2024年4月24-26
上海世博展览馆

智能工厂展|浅谈光纤传感技术在飞行器结构变形监测中的应用

自20世纪50年代至今,飞行器结构监测设备经历了从机械式传感器到电子式多参数监控设备的发展历程,并正向光纤传感监测的方向发展。基于光纤传感网络的飞行器结构监测技术作为一项有潜力的应用技术,以其独特优势特别适合机载环境下飞行器结构变形实时监测,受到广泛的关注和研究。目前,该技术在航空器、航天器、火箭和导弹等方面取得了一些实用化的技术成果,智能工厂展小编觉得,其未来有望在飞行器全寿命期结构参数监测中得到广泛应用。

目前,飞行器结构检测、维护与安全保障技术正从基于日历时间和飞行周期的预防性维护向基于结构状态监测数据的视情维修方向发展,以更好地保障飞行器全寿命期结构完整性、功能性和安全可靠性,并降低系统维护成本。这为结构健康监测技术在飞行器上的应用提供了契机。

智能工厂展浅谈发展历程

(一)变形分类与监测参数类型

飞行器结构在制造和使用过程中会产生多种类型的变形,按主被动性质可分为两类,一类是结构受载荷作用的被动变形,即飞行器承力结构受气动力、冲击、振动和热辐射等多种载荷作用产生的准静态变形(如微观应变、热变形、残余变形等)和动态变形(如颤振、冲击等导致的变形);另一类是结构的功能性变形,即可伸缩机构(如卫星太阳能帆板)、可变形结构(如变体飞机机翼)的空间变形。飞行器结构变形监测的主要参数类型包括结构上特定点沿特定方向的应变、位移和加速度,以及结构型面的应变场和整体位移等。

(二)变形监测技术的发展现状

目前,变形监测采用的方法有电阻应变片测量法、三维激光扫描法、立体视觉测量法和光纤传感监测方法等。

电阻应变片测量法是20世纪50年代发展起来的一种飞行器结构载荷参数实时监测技术。该方法在飞行器结构上粘贴电阻应变片组建监测网络,通过地面标定试验和应变-载荷方程获得系数矩阵,并以此为基准计算飞行过程中的实测载荷数据,实现飞行器结构变形、振动和气动力等多种载荷参数以及飞行状态参数的实时监测。经过70多年的研究发展,这种方法已被广泛应用于飞机载荷谱测试、高超声速飞行器结构应变测量和卫星结构监测等领域,可以满足各类飞行器结构变形模拟测试、载荷标定试验和全机疲劳试验等地面测试要求,也可贴装少数测点用于飞行载荷参数实测。但是存在监测点少、网络线路繁冗、体积重量大、容易受电磁干扰、贴片寿命周期短(一般小于5年)等问题,限制了该方法在飞行监测中的应用,尤其是当需要密集地布设监测网络长期进行多参数高精度飞行实测时,这种方法不具适用性。

三维激光扫描法是20世纪90年代产生的一种高精度测绘技术。该技术利用激光束对被测结构表面一定区域进行逐点高分辨扫描,并采集各扫描点的反射激光束,根据激光测距等原理得到扫描区域坐标数据和图像,结合数字图像相关等方法计算得到结构变形参数。这种方法具有测量精度和分辨率高、非接触、扫描范围大及实时性好等特点,在飞机机翼等平面型结构的变形测量中具有明显优势。但是受技术原理限制,对于飞行器内部封闭、狭窄空间内的结构和型面复杂的结构,激光的入射和反射路径被遮挡,无法进行扫描检测,可监测的结构种类和数量有限。此外,激光器的使用寿命和维护成本也是制约其长期应用的重要因素。

立体视觉测量法是20世纪80年代发展起来的一种结构测量技术。该技术利用双目或多目相机拍摄被测结构,通过图像特征计算与三维重构等处理后得到结构三维变形参数。按图像特征不同可分为视频测量法和数字图像相关法。视频测量法是在被测结构表面贴装标识点,利用立体视觉测量技术追踪标志点三维坐标来检测变形参数。该方法具有系统结构简单、配置灵活、精度高和动态测量性能好等特点,但是只能测量标志点处的变形参数,无法实测全场三维变形,也难以在机载振动环境下进行稳定、高速的精确测量。数字图像相关法是在结构表面喷涂散斑图案,通过图像匹配算法分析结构变形前后拍摄的散斑图像变化来计算变形参数。这种方法虽然具有精度高和全场测量等优点,但是喷涂的散斑图案在高速气流的冲刷下容易脱落,影响了该方法在飞行实测中的应用。

