用于航空发动机叶尖间隙测量的光纤传感器

光纤传感在飞机结构健康监测中的应用进展和展望作者：王文娟薛景锋张梦杰来源：《航空科学技术》2020年第07期摘要：由于波分复用可实现多点测量特点，光纤传感被期望用于飞机结构的实时监测。

飞机对重量（质量）极为敏感，光纤传感的应用可以极大程度上减少测量导线而达到减重的目的。

同时，光纤传感还具有抗电磁干扰、耐高温、抗疲劳、抗环境腐蚀的显著优势。

随着智能飞机结构的广泛应用，要求光纤传感更密集、更快、更小型。

基于飞行测试和相关应用经验，本文对当前研究进展进行回顾，并对未来发展进行展望。

关键词：光纤传感；结构健康监测；飞机；应用；展望中图分类号：V219文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.013结构维修占飞机维修60%以上的时间，结构寿命也决定了飞机的寿命，而且结构损伤呈现分布式、偶发性和难监测的特点，因此结构健康监测成为飞机预测与健康管理的重要方面[1]。

美国和欧盟持续发展了飞机结构健康监测技术，F-35飞机发展了预测与健康管理（PHM）系统，更引起国际上对于结构健康监测技术的关注和重视[2]。

飞机结构健康监测可以分为整机疲劳寿命监测和关键部位损伤监测两部分。

整机疲劳寿命监测将载荷监控与疲劳寿命分析结合以实现疲劳寿命监控，掌握每一架飞机的实际使用情况，有利于控制剩余寿命，提高飞机在飞行中的安全性；关键结构损伤监测通过监测关键结构部位应力或损伤参数，与正常指标进行对比分析，从而判断出飞机重要结构的受损程度以及损伤的具体位置[3]。

结构状态主要通过应变、载荷和振动等信息反映。

由于飛机的高机动性、结构复杂性以及环境严酷性，需进行多点状态监测，使用传统应变片的方法已很难满足需要，主要原因是引线多、增重多、寿命不能与机体同寿，亟须研究采用新的应变测量技术。

光纤光栅（FBG）传感技术作为一种新兴的应变测量技术，具有结构灵巧、布线简洁、高效、长寿命、抗电磁干扰等诸多优点，在航空航天等尖端装备领域具有重大应用前景。

航空发动机先进传感器研究摘要:航空发动机的技术发展水平是衡量一个国家科技、军事实力及综合国力的重要标志。

航空发动机是飞行器的中心,它为飞行器提供推进动力或支持力。

自飞机问世以来,发动机得到了迅速的发展,先进的飞机整体离不开各种各样技术和附件的支持。

本文就航空发动机上先进传感器的发展历程和现代几种新型传感器展开阐述,并对其功能特点等方面进行分析。

关键词:航空发动机传感器智能航空发动机全权限数字式电子控制(FADEC)是现代战机飞行和推进系统综合控制的发展趋势,它主要运用计算机系统强大快速的数字运算能力和逻辑判断来实现系统控制。

与传统的机械液压式控制系统相比,它具有更加可靠、先进的特点,另外它也增加了控制的多样性,通过它的作用提高了对飞行以及对综合系统的控制能力。

传统传感器的模拟信号使用时为输出状态,整个飞行和推进综合系统的传感器输入信号能够超过30路,这种状况下中央处理器将花费巨大的资源用于模拟信号的数据处理以及故障诊断,严重的削弱了数字控制系统的优势。

