國外軍事及航空航天領域如此重視光纖光柵傳感器技術為哪般?
航空航天業是一個使用傳感器密集的地方,一架飛行器為了監測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態、機翼和方向舵的位置等,所需要使用的傳感器超過100個,因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。這也是國外軍事及航空航天領域為何如此重視光纖光柵的原因。
1、美國
美國國家航空和宇宙航行局對光纖光柵傳感器的應用非常重視,他們在航天飛機X-33上安裝了測量應變和溫度的光纖光柵傳感網絡,對航天飛機進行實時的健康監測。他們還研究了常溫和低溫條件下復合材料高壓容器的多用光纖傳感器,其應用對象為可重復使用運載火箭以及麥克唐納-道格拉斯、波音北美和洛克菲德-馬丁3個公司的復合材料燃料箱,并已經確認光纖光柵傳感器是一個理想的技術。美國航空航天局(NASA)于2008年開展了一項利用光纖光柵傳感網絡監測Ikhana無人機在靜載和動載時機翼變形實驗項目,并成功實現對飛機在線飛行時機翼變形狀況監測,向智能傳感網絡邁向了重要的一步。在此實驗中,他們一共使用了2880個FBG傳感器,每個機翼布置1440個FBG傳感器用來監測機翼的應變分布狀況和機翼變形狀況。美國海軍研究試驗室和挪威海軍試驗室聯合進行了一項研究,他們給一艘現役玻璃纖維排雷船安裝了100多個光纖光柵傳感器,利用適當的解調和處理方法對船體進行靜態和動態的測量。美國海軍研究試驗室還在在一座14比例橋梁模型中埋入了60個光纖光柵的傳感系統,對模型進行了破壞測試。
2、日本
日本東京大學與日本航空研究所(JAXA)于2012年開展了一項利用光纖光柵傳感網絡測量大型機翼變形的實驗,他們在長6米端部寬1.4米的碳纖維加強板機翼上布置了246個10mm的FBG傳感器,6個300mm的長FBG和6個500mm的長FBG,用以檢測在加載情況下的機翼整體框架變形,和局部應變集中點的應變變化和變形。
3、德國
德國自1996年開始,戴姆勒-奔馳研究中心和戴姆勒-奔馳宇航空中客車以及宇航研究院共同研究光纖光柵自適應機翼。預期找到一種結構動態方案優化飛機的航空動力學性能,他們在結構變化監視中使用了靜態分布埋入式光纖光柵應變和溫度傳感器。
4、法國
在法國,幾個機構合作,通過在材料中埋入光纖光柵傳感器來實現對復合材料結構內部的探測,以期對戰斗機雷達屏蔽的完善性進行評估,并正在開發埋入光纖光柵應變計的高壓倉。
5、瑞典
瑞典的光學研究院與FFA正在進行一項SMART的國家計劃,旨在用光纖光柵傳感器開發用于監視戰斗機復合材料結構的時復用應變和溫度測量系統,并同時準備開發基于先進荷載監視和損傷探測技術的實時健康和操作監視系統。
6、澳大利亞
澳大利亞皇家空軍(RAAF)和加拿大空軍(CF)針對其從美國購買的一批F/A-18戰機進行了一項國際連續結構測試項目(IFOSTP),IFOSTP包括三個主要的全尺度疲勞試驗和單獨支持的中機身機翼艙段試驗。中機身試驗(指定為FT55)和機翼試驗(FT245)在加拿大開展,而后機身和尾翼試驗(FT46)在澳大利亞開展。其機身和機翼加載變形實驗全部采取用光纖光柵傳感網絡和傳統的電阻應變片傳感網絡對比進行,部分實驗已于2005年、2008年前已經完成,部分實驗一直進行至到現在。
光纖光柵傳感器只有1根光纖,敏感元件(光柵)制作在纖芯中,從尺寸小和重量輕的優點來講,幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。因此軍事及航空航天業對光纖光柵傳感技術非常重視,僅波音公司就注冊了好幾個光纖光柵傳感器的技術專利。由此可見,國際上科技發達的國家對光纖光柵傳感網絡在航空航天方面的應用尤為重視,應用技術也日趨成熟,在利用光纖光柵傳感網絡監測飛機的機翼及整體變形方面取得了階段性的成果。