光纤传感技术是起源于20世纪70年代、伴随光通信技术广泛应用而迅速发展起来的一种传感测量技术。与电阻应变片和体光学传感器及测量仪器相比,光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、本质安全和耐腐蚀等特点,并且可以通过多路复用技术和分布式测量技术组建高速大容量传感网络,再通过贴装或植入等方式布设到各类结构上实现多参数实时监测。这些特性使得光纤传感技术特别适合机载环境下飞行器结构参数的实时监测,并有潜力应用于飞行器全寿命期结构健康监测与寿命评估。但是,目前光纤传感器在贴装可靠性、植入兼容性、长期使用存活率、老化致性能下降等工程应用方面仍然存在一系列问题需要研究解决。

(三)新装备需求带动新技术发展

近年来,随着飞机、卫星、载人飞船等重大装备性能的不断提升和空天飞机、高超声速飞行器、变体飞行器、深空探测器等新技术装备的发展,传统的地面测试和定期检测等非实时手段逐渐无法满足装备需求,适合机载环境的飞行器结构变形实时监测技术受到国内外学者的广泛关注和研究,其中光纤传感技术以其独特优势成为研究发展的重要方向,被视为最具潜力的飞行器结构实时监测技术之一,相关的传感光纤、多参数高灵敏光纤传感器、高速微型解调仪、监测组网、数据处理与高精度重构等各项技术迅速发展,推动了光纤传感技术在各类飞行器结构变形监测中的应用。

智能工厂展浅谈技术类型

(一)光纤传感技术的主要类型

根据不同的传感原理,光纤传感技术可分为四种类型,一类是干涉型光纤传感技术,主要采用光纤法布里-珀罗干涉传感器、马赫-曾德尔干涉传感器、迈克尔逊干涉传感器和萨尼亚克干涉传感器等进行传感测量;另一类是基于波长调制型的光纤传感技术,主要是基于光纤光栅的传感技术,具体包括光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光纤布拉格光栅(LFBG)、啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)和倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)等;第三类是基于光强调制型的光纤传感技术,如基于黑体辐射的高温光纤传感器;第四类是分布式光纤传感技术,主要利用瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等原理,通过光时域反射法(OTDR)和光频域反射法(OFDR)等进行分布式的传感测量。

(二) 技术优缺点与适用性分析

干涉型光纤传感技术的主要优点是测量灵敏度和分辨率高。光纤法布里-珀罗干涉传感器是结构应变测量中应用最广泛的一种传感器,能够适应一些特殊的应用要求,达到优于0.15 µε的应变分辨率、超过±5000 με的测量范围、小于1 mm的传感元件长度、250 ℃以上的耐温性能,可集成到各类结构上进行单点应变测量。基于马赫-曾德干涉、迈克尔逊干涉和萨尼亚克干涉等原理的光纤传感器也可用于应变、加速度和温度等结构参数测量。目前,干涉型光纤传感器的主要缺点是多敏感参量之间交叉干扰,并且难以通过多路复用等技术组建多测点的大容量传感网络,这限制了该技术的应用。

基于光纤光栅的传感技术是一种准分布式的传感测量技术,主要优点是能够实现绝对测量,并可通过多路复用等技术组建多测点的大容量传感网络,利用波长扫描激光解调、小型衍射光栅电荷耦合器件(CCD)固态光谱仪解调、微型集成阵列光波导光栅解调等方法实现从静态至兆赫以上的传感信号高速采样处理,并实现机载解调仪的轻量化、小型化甚至是微型化。目前,光纤光栅传感技术已在多种飞行器结构的飞行实测中得到应用,包括飞机机翼、机身、尾翼、起落架等关键结构件,以及航天飞机燃料箱、固体火箭发动机、卫星太阳能帆板等,实现应变、位移、加速度和温度等多种参数的实时监测。但是,目前的飞行测试次数和实测数据偏少,对传感器系统和布设工艺在机载环境下的长期使用性能需要开展大量的飞行验证试验,在工程应用可靠性方面尚存在若干问题需要逐步解决。