智能传感器运用在航空控制系统中,它不仅发送/接收数字信号而且还要完成信号的采集和处理、故障自诊断、故障容错等工作。

FADEC系统的引入可以将繁重的低级任务进行分化,腾出了大量CPU 资源来执行更加复杂和精确的控制算法和监控管理。

传感器是信息系统的最前端的作为获取信息的十分重要的工具,可以说整个系统质量的好坏,主要依赖于传感器的特性的好坏和输出信息的可靠性。

1 温度传感器涡扇式发动机主燃油控制系统的重要状态参数之一是涡轮后燃气温度。

当发动机控制计划处于训练——战斗状态且发动机进口温度处于288～373K时,通过供油量的电子调节,使涡轮后燃温度直线增加15℃。

整个航空发动机分布式控制系统的工作稳定性和可靠性依靠对涡轮后燃气温度的精确测量与控制。

航空涡扇发动机涡轮后燃气温度的敏感测温部件为K型热电偶。

利用物理中的塞内克效应制成的温敏传感器,当两个不同的导体间组成闭合回路时,若两端结点温度不同,则回路中产生电流,这就是热电偶的原理。

光纤光栅传感器的工作原理和应用实例一、本文概述光纤光栅传感器作为一种先进的光学传感器，近年来在多个领域中都得到了广泛的应用。

本文旨在全面介绍光纤光栅传感器的工作原理及其在各领域中的应用实例。

我们将详细阐述光纤光栅传感器的基本原理，包括其结构、光学特性以及如何实现传感功能。

接着，我们将通过一系列应用实例，展示光纤光栅传感器在结构健康监测、温度测量、压力传感以及安全防护等领域的实际应用。

通过本文的阅读，读者将能够对光纤光栅传感器有一个全面深入的了解，并理解其在现代科技中的重要地位。

二、光纤光栅传感器的基本概念和原理光纤光栅传感器，也被称为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器，是一种基于光纤光栅技术的传感元件。

其基本概念源于光纤中的光栅效应，即当光在光纤中传播时，遇到周期性折射率变化的结构（即光栅），会发生特定波长的反射或透射。

光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅对光的反射作用。

在制造过程中，通过在光纤芯部形成周期性的折射率变化，即形成光栅，当入射光满足布拉格条件时，即入射光的波长等于光栅周期的两倍与光纤有效折射率的乘积时，该波长的光将被反射回来。

当外界环境（如温度、压力、应变等）发生变化时，光纤光栅的周期或折射率会发生变化，从而改变反射光的波长，通过对这些波长变化的检测和分析，就可以实现对环境参数的测量。

光纤光栅传感器具有许多独特的优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、测量范围大、响应速度快、能够实现分布式测量等。

这使得它在许多领域，如结构健康监测、航空航天、石油化工、环境监测、医疗设备、智能交通等，都有广泛的应用前景。

光纤光栅传感器的工作原理决定了其可以通过测量光栅反射光的波长变化来感知外界环境的变化。

因此，在实际应用中，通常需要将光纤光栅传感器与光谱分析仪、解调器等设备配合使用，以实现对环境参数的精确测量。

光纤光栅传感器的基本概念和原理为其在各种应用场景中的广泛应用提供了坚实的基础。

航空发动机叶尖间隙测量研究 0708301 邓起春 070830115 研究背景及意义随着现代飞机对高机动性飞行要求的不断提高,对航空发动机的要求也相应地提高。

为提高航空发动机的性能,人们努力挖掘提高发动机效率的潜力。

潜力之一是使转子叶尖与机匣之间的径向间隙尽可能小,以减少工作介质泄漏而造成的损失。

众所周知,叶尖间隙过大会降低发动机的性能,然而间隙过小,将产生叶尖与机匣碰磨,影响发动机的安全,这是两个对立的要求。

如何设计控制间隙使其最为合适,对提高发动机性能、保证飞行安全非常重要。

而合理地设计间隙,或进行主动间隙控制,关键在于搞清间隙的实际变化情况,掌握它的变化规律。

因此,对间隙进行实测,给出间隙随不同转速及状态的变化规律,验证理论计算的合理性,在发动机研制过程中对优化设计、保证试车试验安全,具有实际的工程应用价值。

航空发动机在工作时,由于各部件承受的温度和受力变形情况不同,转、静子间的运动是很复杂的。

不同部位的零件在径向、轴向的位移大小和方向存在很大的差异,这种差异还随发动机不同而改变,如果此值选取不当,则可能造成径向间隙过大或过小。

综合分析表明, 风扇、压气机和涡轮的叶尖与机匣之间都存在着一“最佳”间隙, 过大的间隙会使叶尖泄露增大, 造成发动机效率降低, 过小的间隙将会引发叶片与机匣的磨擦振动等结构问题, 影响发动机的安全运转。

由于发动机转子叶尖间隙变化的影响因素是多方面的, 相当复杂, 目前单靠计算分析是很难确定的, 必须在试验中对间隙进行实时测量,找出最佳”间隙, 为“改进设计提供依据。

径向间隙过大会使效率降低,涡轮前温度增高。

据资料介绍,叶尖间隙每增加叶片长度的1 % ,效率约降低1. 5 % ,耗油率约增加3 %。

耗油率增加1 % ,可使全寿命费用增加0. 7 %。

间隙过大,也将使增压比下降,喘振裕度降低但同时间隙又不能过小,间隙过小将可能产生碰磨,导致零部件损坏,影响发动机的安全。

论文题目航空发动机涡轮叶尖间隙动态测量与控制的关键技术研究论文类型（请在有关项目下作√记号）基础研究应用研究工程技术跨学科研究√学生在进行选题报告、听取意见后，整理成文（不少于3500字）。

一、文献综述航空发动机被称为“现代工业之花”，对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响，而且发动机技术具有良好的军民两用特性，对国防和国民经济有重要意义。

