Seuraava sukupolvi Aerospace Sensing: Fiber Optic Transducers

Ilmailu- ja avaruusteollisuus vaatii sensoreita, jotka ovat paitsi tarkkoja myös kestäviä, kevyitä ja immuuneja nykyaikaisen ilma-aluksen ja avaruusaluksen sähkömagneettiselle kaaokselle. Kuituoptiset antureja on syntynyt kulmakiviteknologiaksi vastaamaan näihin vaatimuksiin. Koodaamalla tietoja valossa sähkösignaalien sijaan nämä laitteet sivuavat monia perinteisiin elektronisiin sensoreihin liittyviä luotettavuuskysymyksiä. Viimeaikaiset läpimurrot materiaalitieteessä, fotoniikassa ja mikrofabrikaatiossa ovat nopeasti työntämässä kuituoptisten transduktorien suorituskykyä, tehden niistä välttämättömiä rakenteelliselle terveyden seurannalle, moottorin hallinnalle ja lennonohjaukselle. Tässä artikkelissa tarkastellaan viimeisimpiä edistysaskeleita, erityisiä ilmailusovelluksia ja tämän kriittisen teknologian lentorataa.

Perustiedot kuitu optinen muuntaminen

Niiden ydin, kuitu optinen muuntimet muuntaa fyysinen parametri. Esimerkiksi kanta, lämpötila, tai paine. modulaatio valo kulkee läpi optinen kuitu. Yhteiset aistinvarainen menetelmät sisältävät kuitu Bragg Gratings (Frances), Fabry-Pérot interferometry, ja Brillouin scattering. Frances, esimerkiksi heijastella erityinen aallonpituutta valon, joka siirtyy reagoimaan jännitystä tai lämpötilan muutoksia. Tämä luontainen riippuvuus valo tarjoaa useita sisäisiä etuja: immuniteetti sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), korkea kaistanleveys, ja kyky monitoimisen anturit pitkin yksi kuitu. Ilma- ja ilma-alusten ympäristössä, jossa salama iskee, tutkapäästöt, ja korkea-jännite laitteet ovat rutiininomaisia, tämä sähkömagneettisen häiriön on peli-vaihtaja. Passiivinen, dielektrinen luonne optisia kuituja myös vähentää riskiä kipinä polttoainerikas vyöhykkeissä, kriittinen turvallisuus ominaisuus ilma-alusten moottoreihin ja polttoainesäiliöt.

Viimeaikaiset teknologiset läpimurrot

Viime vuosikymmenen aikana on nähty innovaation aalto, jonka tavoitteena on voittaa perinteiset kuitujen optisten antureiden rajoitukset, kuten ristiherkkyys ja hauraus. Nämä edistysaskeleet mahdollistavat ilmailu- ja avaruusinsinöörien ottaa käyttöön kuituoptiset antureita rooleissaan, kun ne on varattu raskaammille, vähemmän luotettaville vaihtoehdoille.

Ultra-korkea herkkyys ja resoluutio

Nykyaikainen kuidun optiikkaanturit voivat nyt ratkaista alananometrin siirtymiä ja miljikkelilvinin lämpötilan muutoksia. Tämä herkkyyshyppy perustuu uusiin kyselyihin, mukaan lukien vaiheherkkä optinen aika-domeeniheijastusmittari (φ-OTDR) ja kehittyneet aallonpituuslukitusalgoritmit. Ilmailu- ja avaruussovelluksissa insinöörit voivat havaita varhaisimmat merkit rakenteellisesta väsymyksestä turbiinin lapojen runkoissa tai minuuttilämpötilagradienteissa. NASA Glenn Research Center on osoittanut, että FSCLN-järjestelmät voivat ratkaista vähemmän kuin yhden mikrokannan kuormitusmuutokset simuloiduissa lento-olosuhteissa, tarkkuustaso, joka mahdollistaa ennakoivan huollon reaktiivisten korjausten sijaan.

