航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)作為當(dāng)代飛行器的核心動力裝置，其技術(shù)發(fā)展水平直接表征著一個國家的工業(yè)基礎(chǔ)與科技實力。隨著航空工業(yè)對推重比、燃油經(jīng)濟(jì)性以及服役壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)的追求日益極致，渦輪前溫度不斷提升、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速持續(xù)增加、部件負(fù)荷愈發(fā)嚴(yán)苛，這使得發(fā)動機(jī)核心機(jī)構(gòu)長期處于極端復(fù)雜的多物理場耦合環(huán)境之中。渦噴發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)高度緊湊，渦輪葉片與機(jī)匣之間的間隙極其狹小，氣流通道內(nèi)的溫度可達(dá)數(shù)百度乃至上千攝氏度，同時伴隨著寬頻強(qiáng)振動與高速離心載荷的復(fù)合作用。在上述惡劣工況下，渦輪轉(zhuǎn)子葉片作為能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，承受著極高的氣動負(fù)荷、熱負(fù)荷與機(jī)械應(yīng)力的疊加效應(yīng)，極易產(chǎn)生疲勞損傷甚至突發(fā)性斷裂故障，直接威脅飛行安全。因此，針對發(fā)動機(jī)運行過程中的溫度分布、應(yīng)變場變化等關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)開展實時精準(zhǔn)監(jiān)測，對于評價結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、保障航空器安全可靠運行具有不可替代的重要意義。

第一章 航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測重要性

長期以來，航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域主要依賴傳統(tǒng)電學(xué)類傳感器，如電阻應(yīng)變片、熱電偶及壓電式傳感器等。此類傳感器經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，技術(shù)成熟度較高，在特定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)有效測量。然而，隨著發(fā)動機(jī)性能的持續(xù)提升，其工作環(huán)境對傳感系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)苛的要求，傳統(tǒng)電學(xué)傳感器的局限性逐漸顯現(xiàn)：首先，電阻應(yīng)變片存在零點漂移現(xiàn)象，長期穩(wěn)定性難以保證，且在高溫環(huán)境下壽命急劇縮短；其次，電學(xué)傳感器本質(zhì)易受電磁干擾，而發(fā)動機(jī)艙內(nèi)充斥著點火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及射頻通信設(shè)備產(chǎn)生的復(fù)雜電磁場，測量信號的保真度難以保障；再者，傳統(tǒng)傳感器體積較大、質(zhì)量較重，布設(shè)于高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片表面會引入不可忽略的附加質(zhì)量，破壞轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動平衡狀態(tài)，進(jìn)而加劇振動響應(yīng)，影響部件疲勞壽命；此外，電學(xué)傳感器通常只能實現(xiàn)單點測量，難以滿足分布式監(jiān)測的需求。上述技術(shù)瓶頸促使研究人員不斷探索新型傳感原理與技術(shù)路徑。

光纖布拉格光柵作為一種新型光學(xué)無源傳感元件，自問世以來便在傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的技術(shù)優(yōu)勢。其基本原理基于光纖芯層內(nèi)的周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)對入射寬帶光的反射特性，通過監(jiān)測反射中心波長的漂移量實現(xiàn)對外界物理參量的感知。相較于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器，光纖光柵傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、本質(zhì)防爆、抗電磁干擾、耐腐蝕、可在一根光纖上實現(xiàn)多點分布式測量等諸多突出優(yōu)點。尤為重要的是，光信號在光纖內(nèi)傳輸，傳感單元無需供電，這一特性使其在易燃易爆的航空燃油環(huán)境中具有天然的安全優(yōu)勢。光纖光柵不僅能夠感知應(yīng)變與溫度，通過適當(dāng)?shù)膿Q能結(jié)構(gòu)設(shè)計，還可間接實現(xiàn)壓力、振動、加速度等多種參數(shù)的測量，具備極強(qiáng)的功能擴(kuò)展性。

