CN105841841A

CN105841841A - 一种飞机表面温度检测系统

Info

Publication number: CN105841841A
Application number: CN201610214044.3A
Authority: CN
Inventors: 杨林
Original assignee: Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC
Current assignee: Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2016-08-10

Abstract

本发明公开了一种飞机表面温度检测系统，涉及飞机温度检测技术领域。所述机表面温度检测系统包含蒙皮、单模光纤、多模光纤、中空管、激光器及光电偶合器；其中，单模光纤的一端连接激光器；多模光纤的一端连接光电偶合器；中空管埋置在所述蒙皮内部，所述单模光纤的另一端与多模光纤的另一端设置在所述中空管内，所述单模光纤与多模光纤的端面与中空管形成封闭空腔，在所述封闭空腔内，所述单模光纤与多模光纤的端面平行，且端面贴有高反射膜；所述激光器发射的光信号经过单模光纤后，先经过所述封闭空腔，再经过多模光纤进入光电偶合器。本发明的优点在于：有助于减轻飞行器重量，节省空间，简化设计；有利于飞机的隐身与抗电磁干扰。

Description

一种飞机表面温度检测系统

技术领域

本发明涉及飞机温度检测技术领域，具体涉及一种飞机表面温度检测系统。

背景技术

传统的设计概念中蒙皮只是满足气动、强度等要求的构造结构，需要加装传感器测量表面温度时就在蒙皮上凿孔，带来不必要的结构等各类损失，集成水平低。

未来战争日趋复杂多变，多维战场环境日益严峻且相互渗透，对武器装备生存能力的要求越来越高；另一方面，军用飞行器的设计也日趋复杂化、集成化、多功能多用途化。这两者对空间有限的空中武器平台的设计工作构成了相当的挑战，而智能蒙皮概念的出现以及新型光导器件在其上的应用为这一难题提供了一个理想的解决方案。

智能蒙皮是20世纪70年代由美国空军提出的新技术构想，指在航天器、军舰、潜艇的外壳内植入智能结构，包括探测元件、微处理控制系统和驱动元件，可用于监视、预警、隐身和通信等目的。80年代末，法国国家航空空间研究院、泰勒斯公司和达索将智能蒙皮概念与共型天线、分布式孔径天线、光纤技术等相结合，指出未来军用飞行器的设计将因智能蒙皮的出现而发生根本性变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞机表面温度检测系统，利用智能蒙皮检测飞机表面的温度，以解决或至少减轻背景技术中所出现的至少一处的问题。

本发明的技术方案是：提供一种飞机表面温度检测系统，包含蒙皮、单模光纤、多模光纤、中空管、激光器及光电偶合器；其中，所述单模光纤的一端连接激光器；所述多模光纤的一端连接光电偶合器；所述中空管埋置在所述蒙皮内部，所述单模光纤的另一端与所述多模光纤的另一端设置在所述中空管内，所述单模光纤与所述多模光纤的端面与所述中空管形成封闭空腔，在所述封闭空腔内，所述单模光纤与所述多模光纤的端面平行，且端面贴有高反射膜；所述激光器发射的光信号经过单模光纤后，先经过所述封闭空腔，再经过多模光纤进入光电偶合器。

优选地，所述中空管采用玻璃材料制作。

优选地，所述中空管的外部与所述蒙皮的接触面为弧面。

优选地，所述中空管的两端与所述单模光纤和多模光纤接触面之间设置有密封胶。

优选地，在所述蒙皮内沿曲线设置有多个由所述单模光纤、多模光纤及中空管构成的组件。

本发明的优点在于：本发明的飞机表面温度检测系统有助于减轻飞行器重量，节省空间，简化设计。传统的设计概念中蒙皮只是满足气动、强度等要求的构造结构，需要加装传感器检测飞机表面温度时就在蒙皮上凿孔，带来不必要的结构等各类损失，集成水平低。使用本发明的检测系统有利于使设计的新型飞机节省重量与空间，设计简化。而将各类光纤器件用作蒙皮内的传感器和数据传输系统，更能发挥光纤质量轻、体积小的优势，节省了普通电缆连接和信息集中处理所占据的空间，省去了大量导线、电缆、屏蔽线。

有利于信号的发射、接收与处理。很多结构表面在这种情况下对各种射频信号来说是透明的，或者具有可控属性以方便信号发射和接收。由于采用分布式设计，例如用一根光纤测量机构上空间无限多自由度的参数分布，天线和传感器分布可覆盖75％的飞机蒙皮，可以提供从几兆赫到光频范围的孔径。围绕机体大量分布的天线可以在飞机周围形成球形搜索区域，减少了对外挂吊舱的需求。另外，基于光纤的智能蒙皮具有高效的复用能力，包括波分、空分、频分复用，可以大大提高计算于处理速度。