Miniaturisointi ja integrointi yhdistelmärakenteisiin

Mikrotehostustekniikat lainattu puolijohdeteollisuuden nyt mahdollistaa tuotannon kuituoptisten muuntimet halkaisijaltaan pienempi kuin ihmisen hiukset. Nämä mikro-muuntimet voidaan upottaa suoraan hiilikuituvahvisteisiin polymeereihin aikana restricted prosessi, luoda "älykkäitä" komposiitti paneelit, jotka jatkuvasti ilmoittavat niiden rakenteellinen terveys. Tämä integraatio poistaa tarvetta suuri ulkojohdot ja vähentää yleistä ilma-alusten painoa. Tutkimus julkaistu [ IEEE/ASME Transactions Mekatronics[] osoitti, että upotettu FLNA-anturit komposiittisiipi spar voisi havaita determinointi alkaa 95-prosenttisesti, outoperation tavanomaisten akustisten päästömenetelmien.

Kustannustehokas pulpterikone

Yksi tärkeimmistä edistysaskeleista on low-cost aallonpituus division multiplexing (WDM) ja aikajako multiplexing (TDM) kyselyt. Verkottamalla satoja muuntimia yhden kuitu, ilmailu-insinöörit voivat seurata laajoja alueita ilma-ilman suhteellista kasvua kaapelointi tai paino. Tämä multiplex kyky vähentää merkittävästi asennuskompleksisuus ja huoltokustannukset. Kaupalliset-off-the-shell kyselyt tarjoavat nyt alimikrostrain tarkkuus hintapisteissä, jotka tekevät optinen havainnointi elinkelpoisia alueellisia suihkukoneet ja sotilaslennokit, ei vain lippulaiva lentoyhtiöt.

Sovellukset Muutetaan lento- ja avaruusaluksia

Kuituoptisten antureiden ainutlaatuisia ominaisuuksia hyödynnetään koko ilmailu- ja avaruusalalla, kaupallisesta ilmailusta syvän avaruusluotaimiin. Alla ovat keskeisiä alueita, joilla tämä teknologia tekee konkreettisia vaikutuksia.

Terveydenhoidon rakenteellinen seuranta

Ilma-alusten ja avaruusalusten sykliset kuormitukset ovat hellittämättömiä, lämpökiertoiset ja iskutapahtumat. Kuituoptiset anturit, jotka on upotettu siiviin, runkolevyihin ja laskutelineisiin, tarjoavat jatkuvaa reaaliaikaista tietoa stressistä, rasituksesta ja vahinkojen kertymisestä. Toisin kuin pietsosähköiset anturit, ne eivät vaadi johdotusta takaisin keskustiedonhankintayksikköön; kuitu itsessään on tiedon valtatie. Esimerkiksi Boeing 787 Dreamliner käyttää lentojen jälkeiseen väsymisanalyysiin tarkoitettua FFC-anturiverkostoa, mutta seuraavan sukupolven suunnittelulla pyritään lennon aikana toimimaan mukautuvana optiikan avulla, jotta voidaan kartoittaa lämpö- ja mekaaniset kuormitukset koko iholla. Airbus .

Moottorin terveyshuolto

Turbiinimoottorit toimivat äärimmäisessä kuumuudessa, tärinässä ja EMI. EMI.A vihamielisessä ympäristössä perinteisille elektroniikka. Kuituoptiset anturit ovat tässä loistavassa kunnossa. Korkean lämpötilan FFC-yhdisteet, jotka on kirjoitettu regeneroituihin ritiloihin, voivat kestää yli 800 °C:n lämpötiloja, jolloin poltinvuorien lämpötilat voidaan mitata suoraan. Tämän tiedon avulla insinöörit voivat optimoida polttoaine-ilmaseoksia pienempiin päästöihin ja pidempiin osa-ikäisiin. Tuuletinten lavoissa upotetut kuituanturit tarkkailevat tärinätiloja (ilmaisinkärjen ajoitus) ilman hauraita lähimittareita. Rolls-Royce on julkisesti todennut, että kuituoptiset anturiverkot ovat sen . UltraFan. -moottorin arkkitehtuurin ydinelementti, jonka tavoitteena on parantaa lämpötehokkuutta 25 prosentilla reaaliaikaisen termodynaamisen takaisin.

