Наступний покоління аерокосмічних Sensing: волоконно-оптичні перетворювачі

В аерокосмічної промисловості вимагають датчиків, які не тільки точні, але і пружні, легкі і імунітет до електромагнітних хаосів сучасного літака і космічних апаратів. Волоконно-оптичні перетворювачі виявляються як кутова технологія, щоб задовольнити ці вимоги. За допомогою кодування даних в світлі, а не електричними сигналами, ці пристрої бокові безліч питань надійності, пов'язаних з традиційними електронними датчиками. Останні прориви в матеріалах науки, фотоніки, і мікрооб'єктиви швидко штовхають продуктивність конверт волоконно-оптичних перетворювачів, що робить їх незамінними для структурного моніторингу здоров'я, управління двигунами і управління польотами. Ця стаття вивчає останні досягнення новітніх технологій, ці критичні, ці трагеографічні застояння і трам.

Основи волокно оптичного перетворювача

На їх основі волоконно-оптичні перетворювачі перетворення фізичного параметра—так як процід, температура або тиск—в модуляції світла, що проходить через оптичне волокно. Загальні методи осенсування включають в себе волоконно-мозкові решітки (FBGs), Fabry-Pérot interferometry, а Brillouin розсіювання. FBGs, наприклад, відображають певну довжину хвилі світла, що зрушує у відповідь на напружені або температурні зміни. Цей властивий опір на світло пропонує кілька внутрішньоінічних переваг: імунітет до електромагнітних перешкод (EMI), висока пропускна здатність багатодітних радіолокаторів, де оптичнелектро-просторове обладнання.

Останні технологічні прориви

Минулого десятиліття було видно стрибки інновацій, спрямованих на подолання традиційних обмежень волоконно-оптичних датчиків, таких як крос-чутливість і крихкість. Ці досягнення дозволяють аерокосмічні інженери для розгортання волоконно-оптичних перетворювачів у ролі, що колись зарекомендували себе для важкого, менш надійного альтернатив.

Ультрависока чутливість і роздільна здатність

Сучасні оптичні перетворювачі волокон тепер можуть вирішувати піднано-нанометрові зміщення і перепади температури мілікеліну. Цей стрибок чутливості приводиться до нових дорогаторних конструкцій, включаючи фазо-чутливу оптичну часову рефлекторію (φ-OTDR) і передові алгоритми замикання хвиль. Для аерокосмічних додатків, це означає, що інженери можуть виявити найбільш ранні ознаки структурної втоми в повітряних рамках або хвилею температурних градієнтів в турбінних лезах. Дослідники на NASA[ Glenn Research Center показали, що FBG-сервери, ніж один мікросектор, що дозволяє визначити, що дозволяють перенатилювати попередні умови, що забезпечують перенатурні умови, що забезпечують перена конфігурація, що дозволяють перена точне обслуговування.

Мініатюризація та інтеграція в структурні структури

Мікрофракційні методи запозичені з напівпровідникової промисловості тепер дозволяють виробляти волоконно-оптичні перетворювачі діаметрами менше, ніж людське волосся. Ці мікротрансдуктори можуть бути вбудовувані безпосередньо в вуглецево-фіберні полімери під час процесу закладання, створення "розумних" композитних панелей, які безперервно повідомляють їх структурне здоров'я. Ця інтеграція виключає необхідність об'ємної зовнішньої електропроводки і зменшує загальну вагу літака. Дослідження опубліковано в ]IEEE/ASME трансакції на Mechatronics показали, що вбудовані датчики FBG в композитний сплесс, може виявити методи деформування на 95%

Вартість-ефективний багатоплексування

Одним з найбільш значущих досягнень є в низькоконструкційних розподільчих хвиль (WDM) і часових поділів мультиплексування (TDM) допитів. За допомогою мережі сотні перетворювачів на одному волокна, аерокосмічні інженери можуть контролювати величезні площі літака без пропорційного збільшення тротуарної маси або ваги. Ця багаторазова можливість різко знижує складність установки і витрати на обслуговування. Комерційні дошкільні допити тепер пропонують точність підміщення при цінових точках, які роблять оптичні сенси для регіональних струменів і військових безпілотників, не тільки флагманських авіалайнерів.

Застосування Трансформація польоту і космічних апаратів

Унікальні властивості волоконно-оптичних перетворювачів використовуються в усьому спектрі аерокосмічних технологій, від комерційної авіації до глибоких просторових зон. Нижче наведені основні напрямки, де ця технологія робить відчутний вплив.

