光纤光栅传感器民机机载环境适应性分析方法

赵琳， 鲁明宇， 杨海楠， 庞炜涵， 马超

(中国商飞北京民用飞机技术研究中心/民用飞机结构与复合材料北京市重点实验室, 北京 102211)

随着光纤传感技术的不断发展，光纤传感器测量在民机结构状态监测领域有广阔的应用前景。各飞机制造商在该领域已经开展了大量地面和飞行试验工作。波音公司在多个机型上采用光纤光栅(fiber bragg grating，FBG)传感器对飞机结构进行了应变监测，用于确定传感器安装步骤、数据收集程序，并用于验证传感系统的生存能力[1]。空客对A340、A350XWB开展了光纤光栅传感器结构温度、应变、载荷监测方法的飞行验证，应用光纤光栅技术取得显著效果[2-3]。中国商飞在ARJ21-700飞机试飞中，利用光纤状态监测系统进行了结构的飞行载荷监测，对结构减载优化设计提供支持[4]。此外，中外学者持续追踪并开展飞机结构光纤光栅传感器监测技术的研究。Iele等[5]在飞机起落架上集成光纤光栅传感器进行远程实时载荷监测。Hyunseok等[6]研究了基于光纤光栅传感器的机翼载荷监测系统。华林等[7]选用光纤光栅应变传感器进行了机翼盒段传感器优化布置研究。兑红娜等[8]开展了基于光纤传感器应变测量的飞机机翼结构载荷分布反演方法研究。刘莉等[9]利用光纤光栅传感器进行飞机吊挂结构健康监测的研究并开展了状态诊断的原理验证试验。

已有研究按照光纤光栅传感原理、光纤光栅监测系统研发、地面试验的飞机典型结构光纤光栅监测功能验证以及飞行试验的光纤光栅应用测试等方面开展了大量研究。对光纤光栅应变传感器在飞行服役环境下的性能测试与评定研究较少。然而飞行环境复杂恶劣，光纤光栅应变传感器在长期机载使用过程中，面临环境诱发的问题就更为突出。环境适应性是光纤光栅应变传感器功能、性能指标等特性实现的基础，关系到其在全寿命周期内生存和完成任务的能力，是构建光纤结构状态监测系统的关键问题之一。为了评价光纤光栅应变传感器的环境适应性，需要研究相应的评价理论。为此，开展机载环境下光纤光栅应变传感器环境适应性分析方法的研究，对于促进光纤光栅应变传感器在民机结构健康监测中的应用具有重要意义。

在多年工程实践的基础上，针对机载环境要求，现通过对光纤光栅传感特性的分析，建立光纤光栅应变传感器的环境适应性评价体系，设计环境试验前后基于等强度梁的传感器有效性测试方法，采用涂层封装与非金属基底封装两种封装形式的光纤光栅传感器对提出的光纤光栅应变传感器的机载环境适应性分析方法进行试验验证。

1 机载环境条件

机载环境条件是光纤光栅应变传感器全寿命周期内经历的各种环境的要求，通过环境剖面分析确定影响光纤光栅应变传感器的环境及环境因素。传感器通过粘接方式与结构集成后的环境适应性应满足被测结构的环境要求，考虑到民用飞机的服役环境，具体包括高低温、湿热、振动、冲击、低气压、盐雾、结冰、吹砂尘、防水等环境要求[10]，如表1所示。

表1 传感器及粘接剂机载环境测试要求Table 1 Requirements for airborne environmental tests of sensors and adhesives

依据RTCA DO-160G《机载设备的环境条件和测试程序》[11]标准，要求吹砂尘试验不应在盐雾、湿热试验之前，其他试验可按任何顺序进行测试，针对表1中的每一项环境要求，均需要完成一系列累积试验验证，证明传感器与黏接剂的组合可以在机载环境条件下正常工作。

2 FBG应变传感器有效性评价指标

光纤光栅传感器与黏接剂的机载环境适应性通过机载环境试验前后对光纤光栅传感器及表面粘贴的有效性判定以验证光纤光栅传感器及安装方式是否满足机载条件。由机载环境条件因素导致光纤光栅应变传感器本身的破坏失效、传感器封装材料失效及胶体粘接的失效，使得光纤光栅传感特性劣化，典型的光纤光栅传感特性曲线如图1所示，反映光纤光栅传感器在受外力情况下引起的波长变化与应变变化的关系。评定传感特性的主要参数指标包括应变灵敏度系数、线性度。灵敏度系数是指传感器在稳态下输出与引起输出变化值的输入比值，即图1中曲线的斜率，为了能够准确识别结构状态的变化环境试验前后灵敏度偏差不得高于5%。线性度反应传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差，由图1中曲线的线性相关系数R2表示，线性高，相关性好，代表传感器的线性输出较好，对于光纤结构应变类传感器线性相关性指标达到0.999以上，传感器性能较好，可正常反映实际输入。同时零点漂移是光纤光栅传感器在不受外力情况下的波长偏移量，是评定传感器自身稳定性的重要参数，考虑到机载光纤传感器最大应变为3 000 με，零点漂移以波长变换量的满度相对误差表示失效阈值，为满足光纤传感安装工艺满足工程长期监测要，环境试验前后对应的满度相对误差零点漂移不得高于2% F.S.(F.S.为满量程)。