Hypersonic ja avaruussovellukset

Hypersonic-nopeuksilla aerodynaaminen lämmitys voi aiheuttaa rakennemateriaalien nopeaa vaihetta. Kuituoptiset anturit, joiden pieni lämpömassa ja korkea vastenopeus, ovat ainoat sensorit, jotka pystyvät ottamaan nämä ohimenevät lämpötapahtumat häiritsemättä rajakerrosta. Orion-avaruusaluksen paluun aikana insinöörit testasivat FCM-järjestelmiä lämpökilvessä kartoittaakseen ablaatiota reaaliajassa, tarjoten kriittistä tietoa avaruusalusten tulevalle suunnittelulle. Lisäksi kuituoptiset gyroskoopit (FOG) ovat tulleet kultastandardiksi inertianavigoinnissa satelliiteissa ja laukaisuajoneuvoissa, tarjoten ajonopeuksia, jotka ovat suurempia kuin rengaslasergyros, vaikka ne ovat vähemmän alttiita mekaaniselle kulumiselle.

Hurdlesin voittaminen: Kestävyys ja kuulustelu Electronics

Eduistaan huolimatta valokuituantureiden on kohdattava käytännön haasteita. Lasikuidut voivat olla hauraita, erityisesti kun niitä käytetään toistuvissa taivutus- tai korkeapaineisissa syklissä. Viimeaikainen kehitys polyimidissä ja hiilipäällysteisissä kuiduissa on parantanut merkittävästi väsymisensietokykyä. Sotilaslentokoneet ovat osoittaneet pinnoitteita, jotka kestävät yli 10 miljoonaa väsymissykliä ilman merkittävää signaalin heikentymistä. Toinen este on sellaisten suurnopeuskysyntien kustannukset, jotka pystyvät ottamaan vastaan dynaamisia tapahtumia, kuten tuuletinten terävärinä (usein yli 10 kHz). Fotonisen integraation edistymiset ovat kutistaneet näitä moduuleita ja varmistaneet niiden tiukkojen tarkkuusvaatimusten täyttymisen viimeisten viiden vuoden aikana. Kansallinen standardointi- ja teknologiainstituutti (NIST) on ollut keskeisessä asemassa parannntanut näiden järjestelmien kalibrointistandardien kehittämisessä.

Tulevaisuuden näkymät ja kehittyvät suuntaukset

Kuituoptisten antureiden kehityspolku ilmailu- ja avaruusalalla kohti täydellistä integroitumista digitaaliseen kaksoisekosysteemiin. Tulevaisuuden lentokoneet eivät kuljeta vain satoja, vaan tuhansia sensoreita, jotka syöttävät dataa korkean uskollisuuden digitaaliseen replikaatioon, joka ennustaa virheitä ja optimoi huoltoaikataulut. Jakautunut akustinen anturi (DAS) . ... .. .. tekniikka, jossa Rayleigh backscatter havaitsee tärinää pitkien kuitupituuksien yli ... ..ja joka on edelleen vähentämässä ja luotettava metrien avulla siipien aerodynaamista kuormituskartoitusta. Toinen jännittävä kehitys on femtototototosen laserkirjoitus, jonka avulla on luotu monimutkaisia 3D-aaltooptiikkarakenteita kuitu-ohjatuissa rakenteissa, mahdollistaa kuitu-logiikan ja signaalinkäsittelyn kokonaan, mikä voisi poistaa ulkoisten kyselyiden tarpeen ja luoda aidosti autonomisia älykkäitä rakenteita.

Päätelmät

Eteneminen kuituoptisten antureiden muokkaamisessa on mahdollista ilmailu- ja avaruustekniikan alalla. Ultra-herkästä rasitusseurannasta komposiittisiiven ja korkean lämpötilan havainnointiin seuraavan sukupolven moottoreissa, nämä laitteet tuottavat suorituskykyä koskevia etuja, jotka suoraan muuttuvat turvallisemmiksi, kevyemmiksi ja tehokkaammaksi ilma- ja avaruusaluksiksi. Kehittyneiden multiplexien, sirujen ja vankkojen pinnoitteiden lähentyminen ajaa adoptiota kaikilla kaupallisilla, sotilaallisilla ja avaruusaloilla. Kun tutkimus jatkuu moniparametrisen anturin ja sulautetun älykkyyden parissa, valokuitutransduktorit muodostavat huomisen ilmailu- ja avaruusajoneuvojen hermoston, mikä mahdollistaa tietoisuuden ja valvonnan tason, joka oli kerran tiedefiktion realismi.