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光纤传感器在飞机上的应用
吴剑秋 郭汉堂 吕伯平
（河南省信阳空军第一航空学院）
1.前言
近年来, 光纤传感器已在飞机飞行控制系统中得到一定程度的应用。特别是现代数字电子式飞机飞行控制系统发展以来, 给光纤传感器及其系统的应用提供了广阔的前景。目前, 光传飞行控制系统正在研制, 该系统围绕一个中央电子计算机建立起来, 中央电子计算机含有用于光纤传感器的光电接口电路, 该电路有若干通用的多种传输接口, 连接多组传感器, 用于检测高温、低温、速度和流量、振动、压力和机械位移等。目前可以提供上述检测功能的光纤传感器有：连续波强度调制器、时间分割多路传输（TDM）数字光码板、TDM模拟自参考传感器、波长分割多路传输（WDM）数字光码板、模拟自参考强度调制器、模拟光谱移动器、自发光体、相干光干涉仪和远距离的电气传感器等。接口电路的特点是, 一个通用的光电接口与一组功能类似的传感器阵列连接, 标准化的接口通过积木化设计的单个电路卡, 多路传输被测参数的一组测量值, 因而减小了接口输人端和输出端的尺寸和重量。

2.光纤传感器系统的应用
在飞行控制系统中, 目前最有发展前景的光纤传感器系统的类型有：时间分割多路传输型（TDM）、波长分割多路传输型（WDM）和相干频率调制载波型（FMCW）。
时间分割多路传输传感器系统是一个将空间分布的传感器阵列连接到一条数据母线上的复用系统。该系统的时间分割多路传输接口用于读远距离的数字光码板, 复现光码
板的信息, 变为数字输出码送给处理器。如图1所示, 由一个单个的发光二极管（LED）产生一个短促的光脉冲, 去读远距离的传感器。远距离的传感器根据被测物理量的大小把脉冲分成若干部分, 各部分被延迟不同的时间, 作为光代码里的一位合成到一个回路上。接口内光学接收机读出光码板上光脉冲的信息, 由光电二极管检测, 并通过电子电路处理, 把脉冲串转换成并行的数字码输给中央计算机。该系统的特点是明显减少了连接若干传感器的光纤数目和连接点数目。
图1 时间分割多路传输传感器系统

波长分割多路传输传感器系统和相干频率调制载波传感器系统是正交传输的局部多路传输传感器系统, 即用单点光纤传感器来测量多个物理量。
在波长分割多路传输传感器系统中, 见图2, 波长分割多路传输接口内的发光二极管阵列用一个宽频带光谱辐射远距离的传感器, 远距离的传感器根据被测物理量的大小把光谱滤成若干分量, 每个分量作为光代码里的一位, 照射光码板上的一道轨迹, 各个轨迹的光谱信息合成到一个回路上, 接口内光学接收机接收返回的宽频带光谱, 用一个光电二极管阵列色散光谱, 并通过电子电路检测光谱能量, 进行处理, 产生数字输出信号。
图2 波长分割多路传输传感器系统

频率调制载波技术的多路传输是由使用光外差接收机的相干光接口来保证的。见图3,接口内有一个颜率扫描连续波激光源, 通过一个输人/输出藕合器辐射一个传感器探针, 传感器探针根据被测参数（如：位置）调制反射的光场, 接口内接收机接收反射的探针光场, 与接收机内一个基准场结合, 以基准场的偏置频率产生一个外差信号接收机由一个具有低噪互阻抗放大器的高速光电二极管和一个分离外差频率的带通滤波器组成接收机的输出信号是一个正弦电压载波, 它具有与探针返回光场成正比的振幅和相位。
图3 相干频率调制载波传感器系统

3.展望
在评价光纤传感器在飞机上应用的同时, 我们认为, 一个光纤传感器系统或许到本世纪末还不会出现在一个实际飞行控制系统内回顾航空航天系统工程的历程, 八十年代的大多数时间被用于传感器概念的探索研究, 目前的计划较集中在光纤控制系统的论证。满尺度开发研制以光纤为基础的系统, 预计在侧洲2000年以前不会完成.
在研制光纤传感器系统的同时, 必须考虑光电元件的研制, 以满足飞机控制系统内光电结构的尺寸和环境要求，光源的研制应该考虑到：光能的增加、给WDM系统提供更宽的光谱及能在125℃ 温度下工作的激光器.此外, 需要在控制盒内部制造光电接口,最大限度地利用光电混合组件和单片集成电路阵列, 减轻电气和机械设计光学元件的性能（如光能级、光谱特性、噪声级、光损耗和故障率）在使用环境内必须得到保持尤其是光电结构所使用的典型性能, 在使用寿命（一般大约10000h）和使用环境范围内需要保持如下条件：光源功率漂移不能超过3的B；光谱漂移不能超50mm；过接收机噪声级漂移不能超过1dB；光线线路损耗不能超过3dB；接口电路的故障率必须小于4*10-6/h。
随着科学技术的发展, 许多高性能的光电元件及光纤传感器系统必将研制出来, 飞机控制系统的性能将得到更大改善