力学论文
摘 要： 光纤布拉格光栅是近些年新研制出来的一种用于测量应变、应力和温度等多个物理量的传感器，因其具有抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小和重量轻等特点，已经广泛应用到各个工程领域中。该文介绍了光纤布拉格光栅传感器基本原理以及目前在航空航天与民用工程中应用状况，进一步探讨其在风洞试验中设备测试的应用前景。
关键词： 光纤光栅传感器; 气动弹性; 应力分布;
光纤光栅是近些年新研制出来一种新型传感器，其主导产品光纤布拉格光栅传感器（FBG）可以用来测量多个物理量，包括应变、应力、温度、振动、压力和电压等，其应用领域非常广泛。随着光纤光栅传感器测量技术的发展，其在很多领域中得到了广泛的应用。国际航空杂志报道：“NASA在其航天飞机X-33上安装了测量应变和温度光纤光栅传感器网络，加拿大光子研究机构提出用光纤光栅传感器测量飞机发动机系统的压力和温度等参数”。很多国家都在积极开展关于光纤布拉格光栅传感技术在航空航天领域应用的研究[1]。在国内，航空航天领域应用还处于探索阶段，尤其是风洞试验中的应用处于萌芽期。该文主要根据光纤光栅传感器在诸多领域中的应用情况来探讨其风洞测试中的应用前景。
1、 光纤布拉格光栅传感器的基本原理
温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化，通过检测布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，如公式（1）所示。
式中：λB是被反射的波长；neff是光纤布拉格光栅的有效折射率；Λ为光栅周期。
当一束宽光谱光λB经过光纤布拉格光栅时，被光栅反射回一单色光λB相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期ΔΛ和有效折射率neff有关。通过拉伸和压缩光纤布拉格光栅，或者改变温度，可以改变光纤布拉格光栅的周期和有效折射率，从而达到改变光纤布拉格光栅的反射波长的目的。反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关系。根据这些特性，可以将光纤布拉格光栅制作成应变、温度、压力、加速度等多种传感器。图1为光纤布拉格光栅传感器的温度和应变响应原理图。
2、 光纤布拉格光栅传感器发展及应用状况
1978年，加拿大的K.O.Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现了光敏现象，并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅，1989年，美国的G·Meltz等人实现了光纤光栅的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究更为广泛和深入。1997年后，光纤光栅压力传感进入大规模发展阶段，世界各国对光纤光栅的制作及光纤光敏化技术不断取得了新的进展，其也被广泛地用于压力传感领域。
图1 光纤布拉格光栅传感器的温度和应变响应原理图
2.1、 航空航天领域应用
航空航天各种飞行器是由多个传感器对压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等进行监测的，传感器的应用数量有几百个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻等特点，非常适合应用在大飞机、无人机、战斗机中进行参数测量，而关于我国航空领域在这方面的实际应用资料很少。国外在航空航天领域有代表性的应用成果有5个方面。
2.1.1、 无人机机翼应力监测
美国航空航天局（NASA）对一架在机翼上安装了新型的光纤光栅传感器的伊卡纳（Ikhana）无人机进行了飞行测试。光纤光栅传感器可以在飞行中实时感觉和测量出机翼在气动力作用下发生的弯曲和扭转变形时受到的应力，这些信息反馈给控制系统，对机翼载荷重新分配，做到这一点就可以避免像“太阳神”无人机在飞行的过程中，因遭遇大气湍流机翼被折断而坠毁的悲剧。
2.1.2、 有限元模型修正
澳大利亚平台学实验室飞行部对F/A-18A-D“大黄蜂”战斗机的稳定轴进行了应变监测实验，以修正稳定轴的有限元模型。静应力实验结果表明，光纤布拉格栅阵列测试结果精度优于电阻应变片，而且采用光纤传感器大大减少了传输线的重量、密集度和复杂程度。该实验室还进行了动载实验，其测试结果与电阻应变片测试结果一致。
