基于分布式光纖光柵碳纖維復合材料的飛機火警定位

王 獻,伊重瑾,楊 勇

(1.武漢市消防救援支隊,湖北 武漢 430021;2.武漢理工大學 光纖傳感技術與網絡國家工程研究中心,湖北 武漢 430070)

飛機飛行安全是航空工業和民航領域的核心關注點,旨在確保飛機在各種條件下的飛行中最大程度降低事故風險,飛機火災事故的發生概率相對較低,但是火災一旦發生,其后果可能非常嚴重。因此飛機火災報警系統是飛機上十分重要的安全設備,用于檢測和報警飛機上可能發生的火災或煙霧事件。該類系統經過研究和設計,能確保對火災和煙霧的及時檢測和報警,這些技術包括光電探測、離子化煙霧探測、紅外探測等[1-2]。其中,光纖光柵傳感器作為一種高效的火災報警裝置具有體積小、重量輕、反應迅速靈敏度高等優點。光纖光柵傳感的基本原理是利用光纖光柵有效折射率和光柵周期對外界參量的敏感特性,通過檢測光柵反射的中心波長移動實現對外界參量的測量。光纖光柵器件在飛機火災報警系統中可用于溫度監測和火源檢測,預防潛在的火災或高溫事件的發生。在發現異常情況時立即發出警報,為乘客和機組人員提供更安全的飛行環境[3-4]。

傳統光纖光柵傳感技術對熱源位置的檢測并不精確,在大面積區域出現火情時無法快速確定火源位置,需要對其進行優化?；鹪炊ㄎ患夹g是飛機火災報警的關鍵一環,這對于及早采取適當的滅火措施、減小火災造成的損失和確保人員安全非常重要。由于飛機的組成結構上采用了大量的復合材料,通常包括纖維材料(如碳纖維、玻璃纖維)和基體材料(如聚合物樹脂)[5-6],需要對光纖光柵在該類材料上的性能進行研究。復合材料具有輕量化、強度高剛度高、抗腐蝕、設計自由度廣、疲勞性能良好等優點而被廣泛用于飛機結構的各個部分,包括機翼、尾翼、機身、艙壁、襟翼等。因此,在實驗研究當中,采用了碳纖維板模擬機翼板材,設計在碳纖維板上光纖光柵火源定位系統。

基于光纖光柵傳感技術的火源定位實際流程包括:①傳感器部署,在需要進行火源定位的區域內,沿著關鍵部位或結構周邊布置光纖光柵傳感器。②數據采集,光纖光柵傳感器通過監測光纖中的光信號變化來捕捉環境參數的變化,如溫度、應變、壓力等。當火源附近的參數發生變化時,傳感器會記錄這些數據。③數據傳輸,傳感器數據被傳輸到中央數據處理單元,可以通過光纖連接或無線通信實現,數據傳輸是實時的,以便及時分析和響應。④數據分析,中央數據處理單元會對傳感器數據進行分析,以確定哪些傳感器受到了火源附近參數的影響,這些數據可以與傳感器的位置信息相結合。⑤火源定位算法,使用專門的火源定位算法來處理數據,以確定火源的位置。⑥警報和應急響應,一旦確定了火源的位置,系統可以發出警報,啟動火災應急響應措施,如滅火系統的激活、警報的發出或疏散程序的啟動[7-10]?？偟膩碚f,實時定位的分布式光纖光柵傳感器的應用有助于確保飛機的結構和系統處于良好的工作狀態,減少了熱問題可能造成的風險。同時,它還可以提高飛機的可靠性,并降低維護成本,對可能出現的問題事先做好診斷和修復?；诠饫w光柵傳感技術的復合材料火源定位方法具有高精度和實時性的優點,適用于航空安全領域中精確定位火源的關鍵應用。

1 分布式光柵定位熱源的理論分析

為了在飛機機翼精準測得著火點位置,不同于在光纖線路上進行一維傳感[11-13],設計了一種基于光纖光柵溫度傳感的多點位二維平面上的測溫裝置。在機翼內部的蒙皮材料上附著分布式光柵,為了模擬飛機上的復合材料,將使用碳纖維板作為替代,其具有各方向導熱均勻,熱導系數穩定等優點,如圖1(a)所示。在該板材上搭建了實驗裝置,在厚度為5 mm的準各向同性碳纖維板上固定了一段U型光纖,如圖1(b)所示。其中,U型光纖上分布有6段柵區長度均為10 mm的切趾光纖Bragg光柵。室溫條件下,各光柵的峰值波長分別為1 540.174 nm、1 544.783 nm、1 550.249 nm、1 544.870 nm、1 560.118 nm和1 565.063 nm,6段光柵邊緣的間距均為60 mm。如圖1(c)所示,在該裝置的下方設置了由直流電源控制的可加熱銅棒作為模擬火源。通過改變加熱銅棒在板下的位置可以測試該裝置對火源的定位效果。

圖1 光柵陣列示意圖

1.1 光纖Bragg光柵測溫原理

(1)

對于二氧化硅制備的光柵,在不考慮外界其他因素影響時,根據光纖Bragg光柵的光柵方程λB=2neffΛ可得光纖光柵的溫度靈敏度系數:

(2)

式中:ΔT為溫度的變化量;αn為熱光系數;αΛ為線性熱膨脹系數?？梢园l現波長的變化量與溫度的變化線性相關,通過程序擬合得到的峰值波長能根據上式解得此時光柵柵區對應的溫度。

