基于光纤传感的航天器结构健康状态监测研究

从航天器结构健康状态监测对先进传感技术的需求出发,论述了国内外基于光纤传感的航天器结构健康状态监测研究现状及发展趋势,尤其是对美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)的研究情况做了重点介绍,并总结了国内外光纤传感技术存在的差距。分析光纤传感关键技术,包括光纤光栅密集复用技术、基于光频域反射的解调技术、光纤传感设备轻小型化技术等,提出了光纤传感技术在航天器上的应用特点,以及应用中需要注意的问题,可为相关研究提供参考。     

空芯光纤光热干涉法用于痕量氨气传感研究

空芯光纤中传输光能以较高能量密度与气体分子发生长距离的相互作用,为光谱学气体传感和分析提供了高性能的平台。文章基于空芯光纤法布里–珀罗干涉结构和光热光谱方法,开展了痕量氨气传感技术研究。该技术通过探测空芯光纤中的传输光在待测气体光谱吸收热效应作用下产生的相位变化来进行气体传感。使用一段长度约4 cm的空芯光子带隙光纤作为气体传感探头,在近红外光通信波段实现了吸收系数3.3×10-7 cm-1的痕量氨气传感系统。该系统能对波长间隔39 pm的氨气吸收事件进行有效区分,对应1532.538 nm吸收峰可达到4.93 ppmv噪声等效探测极限。这种光纤光热干涉技术具有光谱学技术的一系列固有优势,在航空航天领域的泄漏探测和气体分析等方向具备工程应用潜力。     

光纤氢传感技术的研究现状及其应用前景

分析了光纤氢传感技术发展的现状和特点，比较了几种典型光纤氢传感器的结构和工作原理。指出了光纤氢传感技术是测量易爆环境下氢气浓度的有效方法，并对光纤氢传感技术的应用前景和有待解决的问题进行了讨论。     

基于光纤传感技术的着靶点测量系统设计

为检验武器系统的制导精度,必须对制导武器命中靶标的相对位置即脱靶量进行测量。针对靶船着靶点测量的需求,提出基于光纤传感技术的测量方案。在分析光纤传感器测量原理的基础上,通过光纤传感器网格、光源发射装置、信息采集、数据接收处理等分系统的设计,实现对靶船着靶点的高精度实时测量。通过对系统工程实现及关键技术问题的研究,表明该系统的技术可行性和工程可实现性,并可推广应用于其它靶标系统。     

分布式光纤传感技术及其在航空航天领域的应用展望

综述了分布式布里渊和瑞利光纤传感技术的主要技术原理、特点及发展概况，包括布里渊光时域分析技术、布里渊相关域分析技术、动态布里渊光纤传感技术、瑞利光时域反射计技术和光频域反射计技术五项主要技术。在此基础上，对分布式光纤传感技术在航空领域的应用进行了回顾，并对其在航天领域的可能应用进行了探讨。     

复合材料固化监测新方法及在固体发动机缠绕成型中的应用

概述了复合材料现有的固化监测方法,着重论述了机械阻抗分析式和光纤传感式两种固化监测的新方法的工作原理,结构特点及在固体发动机壳体缠绕成型固化中的应用。     

基于LabVIEW和光纤传感器的液漏监测系统设计

针对传统液漏传感器检测精度低、空间分辨率小以及不能实时监测多点位液漏等问题，利用LabVIEW设计了一个基于光纤传感器的液漏监测系统。整个系统包括传感器和上位机两个部分。其中，光纤带式传感器负责采集漏水点的信号，其传感功能的实现基于侧向耦合效应。LabVIEW上位机负责实时监测多点位液漏状态，实现了采集数据的处理、存储和显示功能。上位机和传感器之间采用USB接口通信。实验结果表明，该系统能够对8 m区域范围内，160个点位的漏水状态实时精确定位及报警，漏检率≤10 %，位置精度介于±25 mm，较传统液漏传感系统，其空间分辨率提升了10 %。对于当前设备存在的漏检和误报的问题，给出了误差分析及改进思路。通过LabVIEW实时显示多点位漏水状态，能够提高工作效率，适用于对漏水监测有较高要求的场合。     