2.1.3 、旋翼叶片应力测量
哈尔滨航空工业（集团）有限公司利用美国微光光学（MOI）公司光纤光栅测量系统对直升机旋翼叶片进行应变与应力测量。
2.1.4、 航天飞机监测
NASA采用分布式光纤光栅传感系统，对航天飞行器结构的应变和温度进行实时监测，如在航天飞机X-38试验机中安装这种传感装置，12个光纤光栅安置在4个测量点上，采用常温、低温条件下运行的光纤光栅传感器监测复合材料高压容器的应力、温度和压力情况。
2.1.5、 民用飞机结构监测
美国MOI公司光纤光栅传感器及应变解调仪应用于最新型飞机Comp Air 12的安全监测，其与波音787客机上采用的是同一种技术，光纤健康监测系统能够对飞机的结构整体性进行连续监测。这套健康监测系统还包括安装在机翼和安定装置上的振弦传感器和应变片。在整个测试过程中温度、压力和振动信号以及信号变化都能监测到。
2.2、 民用工程领域
光纤光栅传感器在民用工程领域中应用得非常广泛，主要用于大型工程结构的应力应变和温度监测，其中包括管道、近海石油平台、油井、大坝、堤坝、桥梁、建筑物、隧道和电缆等方面。光纤光栅测量系统能够在30 km长单模标准光纤上进行分布式温度和应变测量，测量点数达几万点。这个独特的系统引领了在光纤分布式监测技术领域的新时代。以下是光纤光栅传感器在民用工程的经典应用实例。
2.2.1、 水立方工程
为了保证北京奥林匹克游泳场馆“水立方”的主体钢结构卸载安全，工程人员在脚手架上安装了光纤光栅应变传感器，在卸载过程中发生的任何一点受力变化，都会反馈到监测中心的显示屏上。工程人员在钢结构主要受力点布设光纤光栅传感器，由MOI的SI425光栅传感解调器做受力变化数据采集与分析，并通过数据分析结果来指导场馆的建设。
2.2.2、 广州电视塔工程
高达600 m的广州电视塔于2009年9月竣工，现为世界第一高塔，为监测电视塔在风载时所产生的变形与应力，工作人员环绕该电视塔安装了200多个光纤光栅传感器。
2.2.3、 风力发电装置
风力发电机是电力提供的主要装置之一，丹麦30%的电力供应来自于风电，当遇到强风天气时，强劲的风力很可能造成风力发电机的桨叶断裂，造成严重的安全事故，将光纤光栅传感器固定在风力发电机的桨叶上可以监测其受到风载时应力的大小，这样就可以预警由强风天气带来的安全事故。
光纤光栅传感器为大型结构和工业生产提供了监视和监测能力，通过提供光纤光栅在各个地方的温度和应变信息来显示潜在事故的位置，以便于及时做出改变。
3、 风洞试验中的应用前景
风洞同样是传感器应用比较密集的地方，尤其以气动载荷作用下带来的各种结构体弹性变形的应变、应力以及形变测量最为重要。传统风洞试验中电阻应变片是测量机构应变、应力的一种基本元件。然而，电阻应变片因易受环境（如电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等）以及自身重量、体积、测量精度低和寿命短等因素影响，其应用受到一定限制。近年来，光纤光栅作为一种新型的测量应变、应力、位移、温度的传感器，以其抗电磁干扰强、体积小、重量轻、寿命长和复用性好等优良特性，很适合应用于风洞试验的各个领域。
3.1、 机翼应力分布测量
随着复合材料大量在航空领域的应用，新型的大展弦比飞机具有速度更快、质量更轻、燃油更省和柔性更高等特性。但是，大展弦比及低重量柔性机翼机构往往在气动载荷作用下会发生很大的变形，气动弹性问题突出，其结果会导致飞机部件出现非定常的运动及振荡，从而使飞机的驾驶品质急剧下降，导致突发性结构故障甚至灾难性的后果[2]。所以，了解复合材料的机翼在风洞试验中的应力分布和气动特性对飞机机翼的安全性、可靠性具有重要的意义。
比头发丝还要纤细的光纤可以黏贴在模型机翼的表面并涂以密封液，一根光纤可以刻上100个以上的光栅作为应变、应力测量的传感器，相对于传统的温度和应变传感器（热电偶和应变测量器）柔性差以及易受环境干扰等缺陷，FBG传感器具有对电磁的不敏感性，尺寸小、重量轻、柔性好、传感器和数据处理装置之间的距离可以很远等特点，最重要的是还具有良好的稳定性和可靠性，能够适应风洞的实验环境。
3.2、 主动弹性响应控制
