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（中國航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

光纖光柵是近些年新研制出來一種新型傳感器，其主導(dǎo)產(chǎn)品光纖布拉格光柵傳感器（FBG）可以用來測量多個(gè)物理量，包括應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、振動(dòng)、壓力和電壓等，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。隨著光纖光柵傳感器測量技術(shù)的發(fā)展，其在很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。國際航空雜志報(bào)道：“NASA 在其航天飛機(jī)X-33 上安裝了測量應(yīng)變和溫度光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)，加拿大光子研究機(jī)構(gòu)提出用光纖光柵傳感器測量飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的壓力和溫度等參數(shù)”。很多國家都在積極開展關(guān)于光纖布拉格光柵傳感技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的研究[1]。在國內(nèi)，航空航天領(lǐng)域應(yīng)用還處于探索階段，尤其是風(fēng)洞試驗(yàn)中的應(yīng)用處于萌芽期。該文主要根據(jù)光纖光柵傳感器在諸多領(lǐng)域中的應(yīng)用情況來探討其風(fēng)洞測試中的應(yīng)用前景。

1 光纖布拉格光柵傳感器的基本原理

溫度、應(yīng)變的變化會(huì)引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使布拉格光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化，通過檢測布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變的信息，如公式（1）所示。式中：λB是被反射的波長；neff是光纖布拉格光柵的有效折射率； Λ 為光柵周期。

當(dāng)一束寬光譜光λB經(jīng)過光纖布拉格光柵時(shí)，被光柵反射回一單色光λB相當(dāng)于一個(gè)窄帶的反射鏡。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期ΔΛ 和有效折射率neff有關(guān)。通過拉伸和壓縮光纖布拉格光柵， 或者改變溫度， 可以改變光纖布拉格光柵的周期和有效折射率， 從而達(dá)到改變光纖布拉格光柵的反射波長的目的。反射波長和應(yīng)變、溫度、壓力物理量成線性關(guān)系。根據(jù)這些特性，可以將光纖布拉格光柵制作成應(yīng)變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。圖1 為光纖布拉格光柵傳感器的溫度和應(yīng)變響應(yīng)原理圖。

2 光纖布拉格光柵傳感器發(fā)展及應(yīng)用狀況

1978 年，加拿大的K.O.Hill 等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)了光敏現(xiàn)象，并采用駐波法制造出世界上第一根光纖光柵，1989 年，美國的G·Meltz 等人實(shí)現(xiàn)了光纖光柵的UV 激光側(cè)面寫入技術(shù)以來，光纖光柵的制造技術(shù)不斷完善，人們對(duì)光纖光柵在光傳感方面的研究更為廣泛和深入。1997 年后，光纖光柵壓力傳感進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，世界各國對(duì)光纖光柵的制作及光纖光敏化技術(shù)不斷取得了新的進(jìn)展，其也被廣泛地用于壓力傳感領(lǐng)域。

圖1 光纖布拉格光柵傳感器的溫度和應(yīng)變響應(yīng)原理圖

2.1 航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

航空航天各種飛行器是由多個(gè)傳感器對(duì)壓力、溫度、振動(dòng)、燃料液位、起落架狀態(tài)、機(jī)翼和方向舵的位置等進(jìn)行監(jiān)測的，傳感器的應(yīng)用數(shù)量有幾百個(gè)，因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在大飛機(jī)、無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)中進(jìn)行參數(shù)測量，而關(guān)于我國航空領(lǐng)域在這方面的實(shí)際應(yīng)用資料很少。國外在航空航天領(lǐng)域有代表性的應(yīng)用成果有5 個(gè)方面。

2.1.1 無人機(jī)機(jī)翼應(yīng)力監(jiān)測

美國航空航天局（NASA）對(duì)一架在機(jī)翼上安裝了新型的光纖光柵傳感器的伊卡納（Ikhana）無人機(jī)進(jìn)行了飛行測試。光纖光柵傳感器可以在飛行中實(shí)時(shí)感覺和測量出機(jī)翼在氣動(dòng)力作用下發(fā)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形時(shí)受到的應(yīng)力，這些信息反饋給控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)翼載荷重新分配，做到這一點(diǎn)就可以避免像“太陽神”無人機(jī)在飛行的過程中，因遭遇大氣湍流機(jī)翼被折斷而墜毀的悲劇。