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞光纖光柵傳感技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量卓有成效的研究工作。萬小軍等提出采用預(yù)應(yīng)變方法實現(xiàn)光纖光柵溫度和應(yīng)變的同時測量，為解決交叉敏感問題提供了有效思路。蔣熙馨針對某型航空發(fā)動機(jī)二級葉片開展動應(yīng)變測量研究，采用光纖光柵傳感器成功獲取了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片應(yīng)變響應(yīng)。劉繄等通過預(yù)置墊片方式為光纖提供精準(zhǔn)冗余量控制，驗證了所粘貼光纖光柵在750℃高溫環(huán)境下的應(yīng)變傳遞特性，為高溫測量奠定了基礎(chǔ)。在國際層面，歐盟資助的MORPHO項目于2021年至2025年間開展了一系列航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究，將光纖布拉格光柵傳感器與壓電傳感器嵌入發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片中，實現(xiàn)了制造過程和運行狀態(tài)下的應(yīng)變、應(yīng)力及損傷實時監(jiān)測，并引入深度學(xué)習(xí)架構(gòu)預(yù)測剛度退化和剩余使用壽命。英國克蘭菲爾德大學(xué)團(tuán)隊在羅爾斯羅伊斯航空燃油泵上布設(shè)了24個波分復(fù)用光纖光柵傳感器，實現(xiàn)了0至2.5kHz頻率范圍內(nèi)的應(yīng)變與振動測量，驗證了表面粘貼式光纖光柵表征內(nèi)部子部件振動特征的可行性。

盡管光纖光柵傳感技術(shù)在航空監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景，但必須正視其固有的技術(shù)挑戰(zhàn)。光纖光柵對溫度和應(yīng)變具有交叉敏感特性，即外界溫度和應(yīng)變變化同時引起布拉格波長漂移，難以直接區(qū)分兩者的貢獻(xiàn)。針對這一問題，現(xiàn)有解決方案包括雙波長法、雙參量法、參考光柵法以及特殊封裝技術(shù)等。然而，航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子空間極其狹小、工作狀態(tài)高速旋轉(zhuǎn)，上述方法或因所需設(shè)備復(fù)雜、或因空間限制而難以適用。因此，探索適用于旋轉(zhuǎn)部件且工程可實現(xiàn)的新型信號解耦方法，成為推動光纖光柵傳感技術(shù)實用化的關(guān)鍵突破口。

第二章 航空級光纖光柵傳感器技術(shù)原理

2.1 光纖布拉格光柵的傳感機(jī)理

光纖布拉格光柵的本質(zhì)是通過紫外激光或飛秒激光曝光技術(shù)在光纖纖芯內(nèi)形成的周期性折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)，其作用相當(dāng)于一個窄帶反射濾波器。當(dāng)寬帶光源入射至光纖光柵區(qū)域時，滿足布拉格相位匹配條件的特定波長光將被反射回入射端，其余波長的光則繼續(xù)向前傳輸。反射中心波長λB由纖芯有效折射率neff與光柵周期Λ共同決定，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為λB=2neffΛ。這一關(guān)系揭示了光纖光柵傳感的核心原理：任何能夠引起neff或Λ變化的外界物理量，均會導(dǎo)致反射波長發(fā)生漂移。

應(yīng)變對光纖光柵的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在兩個方面：其一是機(jī)械變形直接改變光柵周期Λ，其二是彈光效應(yīng)引起纖芯有效折射率neff的變化。當(dāng)光纖光柵受到軸向拉伸或壓縮時，柵區(qū)長度發(fā)生變化，周期相應(yīng)改變，同時材料密度變化導(dǎo)致折射率改變，兩者共同引起布拉格波長的漂移。溫度對光纖光柵的影響則源于熱膨脹效應(yīng)與熱光效應(yīng)的疊加：熱膨脹改變光柵周期，熱光效應(yīng)則改變纖芯的有效折射率。在忽略其他干擾因素的理想情況下，波長漂移量與應(yīng)變和溫度的變化量呈良好的線性關(guān)系。

航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子在試車過程中承受的載荷環(huán)境極為復(fù)雜，光纖光柵傳感器同時受到多種物理場的耦合作用。離心載荷使得葉片產(chǎn)生徑向拉伸應(yīng)變，氣流載荷在葉片表面形成不均勻的壓力分布并引發(fā)彎曲變形，熱載荷則導(dǎo)致材料熱膨脹并引起溫度場重分布。上述因素共同導(dǎo)致光纖光柵反射中心波長的漂移，且各物理量的影響相互交織，難以直接分離。在此情況下，實測的總波長漂移量可近似視為溫度效應(yīng)與應(yīng)變效應(yīng)的線性疊加，這為后續(xù)的信號解耦處理提供了理論前提。

