光纤传感器（FOS）在航空领域的应用

摘要

在《Aerospace》杂志上发表的一篇文章中，研究人员通过光纤传感系统（FOSS）实现了对联翼飞机的应变和结构位移的实时监测（应用光纤传感系统预测联翼飞机的结构位移）。 联翼布局给飞行器的设计带来了很大影响，并为推进器选择、航空弹性、飞行动力学、航空弹性空气动力学和其他领域提供了新的设计思路。在此背景下，实时的结构形变测量在结构健康监测（SHM）、设计方案论验证、安全评估和结构控制中至关重要。

1光纤传感器（FOS）在航空领域的应用

光纤传感器已经成为航空领域中结构健康监测（SHM）的首要选择，它有许多优势，包括抗电磁干扰、多路复用能力、体积小和重量轻。此外，光纤传感具有持续和动态跟踪形状的能力，为目前依赖激光扫描仪、倾斜仪、照相机、加速度计和电应变传感器的形状传感方法提供了非常有前途的替代方案。

光纤布拉格光栅（FBG）传感器：光纤布拉格光栅（FBG）是最常用的光纤传感器，在光纤传感的众多应变传感技术中具有广泛的应用。尽管在分布式传感能力方面存在一定局限性，但FBG传感器也具有很明显的优势，如可靠性高、应变传感精度好、成本低廉等。相对于基于瑞利或布里渊散射过度分散的传感，FBG传感器在工程应用中仍是首选。

2前人对联翼飞机的研究

联翼飞机还没有在形状感应问题上进行广泛的研究。与标准布局中的单一主翼相比，联翼飞机通常有相连的前翼和后翼，这使得形变测量更具挑战性。此外，在早期的研究中，经常会固定一些边界限制，然而在实际飞行过程中，飞机可能会遇到各种复杂的极限条件，要改变模态形式来应对复杂的边界情况是很困难的。因此，使用单一传感器的模态数据来直观计算结构位移是很有必要的。

3研究是如何开展的

这项研究扩展了传统的模态技术，通过加入额外的约束来适应一系列的边界条件。一个FBG传感器被用来检测应变，整合在光纤传感系统（包括软件和硬件）中，来监测一个连翼结构。连翼飞机的构造：制造一架带有菱形机翼的连翼飞机。该飞机的机身长度约为25米，跨度长度约为60米。前翼、后翼和外翼组成了主翼。两个与后翼相连的短舱将前翼与外侧翼连接起来。该飞机的主要框架由复合材料构成。光纤传感系统：使用FOSS收集机翼支柱的应变数据，并利用它来预测整个机翼的三维变形。整个系统包括硬件和软件。 硬件系统被分成两个独立的系统，好分别收集和存储来自左翼和右翼的传感器数据。每个系统包括一个存储模块、一个GPS、一个机载计算机和一个FBG解调模块。软件系统的目的是在将预处理过的传感器数据转化为结构形变后呈现出结果。实验：这篇文章采用新的监测方法在中间支撑的一个悬臂梁上进行了测试。梁的横截面是矩形的，宽度为0.035米，高度为0.0015米，弹性模量和密度分别为210GPa和7750kg/m3。梁一端传递了一个合力0.1N带有垂直分量的力。实验也在MSC NASTRAN中模拟（FEM），梁是用50个离散化的元素进行解析的。机翼大部分的结构都采用复合材料，包括机翼的支柱和表皮。

4研究的重要成果

此研究提出了一个基于光纤传感的联翼飞机结构位移预测的方案。方案中的联翼飞机配备了包括硬件和软件组成的FOSS，然后通过地面测试来确认该系统效果。在实际应用中，典型的做法是修改传统的模态方法以适应不同的边界条件。研究还对悬臂梁模型和联翼飞机进行了数值分析，来确认改进的应变-位移转换SDT方法。 根据数值和实验数据，这篇文章的SDT方法可以正确预测飞机的整体构型或特定点的变形。在地面试验中，支撑点的位移相对误差为6.6%。虽然不到7%的误差仍不够精确（通常相对误差平均为2.62%），但仍可看出FOSS的潜力和进一步进行飞行测试的可能性。

审核编辑 ：李倩