2.1.2 有限元模型修正

澳大利亞平臺(tái)學(xué)實(shí)驗(yàn)室飛行部對(duì)F/A-18A-D“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)的穩(wěn)定軸進(jìn)行了應(yīng)變監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，以修正穩(wěn)定軸的有限元模型。靜應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖布拉格柵陣列測試結(jié)果精度優(yōu)于電阻應(yīng)變片，而且采用光纖傳感器大大減少了傳輸線的重量、密集度和復(fù)雜程度。該實(shí)驗(yàn)室還進(jìn)行了動(dòng)載實(shí)驗(yàn)，其測試結(jié)果與電阻應(yīng)變片測試結(jié)果一致。

2.1.3 旋翼葉片應(yīng)力測量

哈爾濱航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司利用美國微光光學(xué)（MOI）公司光纖光柵測量系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)旋翼葉片進(jìn)行應(yīng)變與應(yīng)力測量。

2.1.4 航天飛機(jī)監(jiān)測

NASA 采用分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)，對(duì)航天飛行器結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如在航天飛機(jī)X-38 試驗(yàn)機(jī)中安裝這種傳感裝置，12 個(gè)光纖光柵安置在4 個(gè)測量點(diǎn)上，采用常溫、低溫條件下運(yùn)行的光纖光柵傳感器監(jiān)測復(fù)合材料高壓容器的應(yīng)力、溫度和壓力情況。

2.1.5 民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測

美國 MOI 公司光纖光柵傳感器及應(yīng)變解調(diào)儀應(yīng)用于最新型飛機(jī)Comp Air 12 的安全監(jiān)測，其與波音787 客機(jī)上采用的是同一種技術(shù)，光纖健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)︼w機(jī)的結(jié)構(gòu)整體性進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。這套健康監(jiān)測系統(tǒng)還包括安裝在機(jī)翼和安定裝置上的振弦傳感器和應(yīng)變片。在整個(gè)測試過程中溫度、壓力和振動(dòng)信號(hào)以及信號(hào)變化都能監(jiān)測到。

2.2 民用工程領(lǐng)域

光纖光柵傳感器在民用工程領(lǐng)域中應(yīng)用得非常廣泛，主要用于大型工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)測，其中包括管道、近海石油平臺(tái)、油井、大壩、堤壩、 橋梁、建筑物、隧道和電纜等方面。光纖光柵測量系統(tǒng)能夠在30 km 長單模標(biāo)準(zhǔn)光纖上進(jìn)行分布式溫度和應(yīng)變測量，測量點(diǎn)數(shù)達(dá)幾萬點(diǎn)。這個(gè)獨(dú)特的系統(tǒng)引領(lǐng)了在光纖分布式監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域的新時(shí)代。以下是光纖光柵傳感器在民用工程的經(jīng)典應(yīng)用實(shí)例。

2.2.1 水立方工程

為了保證北京奧林匹克游泳場館“水立方”的主體鋼結(jié)構(gòu)卸載安全，工程人員在腳手架上安裝了光纖光柵應(yīng)變傳感器，在卸載過程中發(fā)生的任何一點(diǎn)受力變化，都會(huì)反饋到監(jiān)測中心的顯示屏上。工程人員在鋼結(jié)構(gòu)主要受力點(diǎn)布設(shè)光纖光柵傳感器，由MOI 的SI425 光柵傳感解調(diào)器做受力變化數(shù)據(jù)采集與分析，并通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果來指導(dǎo)場館的建設(shè)。

2.2.2 廣州電視塔工程

高達(dá)600 m 的廣州電視塔于2009 年9 月竣工，現(xiàn)為世界第一高塔，為監(jiān)測電視塔在風(fēng)載時(shí)所產(chǎn)生的變形與應(yīng)力，工作人員環(huán)繞該電視塔安裝了200 多個(gè)光纖光柵傳感器。

2.2.3 風(fēng)力發(fā)電裝置

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是電力提供的主要裝置之一，丹麥30%的電力供應(yīng)來自于風(fēng)電，當(dāng)遇到強(qiáng)風(fēng)天氣時(shí)，強(qiáng)勁的風(fēng)力很可能造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳葉斷裂，造成嚴(yán)重的安全事故，將光纖光柵傳感器固定在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳葉上可以監(jiān)測其受到風(fēng)載時(shí)應(yīng)力的大小，這樣就可以預(yù)警由強(qiáng)風(fēng)天氣帶來的安全事故。

光纖光柵傳感器為大型結(jié)構(gòu)和工業(yè)生產(chǎn)提供了監(jiān)視和監(jiān)測能力，通過提供光纖光柵在各個(gè)地方的溫度和應(yīng)變信息來顯示潛在事故的位置，以便于及時(shí)做出改變。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)中的應(yīng)用前景