分布式光纤传感技术在长距离连续传感监测方面具有突出优势。该技术利用光纤本身作为传感单元和信号传输介质,一般无需在光纤上制作传感元件(主要指利用散射原理测量的情况),能够连续感知光纤传输路径上任意点的应变和温度等物理量的空间分布和变化信息,实现远距离、大范围(按千米计量)的传感与组网。目前,工程结构监测中大多采用基于瑞利和布里渊散射等原理的分布式光纤传感技术,应变测量范围可达±10 000 με,并适应-268~900 ℃的温度变化范围。但是,其解调速率通常较低,一般在几赫兹到几十赫兹,甚至几分钟,难以高速测量动态参数,并且测量灵敏度、分辨率和解调速率随着传感距离的增加而显著降低,在工程应用可靠性方面也存在与光纤光栅传感技术相同的问题有待逐步研究解决,这限制了分布式光纤传感技术的应用。近年来,为提高空间分辨率和鲁棒性,分层级的、基于多原理的多参数分布传感测量技术得到了发展。

(三)机载光纤实时监测方法

飞行器结构变形的机载光纤监测方法主要包括光纤传感器布设方法及工艺、传感器组网技术、监测信号采集与处理、动态变形实时重构技术等内容。考虑长期监测性能和可靠性,机载使用的光纤传感器、数据采集器和网络系统应具备轻质、小型化、高速率、大容量和高精度等特征,并在机载安装后具有良好的兼容性和耐久性,能够高可靠性应用。

1. 传感器布局

目前,在飞行器结构上布设光纤传感器主要采用贴装和植入两种方式。贴装布设是采用胶黏剂和金属焊等工艺方法将光纤传感器固定在结构表面。这是在短期测试阶段普遍采用的一种布设方法,对飞行器结构性能的影响也较小,但是在长期使用中存在胶体老化脱落和光纤折断等问题。植入布设方法是在复合材料结构制造过程中将传感光纤埋入到结构内部形成传感网络,再将这种具备传感功能的结构装配到飞行器上实现飞行监测。这种方式的优点在于能够利用结构本身保护传感光纤以避免其受外界环境影响而脱落或折断,但是通常埋入光纤的芯径远大于增强纤维的芯径,这会影响结构力学性能,同时光纤受应力集中作用将会逐渐产生疲劳裂纹,影响传感器使用寿命。

2. 信号解调

监测网络信号采集处理的主要装置是解调仪。光纤光栅网络信号解调的主要方法包括:可调谐滤波法、边缘滤波法、可调谐激光器扫描法、CCD光谱仪测量法和基于阵列波导光栅AWG的解调方法等。在机载监测中,可调谐滤波法、可调谐激光器扫描法、CCD光谱仪测量法和AWG解调法具有较好的适用性。其中,可调谐滤波法、可调谐激光器扫描法的测量范围大、解调精度高、采集速度快(千赫级)、动态测量能力强且复用光栅容量大,在高精度解调和高频动态信号测量中优势明显;CCD测量法的稳定性好,适用于机载监测大容量复用网络的高速解调,但测量范围相对小、解调精度相对低。边缘滤波、匹配滤波和啁啾光栅等解调方法在测量范围、解调精度和网络复用容量等方面存在不足,制约了这类技术在机载监测中的应用;AWG法是近年来快速发展的解调技术,在兆赫以上高频动态信号高速解调上具有明显优势。

基于OTDR和OFDR技术的分布式光纤监测网络信号解调主要利用光强检测和相干检测等原理,通过光电探测器、高速采集系统和相关算法解调网络信号。目前,分布式传感解调速率相对低,难以在密集网络测点下实现高频动态信号和多参数的高速率高精度解调处理,并且需要减小系统体积重量、提高稳定性和可靠性,以更好适应机载环境。

3. 变形重构

飞行器结构动态变形的实时重构主要是基于光纤监测网络高速解调处理获得的各瞬态应变场数据,利用变形重构算法建立以位移等物理量表示的变形场。目前,主要采用的变形重构算法包括反有限元法、模态叠加法和Ko位移法,其中反有限元法具有更高的精度和实时性,适应各类边界条件,并且不需要考虑结构力学参数和外加载荷即可重构变形,在动态变形实时监测中具有良好的适用性。

