多参量融合的光纤光栅传感器测试技术研究
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摘 要：目前飞行试验中温度和应变参数均采用传统传感器，每个参数单独测试采集，这种方法布线多，改装复杂，且飞机测试参数日益增多，对传感器重量、体积以及能否实现分布式测试要求迫切。通过安装光纤光栅传感器网络对飞机上多处应变/温度进行分布式测量，并通过与传统传感器比对，建立模型提高测量精度，实现多点应变、温度等参量同时测试，极大地减少加装在飞机上的传感器数量和重量，降低改装难度。
关键词：光纤光栅;飞行试验;温度;应变
中图分类号：V217 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）08-0144-03
Abstract： At present， the traditional temperature and strain sensors are used in the flight test. Each parameter is tested and collected separately. This method has many wiring， complex refitting. But there will be more and more aircraft test parameters. It is very important to decrease the weight， volume and to realize distributed test of sensors. Through the installation of fiber bragg grating （FBG） sensor network， the distributed measurement of strain/temperature in many places on the aircraft is carried out. Compared with the traditional sensor， the model is established to improve the measurement accuracy and realize the simultaneous measurement of multi-point strain， temperature and other parameters， thus greatly reducing the number and weight of sensors installed on the aircraft and reducing the difficulty of refitting.
Keywords： fiber bragg grating （FBG）; flight test; temperature; strain
1 概述
欧美等许多发达国家已将光纤光栅传感技术应用于多种飞行器主要部件上，波音公司通过光纤光栅传感器实现温度和应力的遥测，并对结构进行评估;NASA通过光纤光栅传感器对X-33验证机上复合材料高压容器的温度、应力和压力情况进行全方位监测;空客公司通过光纤光栅传感器实现了对A340各机构的载荷标定，但由于国外的技术封锁，未能获取详细的技术资料。
为了推进光纤光栅传感技术在国内飞行试验上的应用，实现多路应变、温度数据准确测量，我们在探索光纤光栅传感特性和工作原理的基础上，欲将其安装于真实飞行试验环境中，实现多点应变、温度等参数同时测试;并与传统传感器进行比对测量，获取试验数据，并进行分析，从而为推进光纤光栅传感器在飞行试验中的应用奠定基础。
2 原理及技术实施方案
2.1 光纤光栅传感器工作原理
图1给出了光纤光栅传感器结构与传输光谱示意图。
从图1中可以看出光纤光栅传感器对不同波长的光具有选择作用，当光在其中传播时，入射光会在特定波长上被反射回来，而其他波长的光则无影响的通过，峰值反射波长即光栅的中心波长。光纤光栅传感器中心波长表达式为：
式中：？撰为纤芯有效折射率;neff为光栅周期;由于应变和温度可以使这两个参量发生改变，因此当外界应变和温度变化时将引起波长漂移，从而获取应变和温度的变化量。
2.2 光纤光栅传感器应变、温度试验方案设计
使用应变片及传统铂电阻温度传感器是目前飞行试验中准确度和认可度最高的测试方法，因此为了验证光纤光栅传感器在飞行试验中的可行性，以传统传感器输出为基准，光纤光栅应感器与之比对进行地面验证试验，并对测量结果进行分析讨论。（如图2所示）
3 实验验证
3.1 光纤光栅传感器应变、温度测量实验
以等强度梁为试验平台，在其正反两面相同位置分别分布两个应变测点，通过施加砝码实现应变测试;之后将该试验平台放置于高低温箱，改变温度值，将光纤光栅传感器测得的数据与应变片测得的数据进行比对，如图3和4所示。
光纤光栅传感器通过解调仪，检测其中心波长漂移，并将其转换为应变值或温度值;传统测试系统，通过采集器将传感器输出信号采集到，并通过校准曲线转化为对应物理量。
3.2 数据分析
根据光纤光栅传感器特性，其应变灵敏度系数为1pm/με，10pm/℃将解调仪测得的波长变化转换为应变，与相同位置应变片和铂电阻测试结果比对，所得结果如图5和图6所示;其中图5为应变测试结果对比曲线;图6为温度测试结果对比曲线。
从图中可以看出，无论是应变测试还是温度测试，光纤光栅传感器的响应均与传统传感器同步，但测得的应变峰值小于应变片，而温度吻合度非常高，将图5和图6中应变峰值数据进行统计，并计算和传统测量结果的相对偏差，见表1和2。
从表1中数据可知，应变片测得的结果与理论值基本吻合，测试精度高;光纤对应变变化响应良好，但测得的应变值明显小于理论值。表明光纤光栅传感器应变传递过程中存在损失。从表2中数据可知，铂电阻与光纤传感器测得的温度值均与理论值基本吻合，测试精度高，而光纤光栅传感器温度测试精度高于铂电阻。
4 结束语
通过实验室试验，验证了光纤光栅传感器在应变和温度测试中的可行性，其接线简洁，响应良好。实验结果表明，光纤光栅传感器用于应变测试时，存在应变损失，精度低于传统应变片;用于温度测试时，精度高于铂电阻，以上试验结果为实现光纤光栅传感器在飞行试验中的应用奠定基础。
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