航空航天光纤传感技术研究进展 advances in optical fiber sensing technology for aviation and aerospace application

书书书
第３５ 卷　 第８ 期
２０１４ 年８ 月
仪 器 仪 表 学 报
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｖｏｌ ３５ Ｎｏ ８
Ａｕｇ． ２０１４
　 收稿日期：２０１４０４　 　 Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｄａｔｅ： ２０１４０４
　 基金项目：国家重点基础研究发展计划（２０１０ＣＢ３２７８０２）、国家重大科学仪器设备开发专项（２０１３ＹＱ０３０９１５）、国家自然科学基金（６１２２７０１１，
６１３７８０４３，１１００４１５０，６１１０８０７０）、天津市科技支撑计划重点项目（１１ＺＣＦＧＸ０１９００）资助项目
航空航天光纤传感技术研究进展

刘铁根，王　 双，江俊峰，刘　 琨，尹金德
（天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室 天津大学实验室传感研究所　 天津　 ３０００７２）
摘　 要： 光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干扰、易于嵌入材料内部等诸多优点，非常适合航
空航天极端环境下温度、应变、压力、声振动以及角速度等多种参量的测量。 着重介绍基于ＥＦＰＩ、ＦＢＧ 以及ＦＯＧ 的航空航天光
纤传感技术研究现状，以及天津大学在航空航天光纤传感技术研究领域的最新进展，包括航空航天温度、应变、压力、声振动传
感系统，航空光纤法珀大气压力测量实验及多参量光纤传感系统在空间环境模拟设备中的应用实例。 讨论航空航天光纤传感
技术的难点问题，在此基础上指出航空航天光纤传感技术的发展趋势。
关键词： 光纤传感；航空；航天；压力；温度；应变；声振动；角速度
中图分类号： ＴＰ２１２． １　 　 文献标识码： Ａ　 　 国家标准学科分类代码： ５１０． ２０
Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ａｖｉａｔｉｏｎ
ａｎｄ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｌｉｕ Ｔｉｅｇｅｎ，Ｗａｎｇ Ｓｈｕａｎｇ，Ｊｉａｎｇ Ｊｕｎｆｅｎｇ，Ｌｉｕ Ｋｕｎ，Ｙｉｎ Ｊｉｎｄｅ
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＆Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｄ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｌａ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｓｔｒａｉｎ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ａｃｏｕｓｔｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎｇｕｌａｒ ｖｅ
ｌｏｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｔｒｅｍｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｅｒｏｓｐａｃｅ， ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｂｅｉｎｇ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ， ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ， ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ
ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ， ｉｍｍｕｎｉｔｙ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｅ ｂｕｒｉｅｄ ｉｎｔｏ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥＦＰＩ， ＦＢＧ ａｎｄ ＦＯＧ ｉｎ ａｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｆｉｅｌｄ ａｒｅ ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈ
ｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ａｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｓｔｒａｉｎ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ａ
ｃｏｕｓｔｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ＦａｂｒｙＰｅｒｏｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ａｖｉａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
ｍｕｌｔｉｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｓｐａｃｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｂｏｕｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ａｖｉ
ａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｆｉｅｌｄ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｉｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｉｎｇ； ａｖｉａｔｉｏｎ； ａｅｒｏｓｐａｃｅ； ｐｒｅｓｓｕｒｅ； ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ； ｓｔｒａｉｎ； ａｃｏｕｓｔｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ； ａｎｇｕｌａｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
１　 引　 　 言
光纤传感技术是２０ 世纪７０ 年代发展起来的新型传
感技术，其通过调制光纤中传输光的强度、相位、波长、偏
振态并对这些变化进行监测，实现对温度、应变、压力、声
振动、角速度等多种参量的测量。 由于光纤传感器具有
体积小、重量轻、测量灵敏度高、复用能力强、抗电磁干
扰、易于嵌入材料内部等诸多优点，近年来受到广泛关
注
［１］
，成为传感 技术研究领域的热点之一。
非本征法珀（ ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ＦａｂｒｙＰｅｒｏｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ＥＦ
ＰＩ）传感器、光纤布拉格光栅（ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）传
感器以及光纤陀螺（ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｇｙｒｏ， ＦＯＧ）是该领域应用
较为广泛、研究较为深入且最有前景的三类传感器，已成
功应用于航空、航天、大型建筑结构健康监测
［２］
、石油化
工
［３］
、能源电力
［４］
等方面。