光纖光柵傳感作為一門快速發展的新型傳感技術，具有精度高、體積小、重量輕、波分復用、壽命長、可靠性高、耐腐蝕、傳輸距離長等優點，可實現應力應變、溫度、力、加速度等多種參量的測量，在飛機、艦船、發動機等重大裝備的機載化測試以及地面綜合測試中具有重大的應用前景，基于光的測量正在逐步成為航空試驗測試技術發展的重要趨勢。

光纖光柵是一種對應變及溫度敏感的傳感元件，可實現單根光纖對幾十個應變節點的測量。基于光纖光柵傳感原理的應變測量技術突破了傳統電阻應變片布線復雜、疲勞壽命短、抗電磁干擾能力差、無法實現復合材料內部埋植等不足，對光纖光柵采用不同的封裝方法，可形成光纖應變傳感器、光纖溫度傳感器和力傳感器等，從而為航空結構狀態監測提供極具發展前途的測量新技術。

對于光纖光柵的應用，國內外開展了大量研究工作，針對航空結構健康監測的相關研究也在逐步展開，本文主要結合航空相關應用研究展開討論。

光纖光柵傳感器的工作原理和技術特點

1 光纖光柵傳感器測量原理

當寬帶入射光通過光纖光柵時，一部分窄帶光被反射回去，回光的中心波長取決于光纖光柵的柵距，光纖光柵的柵距因機械應力或熱應力而改變，因此通過對回光中心波長的檢測就可獲知被測點的應力和溫度信息，若進行其他參量的測量時，需要將被測量的變化轉化為光纖光柵的應變或溫度變化。

在刻制光纖光柵的過程中，因為相位掩膜板參數的調整，可形成多種不同中心波長的光纖光柵，將若干光纖光柵通過串、并聯等方式連接在一起，組成分布式測量網絡，如圖1所示。由于回光由不同中心波長的窄帶光組成，不同測點的測量信號可以相互區分，從而可以在一根光纖上形成多點測量（一般可以達到20~30點）。

FBG傳感器網絡測量系統由寬帶光源、信號傳輸線( 光纖或光纜)、FBG傳感器網絡、光纖耦合器以及波長解調測量系統組成， 寬帶光源將有一定帶寬的光通過光纖耦合器入射到光纖光柵中，由于光纖光柵的波長選擇性作用，符合條件的光就會被反射回來，再經由光纖耦合器送入解調裝置測出光纖光柵的反射波長變化。

2 光纖光柵的技術特點

針對結構應變測量，與傳統金屬應變片進行比較，光纖光柵傳感器具有多種顯著的技術特點。

（1）波分復用、大大提高測量效率。

單路光纖上可以制作多個光柵。一根光纖串接20只光纖光柵，為解決320點應變測量問題，只需16根光纖，而應變片則至少需要640根導線。因此，使用光纖光柵傳感技術可以大大簡化系統布線，使結構更加輕便、測量可靠性更高。如果作為機載傳感系統，則可以保證在增加很小重量的情況下，實現多點結構應變監測，該優勢隨著測量點的增加而明顯。

（2）抗電磁干擾能力強。

在電磁干擾環境下，對試驗件動態加載時應變片測量數據與光纖光柵測量數據進行比較。圖2（a）為光纖光柵測量結果，圖2（b）為應變片測量結果，可以看出應變的測量結果有明顯的干擾噪聲和尖刺，而光纖光柵數據則非常平滑，若應用于狀態監測系統，將大大提高數據分析質量、降低誤判率。

（3）壽命長，可靠性高，耐腐蝕。

國外將光纖光柵傳感器埋入碳纖維復合材料進行應變測試，試驗結果表明：在0~2000με循環320000次后，光纖光柵傳感器仍沒有出現劣化現象；通過加速老化試驗認為光纖光柵存活壽命大于30年。

（4）體積小，重量輕。

光纖光柵直徑為一般為0.25mm，特殊制作可以達到0.15mm。由于其結構纖細，可適用于多種特殊的應用場合，尤其適合于埋入材料內部形成智能材料或結構，在國內外的研究中，已經實現可內埋于復合材料內部的構想，并進行了相關驗證試驗。

國外研究現狀

重點結合光纖光柵傳感器、波長解調儀表和應用研究對國外的研究情況進行說明。

（1）光纖光柵傳感器。

光纖光柵在某種程度上講，更像是一種敏感器件，為了能夠實現更方便、更準確、更可靠的測量，往往要進行一定形式的封裝，從而形成各種光纖光柵傳感器。光纖光柵與被測結構的物理結合是研究的關鍵，若膠涂于光纖光柵表面，其應力傳遞的效果將直接影響測量，傳感器的研究重點正在于解決該問題。使用中要求將光纖光柵牢固、均勻、穩定與被測參量耦合起來，因此在傳感器封裝和安裝形式上進行了大量研究。