有利于飞机的隐身与抗电磁干扰。信息在光纤等光器件内传播，天然具有抗电磁干扰、抗(核)电磁脉冲的能力，光信息本身根本不会与电磁场产生作用，因此具有很强的抗主动/被动干扰能力。而且，在现有飞机上，红外和激光旋转平台、天线，甚至控制面的凸出物，都增强了飞机的信号特征，使敌方传感器很容易探测到。智能蒙皮在不失去所需功能的同时可以大面积覆盖飞机的外部特征信息，以反捕捉、识别和跟踪，实现隐身。

有助于提高飞行器飞行性能。光纤器件测量灵敏度高、传输频率带宽宽。光纤器件组成的传感网络与计算机相连，可对飞行器的参量进行实时测量，借助与执行系统联动，动态调整飞行器状态，以获得最佳飞行性能。待测量参量会调制光纤中的传输光，通过调解可获知光纤周围任一点的待测量的情况。根据不同的飞行条件改变机翼形状参数如机翼的弦高、翼展方向的弯曲和机翼厚度，采用最优化算法，使机翼能增加升阻比、改进机动操作能力、提升空气动力学能力、延迟在机翼的空气流动分离。

有助于提高飞行器的可靠性。采用蒙皮和嵌入光纤，感知飞机的温度，并对此做出反应。可以利用这些信息进行损伤和故障评定，从而判断飞机是否达到结构强度的极限，记录结构强度变化情况。

激光器的连接端采用单模光纤，单模光纤只允许单一模式的一束光在其中传播，精度高色散小，光电耦合器端采用多模光纤，多模光纤允许多种模式的光束同时传播，与光器件易于耦合。

附图说明

图1是本发明一实施例的飞机表面温度检测系统的示意图。

图2是本发明一实施例的飞机表面温度检测系统的原理图。

其中，1-蒙皮，2-单模光纤，3-多模光纤，4-中空管，5-封闭空腔。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

智能蒙皮的定义即是将探测元件、驱动元件和微处理控制系统等在电、磁、热、机械运动、光、声、流变特性等之间存在耦合作用，可以完成动作和传感两大功能的结构与单元与基体材料相融合，形成的具有识别、分析、判断、动作等功能的一种新型结构，超越了传统蒙皮在承受局部气动载荷、维持机翼气动外形、保护内部器件等的功能局限；而灵巧蒙皮除有上述功能外，还具有强化隐身、减震降噪、感知机体与外界参数、接收发送信号、以及减轻载重等作用，是一种基于光纤器件的智能蒙皮。

光纤技术由于自身众多的优点极为有效地促进了智能蒙皮的发展，光纤传感器灵敏度高，结构简单，动态范围大，本发明的技术则是利用光纤嵌入蒙皮内部，通过蒙皮的变化来检测飞机表面的温度。

光纤的分布式技术与光纤传感原理相结合，将传感光纤沿被测场分布，对被测场的空间和时间行为进行实时监测，分析后向散射光的分布变化；其中，拉曼散射光可度量温度变化，布里渊散射光可度量温度和压力变化。本实施例为分布式温度传感方案。分布式技术中，光纤既是传输媒介又是传感单元，系统中结合波分复用技术，在波分复用或时分复用的情况下，多个传感光纤只需一根光线数据总线，在实现全光网络抗干扰的同时对物理量分布式测量。光电检测器将包含实时温度信息的的光信号从噪声中提取并解调分析得到所需参量；测量光纤中光波传播速度与后向光时间间隔，可对发生变化的点进行定位。

本发明的传感原理是：如附图2所示，基于一对平行放置的高反射薄膜，其反射率R₁、R₂接近等于1，折射率设为T₁、T₂，且其内部反射面与理想几何平面的平滑度偏差不超过1/20波长。两薄膜之间的空间形成腔体，即F-P腔，腔长为L，腔内介质折射率为n，入射光为I_i,F-P腔输出的反射光强与透射光强分别为I_R和I_T。根据光学原理可以得到，F-P腔的总体反射率R_FP与折射率T_FP分别满足下式：

\{\begin{matrix} R_{F P} = \frac{R_{1} + R_{2} + 2 \sqrt{R_{1} R_{2}} \cos θ}{1 + R_{1} + R_{2} + 2 \sqrt{R_{1} R_{2}} \cos θ} \\ T_{F P} = \frac{T_{1} T_{2}}{1 + R_{1} + R_{2} + 2 \sqrt{R_{1} R_{2}} \cos θ} \end{matrix}