2.2 飛秒激光刻寫技術(shù)與高溫光柵

針對航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的高溫工作環(huán)境，常規(guī)紫外光刻光纖光柵的熱穩(wěn)定性難以滿足應(yīng)用需求。飛秒激光直寫技術(shù)的發(fā)展為高溫環(huán)境下的光纖光柵傳感提供了新的技術(shù)路徑。飛秒激光憑借其極高的峰值功率密度和極短的脈沖寬度，能夠通過多光子吸收過程在光纖纖芯內(nèi)引發(fā)非線性效應(yīng)，實現(xiàn)折射率調(diào)制，無需光纖預(yù)先的光敏化處理。根據(jù)刻寫方式的不同，飛秒激光制備的光纖光柵可分為相位掩模法和逐點直寫法兩大類。其中，逐點直寫法通過精密位移平臺控制光纖移動，使聚焦后的飛秒激光脈沖在纖芯內(nèi)逐點寫入折射率調(diào)制點，形成所需周期的光柵結(jié)構(gòu)。采用這一方法制備的Ⅱ型光柵具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，能夠在800℃以上的高溫環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，其反射率峰值可達(dá)50%以上，3dB帶寬約為0.4nm，柵區(qū)長度可根據(jù)需要靈活設(shè)計。本研究所采用的飛秒激光逐點刻寫光柵正是基于上述技術(shù)制備而成，具備高精度、高穩(wěn)定性、強(qiáng)反射率等綜合優(yōu)勢，能夠滿足渦輪轉(zhuǎn)子極端工況下的測量需求。

2.3 多級離散小波變換與信號解耦理論

小波變換作為一種時頻局部化分析方法，在非平穩(wěn)信號處理領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)傅里葉變換僅能提供信號的全局頻域信息，小波變換能夠同時在時域和頻域表征信號的局部特征，尤其適用于包含多種物理成分耦合的復(fù)雜信號分解。多級離散小波變換通過對信號進(jìn)行逐層分解，實現(xiàn)不同頻率成分的有效分離。其基本過程可概括為：第一層分解將原始信號分為逼近系數(shù)與細(xì)節(jié)系數(shù)，分別對應(yīng)低頻概貌與高頻細(xì)節(jié)；第二層分解對第一層的逼近系數(shù)再次進(jìn)行分解，依此類推，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的分解層數(shù)。每一次分解都相當(dāng)于對信號進(jìn)行降采樣處理，使得不同尺度下的頻率區(qū)間被逐步細(xì)化。

將多級離散小波變換應(yīng)用于光纖光柵復(fù)合信號解耦，其物理基礎(chǔ)在于溫度和應(yīng)變響應(yīng)在頻域上的分布差異。溫度變化通常是一個相對緩慢的過程，在發(fā)動機(jī)試車中表現(xiàn)為隨轉(zhuǎn)速和時間漸變的趨勢項，其頻譜能量集中在低頻區(qū)段。而應(yīng)變響應(yīng)，尤其是動態(tài)應(yīng)變成分，包含由離心力加載引起的準(zhǔn)靜態(tài)變化以及由氣流激勵、轉(zhuǎn)子振動等因素引起的動態(tài)波動，其頻帶分布相對較寬，高頻分量更為豐富。通過合理選擇小波基函數(shù)和分解層數(shù)，可以逼近信號中提取反映溫度變化的低頻趨勢，從細(xì)節(jié)信號中分離出反映應(yīng)變響應(yīng)的中高頻成分，從而實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的有效解耦。

2.4 波分復(fù)用技術(shù)與傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

波分復(fù)用技術(shù)是實現(xiàn)光纖光柵分布式測量的核心手段。其基本原理是在單根光纖上串聯(lián)刻寫多個具有不同布拉格中心波長的光柵，利用解調(diào)系統(tǒng)對不同波長通道的識別實現(xiàn)空間位置區(qū)分。每個光纖光柵對應(yīng)一個特定的波長窗口，當(dāng)外界物理量作用于某一測點時，僅引起該位置光柵的波長漂移，而不會干擾其他通道的測量。通過這種方式，一根光纖上可布設(shè)數(shù)個至數(shù)十個傳感點，形成準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，極大提升了測量效率并簡化了引線布局。對于航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子這一狹小空間內(nèi)的測量對象而言，波分復(fù)用技術(shù)不僅減少了光纖引出數(shù)量，降低了對流場的干擾，也減輕了附加質(zhì)量對轉(zhuǎn)子動平衡的影響。