世界上少数几个能独立研制先进航空发动机的国家无不将优先发展航空发动机作为国策，将发动机技术列为国家和国防关键技术，并给予大量的投资，保证发动机相对独立地领先发展，并严格禁止关键技术出口。

一些航空发动机后起工业国家也已制订了重大的技术发展计划，试图提高独立研制或参与国际合作研制先进航空发动机的能力。

为满足21世纪各种航空器发展的要求，航空发达国家从上世纪80年代末就开始实施一系列新的涡轮发动机技术发展计划。

近年来，随着现代飞机对高机动性能的要求不断提高，人们对发动机的性能及效率的利用要求也明显提高。

为了提高发动机的性能，人们试图挖掘其更大的潜力，其中之一就是要尽可能的减小叶尖间隙及其间隙控制相关问题。

叶尖间隙是指发动机转子叶片与机匣之间的距离，它对发动机的性能有很大的影响。

叶尖间隙过大会使发动机的性能降低，而间隙过小，又很可能会引起叶尖与机匣的碰撞或摩擦，严重危害发动机的安全，甚至导致严重的事故的发生。

叶尖间隙对压气机效率、涡轮效率、发动机功率和油耗影响极大。

主动叶尖间隙控制就是在发动机工作过程中对其瞬时状态和静态的叶尖间隙以改善发动机性能为目的进行的控制。

研究表明[1-3],主动叶尖间隙控制（AAC）被认为是两种最可能增加商用飞机运行寿命的技术之一。

Lattime[4]详细的说明了在飞行轨迹内可能出现的状况以及它们是怎样影响发动机间隙的设计的。

最小间隙可能发生在起飞和重新启动过程中。

在这种情况下，由于离心力和叶片的快速加热，转子组合体膨胀很快。

而与之同时，转子周围的机匣结构由于热效应膨胀的速度相对较慢。

第41卷第6期遥测遥控V ol. 41, No. 6 2020年11月Journal of Telemetry, Tracking and Command November 2020光纤法布里-珀罗传感器及其高温应用*毛国培，李金洋，史青（北京遥测技术研究所北京 100076）摘要：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。

关键词：光纤光学；法布里-珀罗腔传感器；高温测量；温度；应变；压力中图分类号：TP219.9 文献标识码：A 文章编号：CN11-1780(2020)06-0012-08Optic fiber Fabry-Perot sensor and its applications in high temperatureMAO Guopei, LI Jinyang, SHI Qing（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）Abstract: With the continuous development of aerospace technology, the demand for fine design of high-thrust launch vehicles and other related equipment is increasing. The aircraft structure and flow field state perception under high temperature working condition have become critical in current research. Fiber optic sensor based on Fabry-Perot cavity, which is regarded as the next generation measuring tool of high temperature in situation measurement, gradually shows the superiority in special environments such as high-temperature, high-pressure and narrow space. The basic structure and principle of Fabry-Perot sensor are introduced, as well as describes its recent progress and future development trends from the measurements of temperature, strain and pressure. The Fabry-Perot sensor based on silica fiber can be applied below 1000 °C, for environments more than 1000 °C, sapphire fiber is needed as the sensing element and light-transmission medium.Key words: Fiber optics; Fabry-Perot sensors; High temperature measuring; Temperature; Strain; Pressure引言随着我国航天事业发展，运载火箭载荷负载能力和发射频次不断提高。

光纤传感器的应用与发展摘要:本文主要阐述了传光型光纤传感器与传感型光纤传感器的基本原理,及光纤传感器的结构、原理、分类、特点、现状及发展趋，提出了光纤传感技术存在的问题以及发展方向，并介绍了光纤传感器的几种应用。

关键词:光纤传感技术调制发展趋势应用举例Abstract: The principles of some kinds of optical fiber sensors are introduced，and the optical fiber sensor's structure, the principle, the classification, the characteristic, the present situation and the development hasten .The problems and developing direction of optical fiber sensing technology are proposed. At the same time introduced optical fiber sensor's several kind of applications.Key words: fiber optic sensing technology；modulation；trend of development；application example0 引言近几年,传感器产量的年增长率均保持在10%以上,目前全球从事传感器生产和研制的单位达5000多家。

传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一,已经成为一个国家科学技术水平发展的重要标志。

光纤传感技术的出现与光导纤维和光纤通信技术的发展是分不开的，是一种崭新的传感技术。

光纤传感器是以光纤为材料的传感器。

本文阐述了光纤传感技术，及光纤传感器的原理、特点、现状及发展趋势，并介绍了光纤传感器的几种应用。