智能工厂展浅谈未来发展

自20世纪50年代至今,飞行器结构监测设备经历了从机械式传感器(主要是机械式加速度计和应变计)到电子式多参数监控设备的发展历程,并正向光传监测的方向发展。基于光纤传感网络的飞行器结构监测技术作为一项有潜力的应用技术受到广泛的关注和研究,取得了一些实用化的技术成果,未来有望在飞行器全寿命期结构参数监测中得到广泛应用。

为了推动光纤传感技术在飞行器结构监测中的应用,需要解决机载系统组网布设、解调、重构和集成相关的关键理论、方法、核心器件和装置问题,并从成本、性能、产品、工艺、标准等方面开展工程化开发,发展高效费比的机载光纤监测技术产品。

(一)演进范式

基于光纤传感的结构监测(optical fiber-based structure health monitoring, OF-SHM)正在从实验室研究向工程应用方向演进,基本演进范式按不同类属可分为目标范式、技术范式和机型范式。这三类演进范式相互交织、迭代升级、融合发展,体现了飞行器结构光纤传感监测技术演进的内在规律。

1. 目标范式

目标演进范式主要包括:降低维护成本,创新设计理念,减轻结构重量。第一代OF-SHM的应用目标是降低维护成本,即利用光纤传感数据监测结构健康状况,减少检测时间和费用,降低飞行器结构维护成本,并评估结构剩余寿命、定寿、延寿,提高使用效益。第二、第三代OF-SHM的应用目标是创新设计理念、减轻结构重量,即利用飞行器结构全寿命期的光纤监测数据进行创新优化设计,提出符合飞行器使用要求的材料与结构设计新理念,在减轻机体结构重量的同时达到高性能和高可靠性,从而获得更高效能和更大经济效益。

2. 技术范式

技术演进范式主要包括:定期停机检测、非实时监测、全寿命期实时监测。定期停机检测是将光纤传感器永久性地布设到飞行器结构上,而不安装机载信号采集处理装置,定期在停机状态下连接专用装置检测结构状态。非实时监测是在飞行器结构上布设光纤传感网络并安装机载信号解调、采集、处理和存储装置,将实测数据存储在机载记录设备中,周期性地在停机状态下提取实测数据监测结构状态。全寿命期实时监测是利用机载光纤监测系统在飞行器全寿命期连续监测结构状态参数,能够在飞行状态下实时处理监测数据,并在必要且安全的条件下将关键信息传送至远程基站。

3. 机型范式

机型演进范式主要包括:老龄飞机和无人飞行器(无人机、卫星、空间探测器等)、新型军用飞机、民用飞机。决定机型范式演进的关键因素是效费比,主要涉及对性能的提升作用、安全性和成本收益。目前,降低老龄飞机的检测维护成本,在可接受的效费比下提高无人飞行器的性能,是推动光纤监测技术应用的主要动力。未来光纤监测技术将逐步应用于新型军机和民用飞机,以获得更高的性能、更好的安全性和更高的经济效益。

(二) 标准化

面向飞行器结构监测工程应用需求,需要开展标准化的机载光纤监测系统产品开发与认证。重点是以飞行器全寿命期结构监测技术指标和机载环境使用条件为基准,联合飞行器设计、制造和测试单位,研究解决机载光纤监测系统细分各项性能指标中的关键技术与器件问题,开展从设计、制造、系统、环境到适航的技术验证,并迭代研发让各项技术符合机载使用标准且固化形成系统产品,建立技术标准和产品制造测试工艺流程,先在军用飞机(尤其是新型无人机、14年以上机龄的老龄飞机)和卫星、空间探测器等飞行器上获得应用。

(三)新材料

随着材料技术的发展,新型飞行器大量使用复合材料制造,以减轻结构重量、提高飞行性能、降低飞行成本,这推动了飞行器结构设计制造技术的发展。同时,变体飞行器等新概念飞行器对柔性蒙皮的应用需求也促进了柔性复合材料等新材料技术的发展。飞行器设计理念的进步和新材料的应用给光纤传感监测技术的应用发展带来了机遇,成为推动新技术工程应用的重要动力,但同时也带来了新的挑战,需要根据复合材料组成成分、组织形式和性能特点,从传感器布设、应变传递效率、传感灵敏度、网络布局、载荷计算与重构、系统可靠性等方面开展有针对性的研究,发展与新材料相适应的光纤传感监测技术方法和系统。