風(fēng)洞同樣是傳感器應(yīng)用比較密集的地方，尤其以氣動(dòng)載荷作用下帶來的各種結(jié)構(gòu)體彈性變形的應(yīng)變、應(yīng)力以及形變測量最為重要。傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)中電阻應(yīng)變片是測量機(jī)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力的一種基本元件。然而，電阻應(yīng)變片因易受環(huán)境（如電磁場、溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等）以及自身重量、體積、測量精度低和壽命短等因素影響，其應(yīng)用受到一定限制。近年來，光纖光柵作為一種新型的測量應(yīng)變、應(yīng)力、位移、溫度的傳感器，以其抗電磁干擾強(qiáng)、體積小、重量輕、壽命長和復(fù)用性好等優(yōu)良特性，很適合應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)的各個(gè)領(lǐng)域。

3.1 機(jī)翼應(yīng)力分布測量

隨著復(fù)合材料大量在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，新型的大展弦比飛機(jī)具有速度更快、質(zhì)量更輕、燃油更省和柔性更高等特性。但是，大展弦比及低重量柔性機(jī)翼機(jī)構(gòu)往往在氣動(dòng)載荷作用下會(huì)發(fā)生很大的變形，氣動(dòng)彈性問題突出，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)部件出現(xiàn)非定常的運(yùn)動(dòng)及振蕩，從而使飛機(jī)的駕駛品質(zhì)急劇下降，導(dǎo)致突發(fā)性結(jié)構(gòu)故障甚至災(zāi)難性的后果[2]。所以，了解復(fù)合材料的機(jī)翼在風(fēng)洞試驗(yàn)中的應(yīng)力分布和氣動(dòng)特性對(duì)飛機(jī)機(jī)翼的安全性、可靠性具有重要的意義。

比頭發(fā)絲還要纖細(xì)的光纖可以黏貼在模型機(jī)翼的表面并涂以密封液，一根光纖可以刻上100 個(gè)以上的光柵作為應(yīng)變、應(yīng)力測量的傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)的溫度和應(yīng)變傳感器（熱電偶和應(yīng)變測量器）柔性差以及易受環(huán)境干擾等缺陷，F(xiàn)BG 傳感器具有對(duì)電磁的不敏感性，尺寸小、重量輕、柔性好、傳感器和數(shù)據(jù)處理裝置之間的距離可以很遠(yuǎn)等特點(diǎn)，最重要的是還具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠適應(yīng)風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3.2 主動(dòng)彈性響應(yīng)控制

從飛行器發(fā)展趨勢來看，出于減重目的和飛行性能的需要，飛行器結(jié)構(gòu)柔性趨于增大，結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)趨于復(fù)雜，這使動(dòng)彈性問題日益突出。如何避免在飛行過程中因氣動(dòng)彈性問題給飛行器帶來的損傷是一件棘手的問題。例如，由于飛行器的結(jié)構(gòu)特性和非定常氣動(dòng)載荷引起的飛行器抖振和顫振現(xiàn)象。20 世紀(jì)70 年代，蘭利研究中心（Langley Research Center，簡稱LRC）先后啟動(dòng)了多個(gè)氣動(dòng)彈性響應(yīng)控制計(jì)劃，開發(fā)出了許多有用的技術(shù)，主動(dòng)彈性響應(yīng)控制通過對(duì)彈性機(jī)翼應(yīng)力分布的監(jiān)測數(shù)據(jù)快速反應(yīng)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼控制面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣動(dòng)控制力，這樣能主動(dòng)地控制翼面產(chǎn)生變形，從而達(dá)到最佳的氣動(dòng)效果。1985年，蘭利研究中心、美國空軍及羅克韋爾國際公司合作開發(fā)了一項(xiàng)基于主動(dòng)控制概念的“主動(dòng)變形機(jī)翼”（AFW）計(jì)劃，并在跨音速動(dòng)態(tài)風(fēng)洞（TDT）進(jìn)行了大量的探索和驗(yàn)證試驗(yàn)。

NASA 在一架“依卡納”無人機(jī)上進(jìn)行了“光纖機(jī)翼變形傳感系統(tǒng)”的飛行試驗(yàn)，研究人員在依卡納機(jī)翼表面一共粘貼了6 根光纖，總共可以連接2 000 個(gè)光纖光柵傳感器，它們可以實(shí)施“感覺”和測量機(jī)翼在氣動(dòng)力作用下發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形時(shí)的應(yīng)力。NASA 通過“依卡納”無人機(jī)的飛行試驗(yàn)，確認(rèn)了光纖光柵傳感系統(tǒng)將集成到飛行控制系統(tǒng)的可能性。NASA 確認(rèn)，通過光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測出的機(jī)翼變形情況，及時(shí)地將這些信息反饋到控制系統(tǒng)中，對(duì)機(jī)翼載荷分布進(jìn)行重新分配，減輕飛機(jī)對(duì)突風(fēng)的響應(yīng)[3]。