从飞行器发展趋势来看，出于减重目的和飞行性能的需要，飞行器结构柔性趋于增大，结构与控制系统趋于复杂，这使动弹性问题日益突出。如何避免在飞行过程中因气动弹性问题给飞行器带来的损伤是一件棘手的问题。例如，由于飞行器的结构特性和非定常气动载荷引起的飞行器抖振和颤振现象。20世纪70年代，兰利研究中心（Langley Research Center，简称LRC）先后启动了多个气动弹性响应控制计划，开发出了许多有用的技术，主动弹性响应控制通过对弹性机翼应力分布的监测数据快速反应给控制系统，控制系统驱动机翼控制面偏转产生气动控制力，这样能主动地控制翼面产生变形，从而达到最佳的气动效果。1985年，兰利研究中心、美国空军及罗克韦尔国际公司合作开发了一项基于主动控制概念的“主动变形机翼”（AFW）计划，并在跨音速动态风洞（TDT）进行了大量的探索和验证试验。
NASA在一架“依卡纳”无人机上进行了“光纤机翼变形传感系统”的飞行试验，研究人员在依卡纳机翼表面一共粘贴了6根光纤，总共可以连接2 000个光纤光栅传感器，它们可以实施“感觉”和测量机翼在气动力作用下发生弯曲和扭转变形时的应力。NASA通过“依卡纳”无人机的飞行试验，确认了光纤光栅传感系统将集成到飞行控制系统的可能性。NASA确认，通过光纤光栅传感系统实时检测出的机翼变形情况，及时地将这些信息反馈到控制系统中，对机翼载荷分布进行重新分配，减轻飞机对突风的响应[3]。
主动弹性响应控制是正在探索研究的热门技术，如果将光纤光栅传感系统应用到风洞气动弹性试验中，通过将光纤光栅传感系统实时测量得到的机翼扭转变形时的应力分布情况反映给控制系统，控制系统通过改变模型或者机翼的状态，对机翼载荷分布进行重新分配，从而达到最佳的气动效果。光纤光栅测量系统在风洞试验中的应用，为主动弹性响应控制技术的发展提供了新的途径，使主动弹性响应控制技术的实际应用成为可能。
3.3 、结构有限元模型修正
风洞中的支撑机构、洞体及风洞试验时的飞机模型在气动载荷作用下都要发生某种程度的变形，在投入生产之前要用有限元法进行计算。可以利用光纤光栅传感器高精度测量应变应力的结果，对有限元模型进行修正。
3.4 、抖振边界测量
飞行器在飞行时如果气流分离，有可能发生抖振。风洞抖振试验就是测量飞行器模型的抖振边界、抖振性及抖振载荷。采用翼根弯矩法测量抖阵边界时可以在机翼的翼根处粘贴光纤光栅传感器来感受翼根弯矩，光纤光栅体积小、抗电磁干扰的特性很适合风洞的抖振试验。
3.5、 风洞洞体总温测量
光纤光栅传感器的另一个重要特性是可以测量温度，温度是风洞试验的状态参数，它除了对天平等测试设备的精度有影响外，还直接影响风洞试验的雷诺数，特别是在低温风洞或变压力风洞等高雷诺数风洞中，要想精确计算风洞风速和雷诺数，必须精确测量风洞温度，采用光纤光栅传感器可以实时精准地测量风洞的温度变化。
3.6、 风扇应力应变测量
风洞的风速是由动力段的风扇提供的，而风扇在离心力与气动载荷的作用下有可能使桨叶产生裂纹和断裂，给风洞设备及风洞试验带来损失，日本汽轮机叶片断裂事件占电站事故的5%。如果把光纤光栅传感器通过特制的转接轴固定在风扇的桨叶上用以实时监测其所受到的应力，就可以采取相应的措施，避免因桨叶断裂给风洞试验带来的损失。
3.7、 光纤天平
应变天平是一种单分量或多分量的应变式测力传感器，是目前高速与低速风洞中使用最为广泛的空气动力测量装置，其应变测量元件主要是电阻应变计。但是传统的应变天平输出的是微伏级弱电压信号，容易受到风洞现场强电磁干扰，而光纤光栅传感器应变信号是以光形式传输的，可以抗强电磁干扰，并且其测量精度也很高，是未来天平研制技术的一个发展方向。
4 、结论
光纤光栅传作为一种新型的传感器，随着其解调技术的不断发展，已经广泛地应用在各个领域，其体积小、抗电磁干扰、测量精度高及多路复用等特点很适合风洞设备监测及风洞试验中各种参数的测试，特别是在结构体气动弹性应变、应力方面的测量。光纤光栅传感器以其优越的性能在风洞试验中具有广阔的应用前景，对风洞测试技术的发展将起到重要的推动作用。
参考文献
[1]姜德生，何伟.光纤布拉格光栅传感器的应用概况[J]．光电子激光，2002,4(13):420-430.
[2]邱雷，袁慎芳，苗苗.基于FBG的机翼盒段结构健康监测系统功能验证研究[J].压电与声光，2009(6):350.
[3]张丰涛.基于温度补偿的Bragg光栅压力传感器及其信号处理研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.