可调谐F-P腔滤波器方法是当前技术较为成熟、实用性较好的解调方法之一,可实现由多传感组成系统的动态和静态测量,动态测量可以达到2kHz的测量速率。基于此方法的国外相关解调仪表主要以美国微光(MOI)公司的产品为代表。
基于衍射光栅的解调方法越来越引起人们的重视,该解调方法由光电探测阵列对入射光束一次成像而获得波长信息,无机械运动部件,因此解调频率在理论上只受到光电探测阵列读出速率的限制。美国Bayspec和丹麦Ibsen公司研制了相关技术和产品,最高采样频率可以达到5kHz,但是当前尚未完全实现实时解调。
除了上述两种原理的波长解调技术之外,国外研究机构和公司也广泛研究了其他波长解调原理并形成相关产品,如美国BlueRoadResearch公司就推出一种基于啁啾光栅的解调系统,取样率可达7kHz,并声称还可以更高,但这种解调系统只能解调一个光纤光栅,而且分辨率和精度尚待提高。目前,美欧等国都积极开展适合于军事应用的光纤光栅解调技术研究,其特点是更加便携、环境适应能力更强。


(3)光纤光栅应用研究。

美国的光纤传感器研究开始最早,投资最大,并把光纤传感器列为军备改造计划的15项重点之一,制定了专门的纤维光学传感器规划。美国Luna检测公司、Luna能源公司和LockheedMartin公司联合发展了光纤分布式传感系统,利用了光频域反射计来监测P-3C猎户座飞机结构的整体疲劳过程[2]。
美国军方于20世纪90年代初就提出了智能机翼的研究计划,以实现控制机翼的扭转和曲面,其中就使用了光纤光栅应变计。F/A18飞机舱壁的全面疲劳试验采用了光纤传感器检测翼梁中的小量扭矩,以提高安全性和减少维护量。意大利的结构检测大规模研究开始于1990年前后,开始的主要成就集中在就航空航天和大型的民用结构领域。
意大利米兰理工大学的航空航天工程系开展了很多针对于航空智能材料的研究,将光栅光纤传感器或者发射器埋入复合材料中,并且进行了成功的数值模拟。传感器/激发器/结构特性通过了国防与航天中心动态力学分析检测,对埋入工艺进行了评估,考虑了力、热、化学的兼容性[3]。
2009年11月,意大利的ValentinaLatini等研究了一种基于耐高温FBG传感器和耐恶劣环境蓝宝石光纤的新型结构健康检测体系,工作温度可达600℃,该传感器应变灵敏度可达0.6με,应用于等离子风洞。
AleniaAeronautica公司对结构健康检测的研究主要集中在传统传感器检测系统和光纤传感系统上。SMIST(StructuralMonitoringwithadvancedIntegratedSensorTechnologies)是一个欧洲资助项目,由空中客车领导,主要集中在基于光纤光栅传感器技术的整体结构健康检测的研究。提出的技术被用于C-27J“斯巴达人”运输机的实验室和空中检测研究,对利用光纤光栅传感器得到的微应变与利用硅基传感器的结果进行了比较,结果显示很理想。
日本是一个材料研究很发达的国家,从其材料研究的趋势可看出光纤光栅传感器的新应用领域和新发展方向。其中对于灵敏复合材料的健康监测研究,主要资助项目为NEDO和RIMCOF,项目集中发展含有埋入发展的小直径光纤和光纤光栅传感器的飞机复合结构的结构健康检测技术,同时发展航空结构件的损伤检测系统。利用埋入小直径光纤传感器发展了实时监测冲击损伤系统,是东京大学与Kawasaki重工业合作的结果。