本研究基于飛秒激光直寫技術(shù)，在一根光纖上刻蝕了7個不同中心波長的光纖光柵，反射波長依次為1515nm至1581nm間隔分布。各光柵之間的空間間距依據(jù)有限元動力學(xué)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計，布設(shè)間距分別為3.07mm至27.71mm不等，確保傳感點能夠覆蓋應(yīng)力集中區(qū)域。光纖光柵串的布置位置S1至S7對應(yīng)葉片及輪盤上的關(guān)鍵測點，相鄰傳感器間距L1至L6根據(jù)仿真所得應(yīng)變梯度分布進(jìn)行差異化設(shè)計，實現(xiàn)了傳感資源的高效配置。

第三章 發(fā)動機(jī)溫度-應(yīng)變復(fù)合信號測量實驗

3.1 光纖光柵測試系統(tǒng)搭建

為實現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子葉片在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的溫度和應(yīng)變同步測量，某研究機(jī)構(gòu)構(gòu)建了一套完整的光纖光柵測試系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器串、高速光纖滑環(huán)、光纖光柵解調(diào)儀以及渦噴發(fā)動機(jī)試驗件四大部分組成。解調(diào)儀具備90nm帶寬和1kHz采樣頻率，能夠?qū)崟r采集各光柵的反射光譜并提取中心波長信息。高速光纖滑環(huán)作為旋轉(zhuǎn)部件與靜止設(shè)備之間的光信號傳輸紐帶，其性能直接影響測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性與可靠性。本實驗選取單通道高速光纖滑環(huán)，安裝于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣匣端，滑環(huán)撥叉嵌入發(fā)動機(jī)本體軸心凹槽內(nèi)，確?；h(huán)與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)光信號的低損耗、穩(wěn)定傳輸。

傳感器的布設(shè)工藝是決定測量成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)ANSYS有限元仿真分析結(jié)果，渦輪轉(zhuǎn)子葉片在最大工作狀態(tài)下的應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于葉背側(cè)中部、葉背右下葉根處、葉背左上角以及葉背左下葉根處。在上述應(yīng)力集中區(qū)設(shè)計光纖光柵傳感器串的測試點位，確保關(guān)鍵部位的應(yīng)變響應(yīng)能夠被有效捕獲。考慮到試車過程中的高溫環(huán)境，選用經(jīng)過測試驗證的高溫膠將裸露于渦輪盤表面的光纖部分粘貼于試件表面。粘貼完成后，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的動平衡實驗，以消除因粘貼傳感器引入的不平衡量，避免過大的振動響應(yīng)影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

3.2 光纖光柵復(fù)合信號分離軟件設(shè)計與實現(xiàn)

基于MATLAB平臺開發(fā)了光纖光柵復(fù)合信號分離軟件，該軟件以多級離散小波變換為核心算法，集成了數(shù)據(jù)讀取、預(yù)處理、去噪、信號分解、參數(shù)提取及可視化等功能模塊。軟件界面設(shè)計包含波長變化提取、溫度靈敏度分析、應(yīng)變靈敏度分析、細(xì)節(jié)與逼近信號分解、細(xì)節(jié)信號快速傅里葉變換分析、溫度信號分析以及應(yīng)變信號分析七個主要分析模塊，形成了從原始光譜數(shù)據(jù)到物理參量輸出的完整處理鏈路。

在信號預(yù)處理階段，由于發(fā)動機(jī)試車環(huán)境中存在多種噪聲源，包括光源強(qiáng)度波動、光纖連接器微彎損耗、滑環(huán)旋轉(zhuǎn)擾動以及機(jī)械振動耦合等，采集到的光譜信號不可避免地疊加了噪聲成分。這些噪聲的存在會干擾中心波長的精確提取，進(jìn)而影響溫度和應(yīng)變的解算精度。為此，本研究提出基于無偏風(fēng)險估計閾值的小波域信號去噪方法。無偏風(fēng)險估計閾值基于Stein無偏風(fēng)險估計理論，旨在最小化估計信號與真實信號之間的期望損失，適用于小波系數(shù)服從高斯分布的情況。該方法能夠在有效去除噪聲的同時，較好地保留信號中的重要特征，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。