（2）波長解調儀表。

20世紀90年代以來，國外提出多種光纖光柵傳感解調方案，其中可調諧F-P腔濾波器和衍射光柵原理的解調技術越來越受到重視。可調諧F-P腔濾波器方法是當前技術較為成熟、實用性較好的解調方法之一，可實現由多傳感組成系統的動態和靜態測量，動態測量可以達到2kHz的測量速率。基于此方法的國外相關解調儀表主要以美國微光（MOI）公司的產品為代表。

基于衍射光柵的解調方法越來越引起人們的重視，該解調方法由光電探測陣列對入射光束一次成像而獲得波長信息，無機械運動部件，因此解調頻率在理論上只受到光電探測陣列讀出速率的限制。美國Bayspec 和丹麥Ibsen 公司研制了相關技術和產品，最高采樣頻率可以達到5kHz，但是當前尚未完全實現實時解調。

除了上述兩種原理的波長解調技術之外，國外研究機構和公司也廣泛研究了其他波長解調原理并形成相關產品，如美國Blue Road Research 公司就推出一種基于啁啾光柵的解調系統，取樣率可達7kHz，并聲稱還可以更高，但這種解調系統只能解調一個光纖光柵，而且分辨率和精度尚待提高[1]。

目前，美歐等國都積極開展適合于軍事應用的光纖光柵解調技術研究，其特點是更加便攜、環境適應能力更強。

（3）光纖光柵應用研究。

美國的光纖傳感器研究開始最早，投資最大，并把光纖傳感器列為軍備改造計劃的15項重點之一，制定了專門的纖維光學傳感器規劃。美國Luna 檢測公司、Luna 能源公司和Lockheed Martin 公司聯合發展了光纖分布式傳感系統，利用了光頻域反射計來監測P-3C 獵戶座飛機結構的整體疲勞過程[2]。

美國軍方于20世紀90年代初就提出了智能機翼的研究計劃，以實現控制機翼的扭轉和曲面，其中就使用了光纖光柵應變計。F/A18飛機艙壁的全面疲勞試驗采用了光纖傳感器檢測翼梁中的小量扭矩，以提高安全性和減少維護量。意大利的結構檢測大規模研究開始于1990年前后，開始的主要成就集中在就航空航天和大型的民用結構領域。

意大利米蘭理工大學的航空航天工程系開展了很多針對于航空智能材料的研究，將光柵光纖傳感器或者發射器埋入復合材料中，并且進行了成功的數值模擬。傳感器/ 激發器/ 結構特性通過了國防與航天中心動態力學分析檢測，對埋入工藝進行了評估，考慮了力、熱、化學的兼容性[3]。

2009年11月， 意大利的Valentina Latini 等研究了一種基于耐高溫FBG傳感器和耐惡劣環境藍寶石光纖的新型結構健康檢測體系，工作溫度可達600℃，該傳感器應變靈敏度可達0.6με，應用于等離子風洞[4]。

Alenia Aeronautica 公司對結構健康檢測的研究主要集中在傳統傳感器檢測系統和光纖傳感系統上。SMIST（Structural Monitoring with advanced Integra ted Sensor Technologies）是一個歐洲資助項目，由空中客車領導，主要集中在基于光纖光柵傳感器技術的整體結構健康檢測的研究。提出的技術被用于C-27J“斯巴達人”運輸機的實驗室和空中檢測研究，對利用光纖光柵傳感器得到的微應變與利用硅基傳感器的結果進行了比較，結果顯示很理想。

日本是一個材料研究很發達的國家，從其材料研究的趨勢可看出光纖光柵傳感器的新應用領域和新發展方向。其中對于靈敏復合材料的健康監測研究，主要資助項目為NEDO和RIMCOF，項目集中發展含有埋入發展的小直徑光纖和光纖光柵傳感器的飛機復合結構的結構健康檢測技術，同時發展航空結構件的損傷檢測系統。利用埋入小直徑光纖傳感器發展了實時監測沖擊損傷系統，是東京大學與Kawasaki重工業合作的結果[5]。

國內研究現狀

光纖光柵傳感技術自產生以來，在國內受到廣泛的關注和研究，特別是高校和研究機構在前沿技術的跟蹤和探索方面進行了大量的研究工作，在工程應用領域，主要集中在土木結構、大型管路等民用領域，在航空應用的研究相對比較少，下面主要結合航空領域，在光纖光柵刻制、傳感器封裝、波長解調儀表和應用研究等方面的進展進行總結。