1.2 分布式光柵定位熱源原理

實驗通過分布式光柵對溫度的響應反推出熱源的位置,因此還需要確定導熱板材上溫度的分布情況,溫度最高的位置即為熱源。首先要確定各點的坐標位置,如圖2所示。將碳纖維板的底邊作為x軸,底邊中點為原點,并作出相應的y軸。裝置中6段實驗光柵由波長從小到大標號為1、2、3、4、5、6,它們的中點坐標分別為(7.5,3)、(7.5,10)、(3.5,15)、(-3.5,15)、(-7.5,10)、(-7.5,3)。

圖2 裝置坐標圖

在這樣一塊碳纖維板下表面放置的熱源是溫度固定但位置不確定的。求出不同位置熱源和各光柵之間的距離,得到的值若與光柵溫度呈固定的函數關系,就可以解出熱源坐標,實現定位功能。

將碳纖維板的導熱系統看成是一個圓柱,圓柱上表面圓心處即為著火點,坐標為(x,y),圓柱上表面半徑為r,此處溫度為t,面積A=πr2,根據傅里葉定律,熱流量可以表示為:

(3)

式中:λ為碳纖維板的導熱系數,由于銅加熱棒的功率固定,這里的Φ設置為一定值。將該式積分并根據邊值條件r→∞,t=23 ℃可以解得溫度隨半徑變化的關系式:

(4)

因此可以根據光柵的溫度得到光柵到著火點的距離r。設1號光柵和2號光柵的坐標分別為(x1,y1),(x2,y2),他們到著火點的距離為r1,r2,根據式(5)可解得(x,y),實現定位的目的,六點位光柵能測得多組數據減小誤差。

(5)

2 實驗的設計與驗證

2.1 光纖Bragg光柵測溫曲線的標定

由于實驗中的Bragg光柵溫度靈敏系數并不確定,需要通過標準測溫光柵測量6段實驗光柵的溫度變化。已知測溫光柵在的室溫下的波長為1 550.156 nm,測溫光柵的溫度系數為10 pm/℃,將這樣的測溫光柵依次與6段實驗光柵放在同一位置。根據式(1),用軟件擬合得到的反射曲線如圖3所示,可以讀出對應的峰值波長,得到第三段光柵對應的溫度和峰值波長如表1所示,繪制圖4,計算出斜率k=10 pm/℃,即為實驗裝置中3號光柵的溫度系數。再對其他5段光柵進行測量,溫度系數的結果一致,均為10 pm/℃,這樣便確定了光柵反射譜中心波長和光柵柵區溫度的關系。

表1 3號光柵峰值波長和溫度的關系表

圖3 3號光柵波長在不同溫度下的反射率

圖4 3號光柵峰值波長隨溫度的變化圖

2.2 利用定位裝置確定著火點坐標

確定好實驗中6段光柵的測溫曲線后即可進行下一步實驗。在碳纖維板的底部選取了a、b、c、d、e、f共6個點模擬火源位置,見圖2中圓點,坐標分別為(0,7.5)、(-2.5,7.5)、(2.5,7.5)、(2.5,5)、(0,5)、(0,-2.5)。同一功率的加熱銅棒依次放置在這6個點位,即可以測得同一溫度不同位置熱源條件下給6段光柵帶來的波長漂移。

實驗結果如圖5所示,利用python依據式(1)對測溫曲線進行擬合可以得到各段光柵的峰值波長,將相應的波長代入式(2)中可解得每段光柵對應的溫度。峰值波長、溫度與光柵到熱源的距離如表2所示。

表2 各段光柵峰值波長、溫度距離的關系表

圖5 各點位光纖波長與反射率的關系圖

由于加熱銅棒輸出功率固定,這里的熱流量Φ為一定值,碳纖維板的導熱系數也為定值,因此Φ/λ應當為一常數。根據式(4),將6段光柵溫度與距熱源距離作圖并擬合可得圖6,6組擬合曲線的Φ/λ值如表3所示,可以發現它們近乎為一定值,對6者求平均得到Φ/λ=41.155 5 ℃/cm,該系統光柵溫度-熱源距離關系式即可確定為:

表3 各段光柵Φ/λ系數表

圖6 熱源距離與光柵溫度的關系圖

(6)

式(6)即為碳纖維板上的溫度分布。因此,通過兩段光柵峰值波長的變化就能反推出熱源的精確坐標,多段光柵的組合也進一步提高了系統的定位精度。

將光柵的溫度數據代入式(6)可得不同光柵與火源的距離,在該過程中去除兩組與其他組別相差明顯的數據后,剩下的4組數據兩兩組合;再根據式(5)求得坐標,如表4所示。

表4 各點推算坐標

根據結果可以發現火源實際坐標與推算坐標之間的誤差小于5 mm。利用光矢量分析儀可以在1 s內將波長數據進行記錄,隨后經程序計算能在1 s內確定著火點坐標。

3 結論

(1)為了在復合材料板材上精確定位著火點,筆者設計了一種分布式光纖光柵測溫裝置,理論分析了該裝置的可行性并進行了實驗驗證。

(2)實驗上制備并組建了該裝置,在一根光纖上刻蝕出6段峰值波長不同但柵區長度、邊緣間距相等的光柵,將這樣的光纖光柵以U形粘連在復合碳纖維板上即可實現對熱源的定位。

(3)由于光纖光柵波長隨溫度線性變化,碳纖維板上的溫度分布和熱源距離又具有固定的函數關系,因此,基于光柵反射譜的峰值波長能夠得到該光柵柵區到熱源之間的距離。通過6組光柵中心波長的變化求解出距離能夠精確地反推出熱源坐標,即著火點的位置。

(4)后續進行的實驗對光柵陣列中的6個點位進行了測試,通過每段光柵不同的波長信息推導出了柵區溫度與兩點間距離的關系式。將數據帶入進行驗證,可在5 mm誤差的范圍內推導出著火點的坐標,整個系統具有較短的響應時間。