為定量評價去噪效果，采用均方根誤差和信噪比作為評價指標(biāo)。選取sym4、sym6、sym8、db7、db8、db10六種小波基函數(shù)對實測光纖光柵中心波長數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，對比分析不同小波基和分解層數(shù)下的處理效果。結(jié)果表明，去噪效果與小波基函數(shù)及分解層數(shù)密切相關(guān)：均方根誤差隨分解層次增加而減小，在分解至第8層后趨于穩(wěn)定；信噪比則隨分解層數(shù)增加而增大，同樣在第8層后趨于平穩(wěn)。針對FBG1采集數(shù)據(jù)，在分解層數(shù)為10時，6階消失矩的sym6小波基函數(shù)表現(xiàn)出最優(yōu)性能，其均方根誤差最小、信噪比最大，因此選定sym6作為后續(xù)處理的主用小波基函數(shù)。

3.3 實驗數(shù)據(jù)處理與復(fù)合信號解耦分析

采用sym6小波基函數(shù)和無偏風(fēng)險估計閾值方法對FBG1數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理后，對去噪信號進(jìn)行6層多級離散小波變換。由小波變換原理可知，每一層分解將信號分離為逼近信號與細(xì)節(jié)信號，逼近信號表征信號的基本變化趨勢，細(xì)節(jié)信號則反映信號的快速波動成分。隨著分解層數(shù)的增加，頻域區(qū)間被逐步細(xì)化，低頻部分進(jìn)一步分解為更低頻率的逼近成分，高頻部分則細(xì)化為多個尺度的細(xì)節(jié)成分。

對高頻細(xì)節(jié)信號進(jìn)行傅里葉變換獲取頻譜圖，與ANSYS有限元分析獲得的固有頻率進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)d1、d2、d3三層細(xì)節(jié)信號的頻譜已涵蓋所有主要模態(tài)的固有頻率。據(jù)此判定，從第4層及以上的細(xì)節(jié)信號之和可視為動應(yīng)變響應(yīng)。本實驗標(biāo)定的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.209pm/με，據(jù)此計算獲得應(yīng)變變化范圍為-497.74με至359.56με。將第6層分解后的逼近信號視為溫度響應(yīng)，初始波長為1514.0628nm，溫度靈敏度系數(shù)為25pm/℃，計算得到溫度變化最高達(dá)347.37℃。值得注意的是，在25秒左右發(fā)動機(jī)仍處于升速階段，此時溫度出現(xiàn)劇烈突變，分析認(rèn)為這一現(xiàn)象源于快速升速導(dǎo)致的冷卻氣流動態(tài)失衡。

對FBG2至FBG7采用類似方法進(jìn)行處理，為提高解耦精度，在處理過程中根據(jù)各通道信號特征對小波基函數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。實驗結(jié)果表明，渦輪轉(zhuǎn)子上布設(shè)的7個光纖光柵傳感器所測溫度和應(yīng)變存在明顯差異：傳感器粘貼位置越靠近葉片頂端，所感受溫度越高，F(xiàn)BG1至FBG4依次靠近葉頂，溫度變化逐漸增大；FBG5位于背風(fēng)面前緣，即葉片的迎風(fēng)面與背風(fēng)面交界處，該區(qū)域在工作過程中承受較大熱負(fù)荷和氣流力，因此溫度變化最高且應(yīng)變變化最為顯著；FBG7處于渦輪盤中，外部罩有渦輪外殼，不與熱氣流直接接觸，因此溫度和應(yīng)變變化均相對較小。

將實測各點應(yīng)變數(shù)據(jù)與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比，兩者具有較好的一致性：應(yīng)力主要集中于葉片根部、葉片前緣和葉片尖端，其中背風(fēng)面前緣是應(yīng)變變化最為顯著的區(qū)域，主要由氣流沖擊、熱負(fù)荷集中、幾何形狀突變以及動靜載荷耦合作用等因素共同導(dǎo)致。通過解耦方法獲得的FBG1至FBG7溫度變化整體趨勢一致，均隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提升而增大，但葉片根部與葉身之間存在明顯的溫度梯度。整個葉片應(yīng)變變化梯度明顯，F(xiàn)BG6處應(yīng)變變化最大。溫度和應(yīng)力變化趨勢與仿真結(jié)果吻合，驗證了所提出解耦方法的有效性。值得關(guān)注的是，在離心力與熱負(fù)荷的復(fù)雜交互作用下，部分區(qū)域出現(xiàn)了負(fù)應(yīng)變現(xiàn)象，分析認(rèn)為這與溫度梯度導(dǎo)致的局部熱應(yīng)力分布有關(guān)。