（1）光纖光柵刻制。

國內開展光纖光柵刻制的單位較多，包括研究所、高校和一些高科技公司。對光纖光柵長度，國內目前所能達到的刻制水平以10mm為主，超短光纖光柵的刻制尚在試驗研究階段。超短型光纖光柵對于復雜的航空結構監測非常關鍵，主要解決在小狹小空間和曲面上的安裝，為了進行二維點應變測量，也迫切希望傳感器尺寸盡量小。

（2）傳感器封裝。

國內的光纖光柵應變傳感器主要面向建筑、土木工程、大壩等民用方面，開展此方面研究和工程應用的單位比較多，結合航空應用，此類傳感器尚存在如下不足：傳感器體積和重量較大，不適合在飛機結構監測中使用；封裝后傳感器的工作溫度范圍較窄，不能滿足機載環境溫度要求。

為滿足航空需求，中航工業計量所對光纖光柵應變傳感器的小型化封裝、安裝和性能評價等光纖傳感的關鍵技術進行了前期研究。在航空專用的光纖光柵傳感器的研制方面，結合航空型號的實際測試，比較系統地開展了一些研究工作，研制出金屬框架光纖應變傳感器，可實現±3000με的測量。

（3）波長解調儀表。

國內當前解調儀表主要是配合已經廣泛應用的民用領域，主要是基于FP腔式原理，針對民用領域的建筑結構大應變報警和疲勞監測等應用，儀表的體積重量都比較大，而且解調頻率一般在幾百赫茲以下，儀表工作溫度范圍主要在0~40℃，尚不能滿足機載測試需要。

針對這一問題，中航工業計量所開展了機載光纖波長解調儀的研制，重點解決了小型化工作，如圖3所示，工作溫度范圍可實現-20~60℃，為實現機載測試打下比較好的基礎。

（4）航空應用情況。

目前國內多數研制生產光纖光柵傳感器的單位主要針對民用，服務于電力、土木、石化、鋼鐵等行業，在測試環境特殊、測試精度和可靠性要求很高的航空航天等軍事領域，中航工業計量所與主機單位、綜合試驗單位和相關專業所聯合研究團隊主要開展了光纖光柵傳感器在多個飛機型號的應用研究，如某型機全機疲勞試驗的應變監測、某型機復合材料應用驗證、某型無人機液壓導管脈動應力測量、飛機PHM光纖光柵應變載荷監測技術攻關等項目，獲得了比較豐富的工程應用經驗，目前正在積極探索發動機領域的應用研究。

根據型號應用，得到如下結論：將光纖光柵用于飛機結構應變監測是可行的，與傳統電阻應變片相比，光纖光柵的環境適應性更強、信號質量更優，尤其對在強電磁環境下和惡劣腐蝕環境下使用的飛機結構應變測量具有不可替代的優勢；既可以實時獲得可靠的應變數據，又能夠對其附近結構的裂紋狀態進行有效判斷，較應變片的監測結果虛警率更低、更為準確。

目前也開始可對復合材料內埋的研究，圖4為將光纖光柵埋入標準復合材料試件及其測試數據，通過圖4（b）可以看出，光纖光柵埋入后，材料內部具有上萬微應變的量程范圍以及非常好的測量線性度，同樣對標準復合材料試件的力學性能進行測試，尚未發現性能下降。

在應用研究中，既證實了光纖傳感測量系統在武器結構健康監測中的技術優勢和應用前景，也發現了很多應用中的難題及瓶頸技術，如小型化、超大應變光纖光柵；光纖光柵傳感器的封裝、安裝以及在飛機上的集成應用技術；機載高速解調儀表研制等，為下一步研究指明了方向。

（5）與國外研究差距。

國外已經將光纖光柵傳感技術比較廣泛地應用到軍事、民用方面，在軍事應用方面，不僅限于航空武器，也包括在艦船、核設施等方面。我國對光纖光柵傳感技術的研究集中在建筑、石油、電力、鋼鐵等民用領域，在軍事領域的研究剛剛起步。從應用的深度來看，國外將光纖光柵傳感器已經用于一些比較關鍵的測試，不僅在金屬結構表面安裝，也成功在復合材料內部埋植，形成了一些很特殊的服務能力。在光纖光柵技術的各方面，如光纖光柵刻制、傳感器封裝和安裝及信號解調等，都形成了顯著的技術優勢。與國外相比，需要加快光纖光柵在航空結構健康方面的應用研究以及核心單元模塊技術的研究。

