光纤光栅在航空结构健康监测中的应用前景是什么样的？

 

应用前景设想

（1） 用于飞行载荷测试。

飞行载荷测试对于飞机设计验证和改进具有重大意义。传统的测量方式采用金属应变片进行测量，如果实施上万点的应变测试，测试设备本身的重量可以达到几吨，复杂的布线不仅大大增加重量，还要求对飞机进行较大程度的改装，增加了施工难度，延长了测试周期。由于飞机状态的改变，对试验验证效果以及真实载荷数据获取都产生了不利影响。

到目前为止，我国尚未出现机载状态下对飞机载荷进行长期监测（一个大修周期以上）的应用案例，主要原因在于传统应变测量方式系统资源占用过多、使用寿命有限、机载电磁环境下抗干扰能力差，光纤光栅传感技术的出现将十分有助于解决航空结构飞行载荷长期监测的技术难题。

（2）用于结构疲劳和寿命监测。

结构应变是军用飞机结构安全和可靠性监测的关键指标。在飞行过程中对结构关键部位进行在线监测，可获得长期飞行的结构应变数据，据此评估飞机机体结构潜在的损伤增长，可由传统的定期维修向更加经济可靠的视情维修转变，并为单机管理和监控提供技术支撑。对结构应变数据的实时监测同样可以为安全报警提供重要的依据，提前探知可能存在的危险。我国当前有大量二代机和三代机在役，为保证飞机的飞行安全，掌握飞机运行状态，要求对飞机关键部位的应变进行记录分析，光纤光栅传感器有希望成为实现这一目标的关键传感技术。

（3）用于复合材料监测。

复合材料的使用是新一代飞机设计的趋势，其所占机体结构重量的比例已经成为衡量飞机先进性的重要标志之一，对复合材料结构的健康监测已经成为新一代飞机研制急需解决的重要课题。在对复合材料健康状态的监测过程中，结构应变和冲击载荷监测是一个重要的方面。光纤光栅传感器可粘贴于复合材料表面（如机身、机翼蒙皮处）或者埋入其内部，构成分布式智能传感网络，实时监测飞行器的应力、应变情况，为健康状态的判别提供重要依据。对将应变传感器埋入复合材料内部，传统金属应变片几乎不可能，而光纤光栅具有纤细的结构，国外已经成功埋入复合材料内部。在复合材料结构上实施应变监测，重大的难题是电磁干扰的影响，采用光纤光栅传感器可以有效克服该难题。

（4）用于发动机结构状态监测。

发动机研制过程中的部件级测试、地面综合试验、机载测试试验以及飞行状态下的长期监控重点关注的参数包括压力、温度、流量、应变、振动、气体成分等。发动机测试的特点体现在如下几个方面：环境严酷，特别是温度、振动及电磁环境，要求测试系统具有非常好的环境适应性和长期可靠性；被测结构复杂，不便于安装，要求传感器必须灵巧、量程大、精度高；另外，需要测量的测点多、种类多。光纤传感技术是一种新型的传感技术，具有体积小、抗电磁干扰、容易实现分布式传感网络、成本低、可靠性好、周期长等优点，将在发动机测试中拥有广阔的应用前景。

走向航空应用迫切需要解决的问题

在光纤光栅刻制方面，需要解决高抗拉强度、耐高温光纤光栅串的刻制难题，提高光纤光栅品质一致性，为更好解决在复合材料中的应用问题，需研究更细、抗弯半径更小的光纤光栅。在光纤光栅传感器封装安装方面，尽快解决小型光纤应变花的封装问题，通过改结构、改基底材料和安装胶，提高传感器在不同结构材料的安装适应能力，解决长期安装有效的耐久性和可靠性测试。

光纤传感器的发展正在朝高速度、高可靠、多参量、高集成、网络化的方向发展，对于光波解调系统，要求发展具有自主知识产权的核心解调光电器件和模块，提高解调系统的速度和测量精度，高度集成化设计以实现微型化。高速光纤波长解调系统是所有光纤传感器的数据采集和运算分析平台，解调系统的精度、速度、范围以及耐受环境能力直接关系到光纤传感器在航空上应用的可行性和应用深度，应针对航空测量特点，重点突破速度、带宽、小型化及多通道测量网络实现技术，满足航空发动机地面和机载测试需要。

光纤传感作为一种新型传感技术，面对航空应用的复杂环境，保障数据准确可靠成为应用的关键环节，对于无法反复拆装的光纤传感器的数据准确性评价成为校准的难点，如光纤应变传感器，需要对此类传感器研究安装前校准、安装后校准、安装一致性评价以及现场校准，解决温度补偿难题。急需开展以型号测试为背景的综合应用研究，发现问题，通过改进不断提高技术成熟度。