Структурний моніторинг здоров'я (ШМ)

Літак і космічних апаратів, що не мають циклічних навантажень, теплових і ударних подій. Волоконно-оптичні перетворювачі, вбудовані в крила, фугельні панелі, і пусконасосни забезпечують безперервні, в режимі реального часу дані на стрес, штам і накопичення шкоди. На відміну від пирогів-електричних датчиків, вони не вимагають електропроводки назад до центрального блоку збору даних; сам клітковина є шосе даних. Наприклад, композитний пристрій Boeing 787 використовує мережу датчиків FBG для післядипломної втоми, але наступні конструкції призначені для внутрішнього освітлення адаптивного контролю - автоматичне скорочення волоконних поверхонь на основі реального часу:

Управління охорони здоров'я двигуна

Двигуни турбін працюють в екстремальному вогні, вібрації та EMI-хостійкому середовищі для звичайної електроніки. Оптові перетворювачі волокон виділяють тут. Високотемпературні FBG, які приписані в регенерованих решітках, можуть витримати температури, що перевищує 800 ° C, що дозволяє безпосередньо вимірювати температуру розчісника. Дані дозволяють інженерам оптимізувати паливно-повітряні суміші для зниження викидів та більш тривалий термін служби частини. У вентиляторних лопатках вбудовані волокна перетворюються вібраційні режими (розміри наконечника) без необхідності для крихкихкіхкількості. Роли-Royce публічно заявлялися, що оптичні мережі з оптичних датчиків будуть основним елементом в реальному змінного струму

Гіперсонічні та космічні програми

На гіперсонічні швидкості аеродинамічне опалення може викликати структурні матеріали, які проходять швидкофазні зміни. Волоконно-оптичні перетворювачі, з невеликою тепловою масою і високою швидкістю реагування, є єдиними датчиками, здатні захопити ці перехресні теплові події без порушення граничного шару. Під час ре-ентрії космічних апаратів Orion інженери перевірили FBG масиви на тепловідносних до картографічних скорочень в реальному часі, забезпечуючи критичні дані для майбутнього дизайну космічних апаратів. Крім того, волоконно-оптичні гіроскопи (FOGs) стали золотою стандартом для інертальної навігації в супутниках і запускних транспортних засобів, пропонуючи, що забезпечують менше заподатків, ніж лазерні, ніж лазерні.

Надходження гонщиків: довговічність та суперечка

Незважаючи на свої переваги, волоконно-оптичні перетворювачі стикаються практичні виклики. Самі скляні волокна можуть бути ламкими, особливо коли підлягають багаторазовому гнучкому або високопресивному циклах. Останні розробки в поліімідних і вуглецевих волокнах мають різко поліпшену втомлювальну стійкість. Військові літаки демонстрували покриття, які виживають понад 10 мільйонів втомних циклів без суттєвих деградацій сигналу. Ще один шорт - це вартість струганих допитів, які здатні захопити динамічні події, такі як вібраційні леза (часто більше 10 кГц). Сучасні технології мають роз'ємні ці доочення [0, що міри [ Стандартний[5]

техніка, що складається з термопластичних перетворювачів, що мають можливість перенапруги, що дозволяє повністю інтегрувати в цифрову геометрію. Презентований акустичний сенсінг (DAS) — це техніка, що використовує рейлінговий спліт для виявлення коливань над тривалими волокнами, що дозволяє повністю керувати композитними та динамічними навантаженнями на крилах. Ще один захоплюючий розвиток — використання фемтосекундного лазерного запису, щоб створити складні 3D-випадкові структури в волоконних умовах, що дозволяють повністю обробляти логічні та переробляти сигнали.

Висновок

Попереду в волоконно-оптичних перетворювачах є розготовлення, що можливо в аерокосмічної інженерії. Від ультрачутливого моніторингу напруження в композитних крилах до високотемпературних осенсування в наступних двигунах, ці пристрої забезпечують переваги продуктивності, які безпосередньо переходять в безпечні, світліші, і більш ефективні літаки і космічних апаратів. Збіжність витонченого розсіювання, чіп-масштабних дорогатів, а міцні покриття є прийняттям руху по комерційному, військовій, космічній галузі. Як дослідження продовжується в багатопараметровому сенсуванні і вбудованому інтелекту, оптичні перетворювачі формують нервову систему аерокосмічної техніки завтра, що дозволило-інформованість наук.