超低温环境下光纤布里渊频移特性研究

针对高温差和超低温广泛存在的空间环境，了解航天器材料及结构的热应变稳定性对于保障航天环境模拟地面试验的可靠性具有重要意义。布里渊光时域分析（BOTDA）技术能够同时检测温度和应变，且具有高精度、长传感距离、抗电磁干扰及低成本等优势，但作为传感元件的光纤能否适应空间冷黑环境还未可知。文章首先利用BOTDA解调仪获取了2种典型标准单模光纤在超低温下的布里渊增益谱（BGS），然后通过实验数据分析光纤的超低温性能，最终标定了2种光纤的温度和应变系数。结果表明，受试光纤在超低温下仍能形成洛伦兹形状的BGS，且实际频移量与低温对应的理论频移量一致，满足超低温空间环境下BOTDA传感器的测温范围要求。     

光纤加速度传感器

介绍开环和闭环两种光纤加速度传感器的特点、工作原理和结构简图，论述了温度对开环光纤加速度计的影响，以及解决此影响的方法，并给出了消除温度漂移误差的系统框图。     

基于光纤的雷达目标模拟器设计

光纤延迟线是用微波信号调制激光源而输出光信号 ,光源是激光二极管 ,其光输出能对微波频率进行调制。由于它是将雷达发射脉冲信号直接调制到光载波上 ,通过光纤延迟后再解调为雷达目标回波信号 ,故这种方法是完全相干的 ,且不引入系统的相位噪声。提出了一种用光纤延迟线实现雷达目标相干模拟的设计方法     

光纤传感器对合金结构瞬态高温应变测量的适用性研究

高温下结构应变测量数据的重复性是判断测量结果有效性的前提和基础。文章采用石英灯辐射加热技术构建瞬态辐射加热环境，以薄壁平板型合金材料结构为测量对象，对光纤应变传感器在瞬态加热环境下应变测量数据的重复性进行实验研究，以确定其对合金材料瞬态高温下应变测量的适用性。结果表明:光纤传感器与K型热电偶的测温偏离量小于1.76%；在安装面加热状态，瞬态加热温升速率最高达到18 ℃/s，结构最高温度达到850 ℃，此温度下测得的结构件最大应变为9 848.2 με，3次实验测量数据的重复性优于1.42%；非安装面加热状态、结构温度650 ℃下的3次测量数据重复性为0.95%，且与安装面加热状态、相同温度下的测量数据平均值的相对差异仅为0.67%。综上说明，所采用的光纤应变传感器适用于石英灯瞬态辐射加热环境下合金结构件的应变测量。     

火箭发动机试验红外测温技术应用

目前发动机试验温度参数主要采用接触式测量方法,测温元件直接与被测对象相接触,优点是测量精度高,缺点是试验过程传感器经常损坏或脱落,且高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。根据发动机试验任务的要求和液体火箭发动机试验的特点,结合先进的分布式无接触式测量及光纤传输的技术,设计并建立了红外热成像测量系统。该系统采用无损、无线测量及光纤传输方式,提高了发动机热试车恶劣环境条件下关键部位温度参数的获得率,为全面研究发动机工作过程温度场分布情况奠定基础。     

光纤法布里-珀罗传感器及其高温应用

随着航天技术不断发展，大推力运载火箭等精细化设计需求日益增加，飞行器高温工况结构及流场状态感知已成为当前研究的关键环节。基于法布里-珀罗干涉结构的光纤传感器在高温、高压、狭小空间等特殊环境展现出独特优势，被视为下一代高温原位测量工具。介绍了法布里-珀罗传感器的基本结构及原理，并分别从温度、应变和压力监测方面介绍了法布里-珀罗高温传感技术研究进展以及未来的发展趋势。基于石英光纤的法布里-珀罗传感器能够应用于1000°C以下环境，对于1000°C以上环境，需要以蓝宝石光纤作为敏感元件和传光介质。     

