实验室规模下基于集成FBG技术的航空燃料替代品液位、密度及温度监测

《Optical Fiber Technology》：Laboratory-scale integrated FBG sensing of liquid level, density, and temperature in an aviation-fuel substitute

　　摘要：本研究提出了一种实验室规模的纤维布拉格光栅传感架构，用于同步测量作为航空燃料替代品的斯托达德溶剂中的液位、密度和温度。通过有限元分析对所选的隔膜结构及光纤布局进行了评估，该模型用于计算机械位移，而光学响应则通过波长校准来确定。在受控的实验室条件下，该传感器在20–350毫米范围内的液位灵敏度为3.84皮米/毫米，在10–65摄氏度范围内的温度灵敏度为22.30皮米/摄氏度。对于单次下降液位校准序列，其均方根误差、平均绝对误差和决定系数分别为0.77毫米、0.64毫米和0.9999。这些结果展示了用于液位和温度测量以及初步密度估算的实验室级集成传感方案。

引言：随着航空业的快速发展，对飞机安全性和运行效率的要求也在不断上升[1][2][3]。在飞行过程中，燃油管理是影响飞行安全、效率及成本的关键因素之一。燃油系统不仅为发动机提供燃料，还起到维持飞机平衡、控制飞行距离以及进行故障诊断的作用。因此，精确监测燃油的液位、密度和温度已成为航空电子设备中不可或缺的部分。尽管传统的燃油传感技术已取得显著进展，但它们仍面临诸多挑战，如测量精度、响应速度、传感器尺寸、耐用性以及环境适应性，尤其是在极端环境下，传统传感器往往难以保持可靠性和精确度[4][5][6][7][8][9]。因此，开发一种适用于极端环境的高灵敏度、高可靠性燃油传感器具有重要的实际意义（见表1）。

近年来，由于具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀以及高灵敏度等固有优势，纤维布拉格光栅技术已被广泛应用于各种传感领域[10][11][12][13][14]。在航空领域，FBG技术为克服传统传感器的缺陷提供了新途径。具体而言，FBG传感器可通过检测FBG反射波长的变化，精准感知温度、应变和压力等环境参数的变化。此外，FBG传感器还能实现多参数的同步测量，这对于实时监测飞机燃油系统具有重要意义[15][16][17][18]。

同时监测液位、密度和温度有助于未来的燃油管理研究，因为这些参数共同影响着燃油量的估算和热补偿效果[19][20][21][22][23][24]。然而，运行中的飞机的性能要求和环境条件要比实验室环境苛刻得多[25][26][27][28][29][30][31][32][33]。因此，本研究在受控条件下评估了一种集成传感方案（见图1、图2）。

传统的液位测量方法可能采用电容式、浮子式或超声波式，而密度则可通过比重计或差压仪表来测定，温度则通常使用热电偶或电阻传感器进行测量[34][35][36][37][38][39]。每种方法在安装、校准、电磁兼容性、运动部件以及响应速度等方面都存在特定于应用场景的优缺点。这些因素促使人们研究被动光学传感技术，但这并不能证明本原型就优于现有的航空专用仪器。

FBG传感技术具有被动光学探测、波长复用以及光信号路径对电磁干扰的天然免疫能力[45][46][47]。这些优点使得人们考虑将FBG技术用于液体监测的集成系统中。不过，实际应用于燃油系统还取决于封装方式、密封性能、温度补偿、机械性能测试、校准可追溯性以及长期稳定性，而这些方面仅凭光学传感原理是无法确定的。

本研究的目的是设计并评估一种用于监测燃油液位、密度和温度的集成FBG传感架构。通过有限元分析研究了所选隔膜几何结构的机械响应特性，同时通过实验室实验确定了液位和温度的波长灵敏度，并验证了密度计算方法的可行性。目前的研究结果仅限于在实验室中对燃油替代品进行的测试，尚未在飞机振动、液体晃动、加速度、温度循环或长期使用条件下进行验证。

因此，本研究应被视为一种实验室概念验证，旨在展示如何将两个压力敏感型FBG单元与一个温度敏感型FBG单元相结合。其主要贡献在于实现了紧凑型的多参数传感架构以及基于压力差的密度计算方法。在实际应用于飞机之前，还需要进行独立的密度参考标准设定、针对特定传感器的温度校准、多次重复测量以及符合航空环境要求的性能测试。

章节摘录：

纤维光栅传感原理：FBG是通过在光纤芯中刻制周期性折射率调制结构而形成的。这种调制通常是通过紫外线激光照射实现的，从而在光纤内部形成折射率周期性变化的区域。从数学上讲，这种周期性变化可表示为：nz = no + Δn·cos(2πΛz)，其中no为平均折射率，Δn为折射率调制的幅度，Λ为调制周期。

宽频光透过时……

关键传感器参数选择：假设传感器主体、刚性核心以及毛细管的变形程度远小于隔膜的变形，且隔膜的尺寸已根据传感器制造工艺的要求设计为最小可能值。不过，由于液位或气压变化等外部因素的影响，隔膜仍会发生变形，进而直接影响传感器的灵敏度和测量范围。因此，隔膜的有效半径r和厚度t是至关重要的结构参数……

液位测量实验及结果分析：图8(a)展示了实验室液位校准装置，包括传感器、FBG探测仪以及装有斯托达德溶剂的刻度容器。所使用的两个压力传感器均采用厚度为0.2毫米、有效半径为30毫米的隔膜。实验在受控的温度和压力条件下检测了光学波长响应，但并未模拟飞机飞行时的振动、液体晃动、加速度情况或真实燃油环境下的条件。实验采用了单次下降液位校准流程。

讨论：所提出的FBG架构在紧凑的实验室原型中集成了两个压力传感单元和一个温度传感单元。实验结果表明，该传感器在斯托达德溶剂中的液位响应率为3.84皮米/毫米，温度响应率为22.30皮米/摄氏度，同时还能实现初步的压力差密度计算。光学探测方式具有天然的电磁干扰免疫能力，但目前的实验尚未验证其在飞机实际使用环境中的抗干扰能力、可靠性以及响应时间……

结论：本研究证明了在实验室环境中，将两个隔膜耦合式压力FBG单元与一个温度FBG单元结合使用，用于监测斯托达德溶剂中的液位、密度和温度是可行的。实验测得的液位和温度灵敏度分别为3.84皮米/毫米和22.30皮米/摄氏度。液位数据基于一次下降式校准序列，而密度数据则是在以0.780克/立方厘米为基准的短暂稳定区间内获得的，尚无更多数据……

致谢：Hongli Li负责原文撰写；Xiaolong Leng负责初稿编辑；Gang Xu负责资源协调；S.V. Prabhakar Vattikuti负责数据整理；Xin Gui负责资源支持；Zhengying Li负责正式分析。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

作者名单：Hongli Li | Xiaolong Leng | Gang Xu | S.V. Prabhakar Vattikuti | Xin Gui | Zhengying Li

单位：中国武汉理工大学信息工程学院，武汉430070