图1 FBG应变传感器典型传感特性曲线Fig.1 Typical sensing characteristic curve of FBG strain sensor

此外，光纤光栅传感器对温度与应变同时敏感，光纤传感器的温度系数反应材料自身热膨胀性能，是传感器精准温度补偿的关键，为了能够准确补偿环境变化的影响环境试验前后温度系数偏差不得高于5%。

综上所述，全面考虑光纤光栅传感器受外力情况、不受外力情况和受温度影响三个方面，评定传感特性的主要参数指标包括灵敏度系数、线性度、零点漂移、温度系数4项，将光纤光栅传感器的传感特性参数作为评价光纤光栅传感器机载环境适应性的指标，根据民机工程应用要求任意一项参数在任意一项环境试验前后不满足指标视为失效。

3 试验研究

3.1 试验设计

光纤光栅应变传感器的机载环境适应性通过将传感器粘贴于结构表面，环境试验前后进行应变灵敏度系数、线性度、零点漂移、温度灵敏度系数试验验证。为此，采用等强度梁试验装置，将光纤光栅粘贴在等强度梁上，使得等强度梁与光纤光栅应变传感器形成一个传感系统，通过加卸载试验、零漂试验、温度系数试验分别对4项参数指标进行试验测量。

由于等强度梁表面应力处处相等，与传感器粘贴位置无关[12]，可以将光纤光栅应变传感器粘贴与梁表面的任意位置。根据民机应变、载荷测量需求，选取两种不同封装方式的光纤光栅传感器，一种为涂层式封装，另一种为非金属基底式封装，分别用环氧树脂胶粘贴于等强度梁上表面，如图2所示。2种光纤光栅应变传感器，编号分别为FBG-A、FBG-B。

图2 等强度梁尺寸简图Fig.2 Dimensional sketch of equal strength beam

图3 等强度梁静力加载试验装置Fig.3 Static loading test device of equal strength beam

(1)加卸载试验。将安装好传感器的等强度梁一端通过螺栓固定在等强度梁拉伸架上，等强度梁末端通过标准砝码施加载荷，基于等强度梁的静力加载试验装置(图3)，以测量光纤光栅传感器波长变化量与载荷之间的对应关系，从而获得光纤光栅传感器灵敏度、线性度两项参数。

考虑到梁承受最大载荷极限，为使得梁在加载过程中为线弹性变化，因此将加载砝码控制在1 kg以内，从0 g逐级递增砝码加载至最大载荷，每隔200 g为一个测点，再从最大载荷逐级递减砝码卸载至0 g，每一级保载不低于10 s，记录每级载荷下光纤光栅应变传感器中心波长，重复不少于3个加载卸载循环，数据拟合处理后求的相应指标。

(2)零漂试验。在未加载情况对粘贴于等强度梁直接测量光纤光栅传感器波长变化量，测量过程要进行温度补偿剔除温度影响。

(3)温度系数试验。采用高精度恒温槽进行测量，通过将等强度梁放入高精度恒温槽中进行温度灵敏度系数测试。

3.2 结果与分析

为了对比两种不同封装方式的光纤光栅传感器环境适应性，利用6个等强度梁试件分别粘贴6个涂层式封装光纤光栅传感器和非金属基底式封装光纤光栅传感器进行了加卸载试验、零漂试验、温度系数试验。

3.2.1 环境试验前传感特性

环境试验前将两种封装形式FBG-A、FBG-B共计12个光纤光栅传感器测试获得的灵敏度系数、线性度、零点漂移、温度系数统计成如表2所示。其中灵敏度系数、线性度、温度系数均测得有效数据；零点漂移的满度相对误差均小于失效阈值，由表2可以看出两种封装形式共计12个光纤光栅传感器在环境试验前全部正常工作。