QCM用于检测航天器表面污染的技术研究

文章简要叙述了QCM(石英晶体微量天平)检测技术在航天器表面污染检测中的作用,主要体现在航天器表面、光学仪器和动力系统的污染检测,低地球轨道空间的原子氧检测,并且对QCM检测中使用的关键方法,热解重量分析法和温度效应进行分析。     

Broadband light source for fiber-optic measurement system in spaceborne applications

Measuring temperatures, mechanical loads and derived quantities precisely and reliably play an important role in spaceflight. With spacecraft becoming increasingly complex, upscaling of present telemetry techniques can become cumbersome. Additionally, there are entirely new sensory requirements, resulting from emerging technologies such as smart structures, active vibration damping and composite material health monitoring. It has been demonstrated in preceding studies that these measurements can be advantageously and efficiently carried out by means of fiber-optic systems. The most prominent fiber-optic strain and temperature sensor is the fiber Bragg grating. Typically, multiple fiber Bragg gratings are used to translate entire temperature and strain fields into an optical wavelength information. For the interrogation of these sensors, a broadband or scanning light source is required. Additional requirements with respect to the light source are high intensity and unpolarized illumination of the gratings. These constraints can be met by a light source that is based on amplified spontaneous emission in a rare-earth-doped fiber. In the presented work, a compact light source, adapted for measurement applications and targeted towards space applications, has been developed. The design of this light source is presented, as well as its implementation. The light source has been designed and tested for selected core aspects of space robustness and the results of these tests are summarized.     

星敏感器光学系统的热/结构/光分析

星敏感器是高精度的航天器姿态测量器件,其性能受太空温度环境的影响。运用有限元法和光线追迹法,建立星敏感器光学系统的热/结构/光分析模型,研究光学系统温度分布与星敏感器测量误差的关系,得到了算例光学系统在温度均匀分布条件下的温度变化以及轴向温度梯度变化、侧向温度梯度变化与星敏感器测量误差的关系曲线;给出了算例光学系统热误差小于角秒量级的温度条件:均匀温度分布条件下温度变化量≤10℃、轴向温度梯度≤0.1310℃/mm、侧向温度梯度≤0.0325℃/mm,为高精度星敏感器光学系统热控制提供科学的依据。     

固体火箭羽焰的辐射特性及其温度测量技术述评

叙述了固体火箭羽焰的辐射特性,简要地介绍了热电偶法、等离子体法、光纤测温法、谱线反转法、发射吸收法、喇曼光谱法、微波衰减法、红外测温法和多光谱测温法的原理和应用。评述了这些火焰测温方法在羽焰测温上的适应性,并指出多光谱测温技术是羽焰测温的发展趋势之一。     

高精度光纤陀螺温度实验研究

温度是影响光纤陀螺(FOG)输出特性的主要因素,对于高精度光纤陀螺更是如此。从实验入手,在常温、低温和高温三种状态下进行研究,采用热敏电阻分别对陀螺的六个重要部位的温度进行监测,得出光纤陀螺启动阶段至稳定以后的输出曲线、零偏变化曲线、温度变化曲线。对输出曲线、零偏变化曲线、温度变化曲线分析,发现不仅光纤陀螺自身热效应会影响光纤环,而且环境温度变化也会对光纤环产生影响。针对上述现象,对陀螺采取温度控制,经实验证明,能有效地改善陀螺的输出特性。     

真空低温环境对摄影测量精度的影响

为提高真空低温环境下摄影测量的精度,文章通过分析真空低温环境对摄影测量的影响,发现引入光学窗口会降低测量精度。以实际使用的温控小舱上的光学窗口为研究对象,根据摄影测量原理,通过仿真和试验相结合的方式,分析增加光学介质和改变介质面形对摄影测量的影响程度。研究结果表明影响的主要原因是光学窗口的使用导致在原有光路上增加光学介质,改变了光路,其引起的精度误差与摄影测量系统精度属同一数量级,需要采用优化方法降低这种影响。