(四) 智能化

人工智能研究领域自1956年在达特茅斯会议上被正式确立以来,在60多年的演进与发展中两起两落。近年来,得益于大数据和云计算等新技术的发展,以及深度学习等新方法的提出,人工智能进入发展的新阶段,正逐渐在航空航天等领域得到应用,呈现跨界融合、人机协同和自主操控等特征。

在飞行器结构光纤监测中,利用智能算法进行监测信号处理、多传感器数据融合、统计模式识别和寿命预测评估,并结合高速微型低功耗的专用芯片技术,发展智能机载光纤监测系统是未来发展的重要方向。同时,可将光纤监测数据反馈给飞控系统,通过智能控制算法实时处理并调整飞控参数,可使飞行器在不同变形状态下保持良好的飞行稳定性和安全性。智能化发展中,需要解决的主要问题包括:在复杂多变的飞行环境和有限次飞行任务下,利用有限的实测数据训练精确的模型算法;采用高效算法和高性能芯片解决数据处理精度和实时性匹配问题;研发高效费比的智能系统,在提升性能、保证安全和节约成本上体现明显优势。

(五)生态化

生态化是单机监测技术的新概念和未来发展的重要方向,指的是在单机监测中将内置轻量卷积神经网络等智能算法的边缘计算装置与光纤传感网络系统结合起来,构建具备感知、计算、分析、识别、评估、预测和决策等功能的机载实时监测系统。

随着飞行器单机监测技术向着全寿命期实时监测的方向不断发展,基于边缘计算与智能算法的实时数据处理技术将在单机监测中发挥重要作用。光纤监测系统核心功能(如特征提取、载荷计算与预测决策等)的数据处理平台将由地面基站迁移至机载终端,在单机上形成从传感输入到决策输出的监测生态系统。生态化的单机监测系统将具备三个关键特征:集成光纤传感网络、信号解调与数据处理、载荷反演计算、关键参数记录与传输、状态评估与预测决策等模块的一体化特征;信号采集、数据处理与预测决策全信息链的实时化特征;具备感知与决策能力的智能化特征。这种生态模式将解决单机监测的三个关键问题:避免记录或发送不具有关键意义的原始数据,减轻通信网络与存储端的沉重负担,在航空航天大数据迅速发展的大趋势下,这将大幅减轻通信网络负荷,并降低全寿命期监测大数据存储成本;避免由远程传输计算导致的过大时延、数据丢失、信息链路不安全等问题,这对于实时性和安全性要求高的监测任务至关重要;避免地面基站集中计算在效能与成本上存在的一系列问题,这对推动机群监测大数据技术的应用发展有重要作用。

(六)协同化

飞行器监测的未来发展方向是从局部化的单机监测演变为全局化的机群监测和整体性的大数据分析决策。基于边缘计算的单机监测生态终端、分布式架构的加密通信网络、高安全性的云计算核心和大数据中心将构建起云边协同的飞行器监测网络体系。

飞行器监测的云边协同网络体系将更好地解决群体性、全时性、高效能和经济性问题,主要体现在四个方面:通过分布式计算、关键信息回传和云核心大数据处理,实现机群整体性监测和全局状态评估与预测决策;通过将原始数据处理迁移到位于网络边缘的单机监测终端,只传送关键信息至云计算中心,可大幅减小云核心处理和存储的数据量,更高效地管理机群全寿命期全时间历程监测数据;利用机群全寿命监测大数据深度挖掘分析结果,创新飞行器材料与结构设计理念,减轻结构重量,提升飞行性能和可靠性,使飞行器具备更高效费比;依据云核心预测信息,准确评估机群中各单机寿命,按单机个体实际状况差异化、精准化地定寿,精细化管理单机退役时间,在允许的条件范围内最大限度延寿,节约成本,提高经济性。

结论

智能工厂展小编觉得,光纤传感技术以其独特优势特别适合机载环境下飞行器结构变形实时监测,并有潜力应用于飞行器全寿命期结构健康监测与寿命评估。近30年来,国内外研究人员从理论与方法、技术与系统和工程应用等方面开展了飞行器结构光纤监测研究工作,取得了一定进展。