其中，θ＝4πnL/λ,为经过F-P腔往返一次产生的相位移，由于R₁≈R₂＝R，且按照经典的多光束干涉原理，可得到F-P腔输出的反射光强与透射光强分别为：

\{\begin{matrix} I_{R} = \frac{2 R (1 - \cos \frac{4 π n L}{2 λ})}{1 + R^{2} - 2 R \cos \frac{4 π n L}{2 λ}} I_{i} \\ I_{T} = \frac{{(1 - R)}^{2}}{1 + R^{2} - 2 R \cos \frac{4 π n L}{2 λ}} I_{i} \end{matrix}

从此式可知，当入射光波长λ与强度I_i一定时，F-P腔腔长L是输出光强与腔内介质折射率的函数；因此，我们可以通过测量光纤输出的光强度的变化，进而通过计算处理收集到的光强变化即可得到所需的感知情况。

在本实施例中，如图1所示，一种飞机表面温度检测系统，包含蒙皮1、单模光纤2、多模光纤3、中空管4、激光器及光电偶合器；其中，单模光纤2的一端连接激光器；多模光纤3的一端连接光电偶合器；中空管4埋置在蒙皮1内部，单模光纤2的另一端与多模光纤3的另一端设置在中空管4内，单模光纤2与多模光纤3的端面与中空管4形成封闭空腔5，在封闭空腔5内，单模光纤2与多模光纤3的端面平行，且端面贴有高反射膜；激光器发射的光信号经过单模光纤2后，先经过封闭空腔5，再经过多模光纤3进入光电偶合器。

在本实施例中，采用单模光纤2连接激光器，单模光纤2只允许单一模式的一束光在其中传播，精度高色散小，多模光纤3连接光电耦合器，多模光纤3允许多种模式的光束同时传播，与光器件易于耦合。因此在封闭空腔5的两端，入射端接单模光纤2进行精密测量，出射端接多模光纤3引导分布在不同位置的封闭空腔传感器的光束合并为一路光在其中同时传输，最终为光电探测器接收并分别进行分析。

在本实施例中，中空管4采用玻璃材料制作。其优点在于，玻璃的导热性能较好，通过磨具可以更具需要铸造成不同的结构形状。

可以理解的是，中空管4还可以采用钢制作，其优点在于，钢的强度较好，单模光纤2与多模光纤3的连接端不易折断。

在本实施例中，中空管4的外部与蒙皮1的接触面为弧面，中空管4的外形平滑过渡，没有任何棱边及尖点，容易与蒙皮1结合，且不会对蒙皮1造成损伤。

在本实施例中，中空管4的两端与单模光纤2和多模光纤3接触面之间设置有密封胶，有利于提高密封空腔5的封闭性，以提高测量精度。

在本实施例中，在所述蒙皮1内沿曲线设置有多个由所述单模光纤2、多模光纤3及中空管4构成的组件。采用多点分布式测量，测量范围广，测量精度高。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种飞机表面温度检测系统，其特征在于：包含蒙皮(1)、单模光纤(2)、多模光纤(3)、中空管(4)、激光器及光电偶合器；其中，所述单模光纤(2)的一端连接激光器；所述多模光纤(3)的一端连接光电偶合器；所述中空管(4)埋置在所述蒙皮(1)内部，所述单模光纤(2)的另一端与所述多模光纤(3)的另一端设置在所述中空管(4)内，所述单模光纤(2)与所述多模光纤(3)的端面与所述中空管(4)形成封闭空腔(5)，在所述封闭空腔(5)内，所述单模光纤(2)与所述多模光纤(3)的端面平行，且端面贴有高反射膜；所述激光器发射的光信号经过单模光纤(2)后，先经过所述封闭空腔(5)，再经过多模光纤(3)进入光电偶合器。

2.如权利要求1所述的飞机表面温度检测系统，其特征在于：所述中空管(4)采用玻璃材料制作。

3.如权利要求1所述的飞机表面温度检测系统，其特征在于：所述中空管(4)的外部与所述蒙皮的接触面为弧面。

4.如权利要求3所述的飞机表面温度检测系统，其特征在于：所述中空管(4)的两端与所述单模光纤(2)和多模光纤(3)接触面之间设置有密封胶。

5.如权利要求1所述的飞机表面温度检测系统，其特征在于：在所述蒙皮(1)内沿曲线设置有多个由所述单模光纤(2)、多模光纤(3)及中空管(4)构成的组件。