第四章在航空發(fā)動機(jī)監(jiān)測中的關(guān)鍵作用

光纖光柵傳感技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子監(jiān)測中的應(yīng)用，不僅是傳感方式的簡單更替，更代表著狀態(tài)監(jiān)測理念的深刻變革。其在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域所發(fā)揮的關(guān)鍵作用可從多個維度加以認(rèn)識。

在極端環(huán)境適應(yīng)性方面，光纖光柵傳感器展現(xiàn)出傳統(tǒng)電學(xué)傳感器難以企及的優(yōu)勢。航空發(fā)動機(jī)渦輪部件的工作溫度常達(dá)數(shù)百度，未來先進(jìn)發(fā)動機(jī)的渦輪前溫度更將突破1800℃，傳統(tǒng)應(yīng)變片在此環(huán)境下難以長期存活。飛秒激光刻寫的光纖光柵憑借其本征耐高溫特性，結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，能夠在?shù)百度的高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定的傳感性能。同時，光纖材料為二氧化硅，具有優(yōu)異的化學(xué)惰性，可耐受燃油燃燒產(chǎn)物的腐蝕，這對于長期服役的發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)而言至關(guān)重要。

在結(jié)構(gòu)相容性方面，光纖光柵的微小尺寸和輕質(zhì)特性使其與被測結(jié)構(gòu)具有良好的相容性。渦輪轉(zhuǎn)子葉片屬于高速旋轉(zhuǎn)部件，對附加質(zhì)量極為敏感。傳統(tǒng)應(yīng)變片連同引線、固定膠層在內(nèi)，其質(zhì)量可能達(dá)到數(shù)克量級，粘貼于葉片表面會顯著改變局部質(zhì)量分布，影響轉(zhuǎn)子的動平衡狀態(tài)。而光纖光柵傳感器連同涂覆層在內(nèi)直徑僅為百余微米，柵區(qū)長度數(shù)毫米，質(zhì)量可忽略不計，對葉片原有動力學(xué)特性的影響可控制在極小范圍內(nèi)。這使得在葉片表面布設(shè)多個測點構(gòu)成傳感網(wǎng)格成為可能，為精細(xì)化測量應(yīng)力分布創(chuàng)造了條件。

在多參數(shù)同步測量方面，光纖光柵傳感器突破了傳統(tǒng)傳感器功能單一的限制。通過在一根光纖上串聯(lián)多個光柵，可實現(xiàn)溫度、應(yīng)變、振動等多種物理量的準(zhǔn)分布式測量。特別是在溫度-應(yīng)變交叉敏感問題得到有效解耦之后，光纖光柵能夠同時提供熱載荷和機(jī)械載荷的信息，為分析多場耦合效應(yīng)提供數(shù)據(jù)支撐。對于渦輪轉(zhuǎn)子葉片而言，溫度分布與應(yīng)力分布的內(nèi)在關(guān)聯(lián)是理解葉片失效機(jī)理的關(guān)鍵，光纖光柵的多參數(shù)測量能力為這一研究提供了有效工具。

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與壽命預(yù)測方面，光纖光柵傳感器為預(yù)測性維護(hù)策略的實施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。通過連續(xù)監(jiān)測葉片在完整飛行任務(wù)剖面中的應(yīng)變響應(yīng)，可累積疲勞損傷數(shù)據(jù)，結(jié)合材料疲勞特性模型，對葉片的剩余壽命進(jìn)行評估。當(dāng)監(jiān)測到應(yīng)變特征出現(xiàn)異常變化時，系統(tǒng)可及時發(fā)出預(yù)警，避免突發(fā)性故障的發(fā)生。歐盟MORPHO項目的研究表明，將光纖光柵傳感器與深度學(xué)習(xí)架構(gòu)相結(jié)合，能夠根據(jù)實測應(yīng)變和導(dǎo)波數(shù)據(jù)有效預(yù)測部件的剛度退化和剩余使用壽命。這一技術(shù)路徑對于提高航空發(fā)動機(jī)運行安全性、降低全壽命周期維護(hù)成本具有重要價值。

在信號傳輸與系統(tǒng)集成方面，光纖光柵傳感器采用光信號傳輸，傳輸鏈路中不含任何電子元器件，這一特性使其在航空燃油等易燃環(huán)境中具有本質(zhì)安全性。光纖本身具有良好的柔韌性，可沿著發(fā)動機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)，適應(yīng)緊湊空間內(nèi)的布線需求。結(jié)合高速光纖滑環(huán)技術(shù)，旋轉(zhuǎn)部件上的傳感信號可穩(wěn)定傳輸至靜止端的解調(diào)設(shè)備，解決了旋轉(zhuǎn)部件在線監(jiān)測的信號引出難題。這種光機(jī)電一體化的系統(tǒng)集成方案，為航空發(fā)動機(jī)這類復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械的健康監(jiān)測提供了可行的技術(shù)路徑。