應用前景設想

（1） 用于飛行載荷測試。

飛行載荷測試對于飛機設計驗證和改進具有重大意義。傳統的測量方式采用金屬應變片進行測量，如果實施上萬點的應變測試，測試設備本身的重量可以達到幾噸，復雜的布線不僅大大增加重量，還要求對飛機進行較大程度的改裝，增加了施工難度，延長了測試周期。由于飛機狀態的改變，對試驗驗證效果以及真實載荷數據獲取都產生了不利影響。

到目前為止，我國尚未出現機載狀態下對飛機載荷進行長期監測（一個大修周期以上）的應用案例，主要原因在于傳統應變測量方式系統資源占用過多、使用壽命有限、機載電磁環境下抗干擾能力差，光纖光柵傳感技術的出現將十分有助于解決航空結構飛行載荷長期監測的技術難題。

（2）用于結構疲勞和壽命監測。

結構應變是軍用飛機結構安全和可靠性監測的關鍵指標。在飛行過程中對結構關鍵部位進行在線監測，可獲得長期飛行的結構應變數據，據此評估飛機機體結構潛在的損傷增長，可由傳統的定期維修向更加經濟可靠的視情維修轉變，并為單機管理和監控提供技術支撐。對結構應變數據的實時監測同樣可以為安全報警提供重要的依據，提前探知可能存在的危險。我國當前有大量二代機和三代機在役，為保證飛機的飛行安全，掌握飛機運行狀態，要求對飛機關鍵部位的應變進行記錄分析，光纖光柵傳感器有希望成為實現這一目標的關鍵傳感技術。

（3）用于復合材料監測。

復合材料的使用是新一代飛機設計的趨勢，其所占機體結構重量的比例已經成為衡量飛機先進性的重要標志之一，對復合材料結構的健康監測已經成為新一代飛機研制急需解決的重要課題。在對復合材料健康狀態的監測過程中，結構應變和沖擊載荷監測是一個重要的方面。光纖光柵傳感器可粘貼于復合材料表面（如機身、機翼蒙皮處）或者埋入其內部，構成分布式智能傳感網絡，實時監測飛行器的應力、應變情況，為健康狀態的判別提供重要依據。對將應變傳感器埋入復合材料內部，傳統金屬應變片幾乎不可能，而光纖光柵具有纖細的結構，國外已經成功埋入復合材料內部。在復合材料結構上實施應變監測，重大的難題是電磁干擾的影響，采用光纖光柵傳感器可以有效克服該難題。

（4）用于發動機結構狀態監測。

發動機研制過程中的部件級測試、地面綜合試驗、機載測試試驗以及飛行狀態下的長期監控重點關注的參數包括壓力、溫度、流量、應變、振動、氣體成分等。發動機測試的特點體現在如下幾個方面：環境嚴酷，特別是溫度、振動及電磁環境，要求測試系統具有非常好的環境適應性和長期可靠性；被測結構復雜，不便于安裝，要求傳感器必須靈巧、量程大、精度高；另外，需要測量的測點多、種類多。光纖傳感技術是一種新型的傳感技術，具有體積小、抗電磁干擾、容易實現分布式傳感網絡、成本低、可靠性好、周期長等優點，將在發動機測試中擁有廣闊的應用前景。

走向航空應用迫切需要解決的問題

在光纖光柵刻制方面，需要解決高抗拉強度、耐高溫光纖光柵串的刻制難題，提高光纖光柵品質一致性，為更好解決在復合材料中的應用問題，需研究更細、抗彎半徑更小的光纖光柵。在光纖光柵傳感器封裝安裝方面，盡快解決小型光纖應變花的封裝問題，通過改結構、改基底材料和安裝膠，提高傳感器在不同結構材料的安裝適應能力，解決長期安裝有效的耐久性和可靠性測試。

光纖傳感器的發展正在朝高速度、高可靠、多參量、高集成、網絡化的方向發展，對于光波解調系統，要求發展具有自主知識產權的核心解調光電器件和模塊，提高解調系統的速度和測量精度，高度集成化設計以實現微型化。高速光纖波長解調系統是所有光纖傳感器的數據采集和運算分析平臺，解調系統的精度、速度、范圍以及耐受環境能力直接關系到光纖傳感器在航空上應用的可行性和應用深度，應針對航空測量特點，重點突破速度、帶寬、小型化及多通道測量網絡實現技術，滿足航空發動機地面和機載測試需要。

光纖傳感作為一種新型傳感技術，面對航空應用的復雜環境，保障數據準確可靠成為應用的關鍵環節，對于無法反復拆裝的光纖傳感器的數據準確性評價成為校準的難點，如光纖應變傳感器，需要對此類傳感器研究安裝前校準、安裝后校準、安裝一致性評價以及現場校準，解決溫度補償難題。急需開展以型號測試為背景的綜合應用研究，發現問題，通過改進不