主動(dòng)彈性響應(yīng)控制是正在探索研究的熱門技術(shù)，如果將光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)用到風(fēng)洞氣動(dòng)彈性試驗(yàn)中，通過將光纖光柵傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量得到的機(jī)翼扭轉(zhuǎn)變形時(shí)的應(yīng)力分布情況反映給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過改變模型或者機(jī)翼的狀態(tài)，對(duì)機(jī)翼載荷分布進(jìn)行重新分配，從而達(dá)到最佳的氣動(dòng)效果。光纖光柵測量系統(tǒng)在風(fēng)洞試驗(yàn)中的應(yīng)用，為主動(dòng)彈性響應(yīng)控制技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑，使主動(dòng)彈性響應(yīng)控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用成為可能。

3.3 結(jié)構(gòu)有限元模型修正

風(fēng)洞中的支撐機(jī)構(gòu)、洞體及風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)的飛機(jī)模型在氣動(dòng)載荷作用下都要發(fā)生某種程度的變形，在投入生產(chǎn)之前要用有限元法進(jìn)行計(jì)算?？梢岳霉饫w光柵傳感器高精度測量應(yīng)變應(yīng)力的結(jié)果，對(duì)有限元模型進(jìn)行修正。

3.4 抖振邊界測量

飛行器在飛行時(shí)如果氣流分離，有可能發(fā)生抖振。風(fēng)洞抖振試驗(yàn)就是測量飛行器模型的抖振邊界、抖振性及抖振載荷。采用翼根彎矩法測量抖陣邊界時(shí)可以在機(jī)翼的翼根處粘貼光纖光柵傳感器來感受翼根彎矩，光纖光柵體積小、抗電磁干擾的特性很適合風(fēng)洞的抖振試驗(yàn)。

3.5 風(fēng)洞洞體總溫測量

光纖光柵傳感器的另一個(gè)重要特性是可以測量溫度，溫度是風(fēng)洞試驗(yàn)的狀態(tài)參數(shù)，它除了對(duì)天平等測試設(shè)備的精度有影響外，還直接影響風(fēng)洞試驗(yàn)的雷諾數(shù)，特別是在低溫風(fēng)洞或變壓力風(fēng)洞等高雷諾數(shù)風(fēng)洞中，要想精確計(jì)算風(fēng)洞風(fēng)速和雷諾數(shù)，必須精確測量風(fēng)洞溫度，采用光纖光柵傳感器可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地測量風(fēng)洞的溫度變化。

3.6 風(fēng)扇應(yīng)力應(yīng)變測量

風(fēng)洞的風(fēng)速是由動(dòng)力段的風(fēng)扇提供的，而風(fēng)扇在離心力與氣動(dòng)載荷的作用下有可能使槳葉產(chǎn)生裂紋和斷裂，給風(fēng)洞設(shè)備及風(fēng)洞試驗(yàn)帶來損失，日本汽輪機(jī)葉片斷裂事件占電站事故的5%。如果把光纖光柵傳感器通過特制的轉(zhuǎn)接軸固定在風(fēng)扇的槳葉上用以實(shí)時(shí)監(jiān)測其所受到的應(yīng)力，就可以采取相應(yīng)的措施，避免因槳葉斷裂給風(fēng)洞試驗(yàn)帶來的損失。

3.7 光纖天平

應(yīng)變天平是一種單分量或多分量的應(yīng)變式測力傳感器，是目前高速與低速風(fēng)洞中使用最為廣泛的空氣動(dòng)力測量裝置，其應(yīng)變測量元件主要是電阻應(yīng)變計(jì)。但是傳統(tǒng)的應(yīng)變天平輸出的是微伏級(jí)弱電壓信號(hào)，容易受到風(fēng)洞現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾，而光纖光柵傳感器應(yīng)變信號(hào)是以光形式傳輸?shù)?，可以抗?qiáng)電磁干擾，并且其測量精度也很高，是未來天平研制技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。

4 結(jié)論

光纖光柵傳作為一種新型的傳感器，隨著其解調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展， 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，其體積小、抗電磁干擾、測量精度高及多路復(fù)用等特點(diǎn)很適合風(fēng)洞設(shè)備監(jiān)測及風(fēng)洞試驗(yàn)中各種參數(shù)的測試，特別是在結(jié)構(gòu)體氣動(dòng)彈性應(yīng)變、應(yīng)力方面的測量。光纖光柵傳感器以其優(yōu)越的性能在風(fēng)洞試驗(yàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)風(fēng)洞測試技術(shù)的發(fā)展將起到重要的推動(dòng)作用。