第五章結(jié)論與展望

本研究基于光纖光柵傳感技術(shù)，構(gòu)建了一套適用于航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子的溫度-應(yīng)變復(fù)合信號測量系統(tǒng)，通過理論分析、實驗驗證與信號處理方法的有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下關(guān)鍵參數(shù)的精確測量。研究獲得的主要結(jié)論可歸納如下：首先，采用飛秒激光逐點刻寫的Ⅱ型光纖光柵串配合高速光纖滑環(huán)的技術(shù)方案，能夠有效解決旋轉(zhuǎn)部件在線監(jiān)測的信號傳輸問題，實現(xiàn)了0至17000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉片及輪盤測點的穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集。其次，提出基于無偏風(fēng)險估計閾值的小波域信號去噪方法，通過對比多種小波基函數(shù)和分解層數(shù)的去噪效果，確定了適用于本實驗數(shù)據(jù)的sym6小波基和8層分解參數(shù)，顯著提高了信號質(zhì)量。再次，將多級離散小波變換引入光纖光柵復(fù)合信號解耦，利用溫度響應(yīng)與應(yīng)變響應(yīng)在頻域分布的差異性，實現(xiàn)了溫度與應(yīng)變信號的有效分離，解決了光纖光柵固有的交叉敏感問題。實驗結(jié)果表明，溫度變化從葉底到葉頂逐漸增大，葉片背風(fēng)面前緣應(yīng)變變化最為顯著，這一分布規(guī)律與有限元仿真結(jié)果吻合良好，驗證了所提出方法的有效性。實測獲得的溫度最高達(dá)497.77℃，應(yīng)變最大變化范圍為-451.93×10-6至2341.71×10-6。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，未來可在以下幾個方向繼續(xù)深化探索：其一，提升解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，目前1kHz的采樣頻率對于捕捉葉片高階振動模態(tài)尚顯不足，后續(xù)可采用更高采樣率的解調(diào)設(shè)備，并結(jié)合微波光子解調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)更高頻響的動態(tài)應(yīng)變測量。其二，完善溫度-應(yīng)變解耦算法，目前采用的多級離散小波變換方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)信號分離，但其分解層數(shù)和小波基的選擇仍需人工干預(yù)，后續(xù)可研究自適應(yīng)分解方法，如經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，提高解耦的自動化水平和精度。其三，拓展多參數(shù)同步測量能力，在現(xiàn)有溫度和應(yīng)變測量的基礎(chǔ)上，探索通過單根光纖光柵實現(xiàn)溫度、應(yīng)變、振動及壓力等多參數(shù)同步測量的技術(shù)路徑，滿足航空發(fā)動機(jī)更為全面的狀態(tài)監(jiān)測需求。其四，推進(jìn)傳感器耐久性與工程適用性驗證，針對航空發(fā)動機(jī)長壽命服役需求，開展光纖光柵傳感器在熱循環(huán)、振動疲勞及復(fù)雜載荷作用下的長期穩(wěn)定性考核，積累可靠性數(shù)據(jù)，為工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。其五，探索與數(shù)字孿生技術(shù)的深度融合，將實測數(shù)據(jù)接入發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生模型，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動與物理模型相結(jié)合的混合孿生方法，實現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)狀態(tài)的高保真仿真與剩余壽命精準(zhǔn)預(yù)測。通過上述方向的持續(xù)研究，光纖光柵傳感技術(shù)有望在航空發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用，為航空安全保障與智能化運維提供有力支撐。

綜上所述，光纖光柵傳感技術(shù)憑借其本征安全性、抗電磁干擾、分布式測量以及與結(jié)構(gòu)的良好相容性，在航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子溫度-應(yīng)變復(fù)合信號測量方面展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢。本研究搭建的實驗系統(tǒng)與提出的信號處理方法，為實現(xiàn)極端工況下旋轉(zhuǎn)部件的狀態(tài)監(jiān)測提供了有效方案，相關(guān)成果可為航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與疲勞壽命預(yù)測研究提供參考。

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