3.2.2 环境试验后传感特性

根据某飞机被监测结构环境要求，经历高温(高温存储和高温工作)、低温(低温存储和低温工作)、温度变化、湿热、高度(低气压和温度-低气压)、振动和冲击、盐雾、结冰和喷水、吹砂尘14项环境试验后，两种封装形式共计12个光纤光栅传感器测试获得的灵敏度系数、线性度、零点漂移、温度系数如表3～表5所示。其中表3～表5给出了每项环境试验后的传感器线性度和零点漂移，根据线性度和零点漂移参数评价指标定义，其有效性可从表3～表5直接得出；而表3～表5中只给出每项环境试验后传感器灵敏度系数和温度系数的测量值，将表3～表5中每项环境试验后传感器灵敏度系数和温度系数的测量值分别与表2中环境试验前传感器灵敏度系数和温度系数的测量值进行对比求取偏差，获得灵敏度系数和温度系数变化如图4和图5所示。

从表3～表5可以看出，①FBG-A、FBG-B两种封装形式12个光纤光栅传感器在经历高温存储和高温工作、低温存储和低温工作、温度变化、湿热、低气压和温度-低气压、振动和冲击10项环境试验后灵敏度系数、线性度、温度系数均测得有效数据，零点漂移的满度相对误差均小于失效阈值；②盐雾试验后，6个FBG-A涂层封装光纤传感器中2#和3#传感器失效，2#传感器灵敏度系数、线性度数据均出现异常，如图4所示其灵敏度系数环境试验前后变化为26.7%远远超过失效判据所要求的5%，线性度为0.898 11小于0.999表现为非线性，3#传感器信号完全消失，盐雾试验后6个FBG-B非金属基底封装光纤传感器全部工作正常；③结冰和喷水试验后，FBG-A涂层封装光纤传感器中4#传感器失效，灵敏度系数、线性度、温度系数数据均出现异常，如图4所示其灵敏度系数环境试验前后变化为7.6%远远超过失效判据所要求的5%，线性度为0.994 2小于0.999表现为非线性，如图5所示其温度系数环境试验前后变化为12.6%远远超过失效判据所要求的5%，结冰和喷水试验后6个FBG-B非金属基底封装光纤传感器全部工作正常；④吹砂尘试验后，FBG-A涂层封装光纤传感器剩余1#、5#传感器工作正常，6个FBG-B非金属基底封装光纤传感器全部工作正常。

表2 环境试验前两种封装形式传感器的传感特性Table 2 Sensing characteristics of two encapsulated types of sensors before environmental tests

表3 高低温试验后两种封装形式传感器的传感特性Table 3 Sensing characteristics of two encapsulated types of sensors after high and low temperature tests

表4 温度变化试验后两种封装形式传感器的传感特性Table 4 Sensing characteristics of two encapsulated types of sensors after temperature variation tests

表5 不同试验后两种封装形式传感器的传感特性Table 5 Sensing characteristics of two encapsulated types of sensors after different tests

图4 环境前后传感器灵敏度系数变化Fig.4 Changes of sensitivity coefficient of sensors before and after environment

图5 环境前后传感器温度系数变化Fig.5 Changes of temperature coefficient of sensors before and after environment

3.2.3 失效分析

涂层封装光纤传感器经历盐雾试验后，2#传感器有信号但数据异常，主要由于粘接失效，导致粘接效果下降；3#传感器信号完全消失，主要由于传感器发生断裂，导致传感器失效。进一步经历结冰和喷水试验后，4#传感器有信号但数据异常，主要原因也为粘接失效，导致粘接效果下降。综上所述，涂层封装光纤传感器由于只采用表面涂层进行封装保护，保护面积小，在经历盐雾、结冰、喷水、吹砂尘等对传感器表面影响比较大的环境其机载环境适应性较差，可对其进行表面硅胶保护减少环境影响，充分发挥涂层封装光纤传感器在民机结构状态监控中尺寸小、应变传递效果好等优势。

非金属基底封装光纤传感器经历14项环境试验后，6个传感器信号正常，全部有效。由于采用非金属材料作为基底进行封装保护，保护面积大、保护材料受盐雾、结冰、喷水、吹砂尘等环境影响小其机载环境适应性较好，适用为民机结构空间非限制区域提供应变测量。

4 结论

(1)通过分析机载环境条件，从光纤光栅传感器的传感特性出发，提出了以灵敏度系数、零点漂移、线性度、温度系数作为光纤光栅环境适应性的评价指标。

(2)为了验证该指标的有效性，设计了基于等强度梁试验装置，对涂层封装和非金属基底封装两种不同封装形式的光纤光栅传感器进行高温、低温、温度变化、湿热、高度、振动、冲击、盐雾、结冰、喷水、吹砂尘14项环境试验。

(3)试验结果表明：涂层封装光纤光栅传感器在盐雾试验后暴露出表面保护方面存在的问题进而需采取加强表面保护的措施，非金属基底封装光纤光栅传感器在环境试验后全部正常工作其环境适应性较好，说明基于传感器特性的光纤光栅机载环境适应性评级体系是可行的。