时间：2026-03-11 09:30
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航空燃气涡轮发动机作为当代飞行器的核心动力装置，其技术发展水平直接表征着一个国家的工业基础与科技实力。随着航空工业对推重比、燃油经济性以及服役寿命等关键性能指标的追求日益极致，涡轮前温度不断提升、转子转速持续增加、部件负荷愈发严苛，这使得发动机核心机构长期处于极端复杂的多物理场耦合环境之中。涡喷发动机整体结构高度紧凑，涡轮叶片与机匣之间的间隙极其狭小，气流通道内的温度可达数百度乃至上千摄氏度，同时伴随着宽频强振动与高速离心载荷的复合作用。在上述恶劣工况下，涡轮转子叶片作为能量转换的关键部件，承受着极高的气动负荷、热负荷与机械应力的叠加效应，极易产生疲劳损伤甚至突发性断裂故障，直接威胁飞行安全。因此，针对发动机运行过程中的温度分布、应变场变化等关键状态参数开展实时精准监测，对于评价结构健康状态、保障航空器安全可靠运行具有不可替代的重要意义。
长期以来，航空发动机结构健康监测领域主要依赖传统电学类传感器，如电阻应变片、热电偶及压电式传感器等。此类传感器经过数十年发展，技术成熟度较高，在特定条件下能够实现有效测量。然而，随着发动机性能的持续提升，其工作环境对传感系统提出了更为严苛的要求，传统电学传感器的局限性逐渐显现：首先，电阻应变片存在零点漂移现象，长期稳定性难以保证，且在高温环境下寿命急剧缩短；其次，电学传感器本质易受电磁干扰，而发动机舱内充斥着点火系统、发电机及射频通信设备产生的复杂电磁场，测量信号的保真度难以保障；再者，传统传感器体积较大、质量较重，布设于高速旋转的涡轮叶片表面会引入不可忽略的附加质量，破坏转子系统的动平衡状态，进而加剧振动响应，影响部件疲劳寿命；此外，电学传感器通常只能实现单点测量，难以满足分布式监测的需求。上述技术瓶颈促使研究人员不断探索新型传感原理与技术路径。
光纤布拉格光栅作为一种新型光学无源传感元件，自问世以来便在传感领域展现出独特的技术优势。其基本原理基于光纤芯层内的周期性折射率调制结构对入射宽带光的反射特性，通过监测反射中心波长的漂移量实现对外界物理参量的感知。相较于传统电学传感器，光纤光栅传感器具有质量轻、体积小、本质防爆、抗电磁干扰、耐腐蚀、可在一根光纤上实现多点分布式测量等诸多突出优点。尤为重要的是，光信号在光纤内传输，传感单元无需供电，这一特性使其在易燃易爆的航空燃油环境中具有天然的安全优势。光纤光栅不仅能够感知应变与温度，通过适当的换能结构设计，还可间接实现压力、振动、加速度等多种参数的测量，具备极强的功能扩展性。
近几十年来，国内外学者围绕光纤光栅传感技术在航空发动机领域的应用开展了大量卓有成效的研究工作。万小军等提出采用预应变方法实现光纤光栅温度和应变的同时测量，为解决交叉敏感问题提供了有效思路。蒋熙馨针对某型航空发动机二级叶片开展动应变测量研究，采用光纤光栅传感器成功获取了旋转状态下的叶片应变响应。刘繄等通过预置垫片方式为光纤提供精准冗余量控制，验证了所粘贴光纤光栅在750℃高温环境下的应变传递特性，为高温测量奠定了基础。在国际层面，欧盟资助的MORPHO项目于2021年至2025年间开展了一系列航空发动机结构健康监测研究，将光纤布拉格光栅传感器与压电传感器嵌入发动机复合材料风扇叶片中，实现了制造过程和运行状态下的应变、应力及损伤实时监测，并引入深度学习架构预测刚度退化和剩余使用寿命。英国克兰菲尔德大学团队在罗尔斯罗伊斯航空燃油泵上布设了24个波分复用光纤光栅传感器，实现了0至2.5kHz频率范围内的应变与振动测量，验证了表面粘贴式光纤光栅表征内部子部件振动特征的可行性。
尽管光纤光栅传感技术在航空监测领域展现出广阔前景，但必须正视其固有的技术挑战。光纤光栅对温度和应变具有交叉敏感特性，即外界温度和应变变化同时引起布拉格波长漂移，难以直接区分两者的贡献。针对这一问题，现有解决方案包括双波长法、双参量法、参考光栅法以及特殊封装技术等。然而，航空发动机涡轮转子空间极其狭小、工作状态高速旋转，上述方法或因所需设备复杂、或因空间限制而难以适用。因此，探索适用于旋转部件且工程可实现的新型信号解耦方法，成为推动光纤光栅传感技术实用化的关键突破口。
2.1 光纤布拉格光栅的传感机理
光纤布拉格光栅的本质是通过紫外激光或飞秒激光曝光技术在光纤纤芯内形成的周期性折射率调制结构，其作用相当于一个窄带反射滤波器。当宽带光源入射至光纤光栅区域时，满足布拉格相位匹配条件的特定波长光将被反射回入射端，其余波长的光则继续向前传输。反射中心波长λB由纤芯有效折射率neff与光栅周期Λ共同决定，其数学表达式为λB=2neffΛ。这一关系揭示了光纤光栅传感的核心原理：任何能够引起neff或Λ变化的外界物理量，均会导致反射波长发生漂移。
应变对光纤光栅的作用机制主要体现在两个方面：其一是机械变形直接改变光栅周期Λ，其二是弹光效应引起纤芯有效折射率neff的变化。当光纤光栅受到轴向拉伸或压缩时，栅区长度发生变化，周期相应改变，同时材料密度变化导致折射率改变，两者共同引起布拉格波长的漂移。温度对光纤光栅的影响则源于热膨胀效应与热光效应的叠加：热膨胀改变光栅周期，热光效应则改变纤芯的有效折射率。在忽略其他干扰因素的理想情况下，波长漂移量与应变和温度的变化量呈良好的线性关系。
航空发动机涡轮转子在试车过程中承受的载荷环境极为复杂，光纤光栅传感器同时受到多种物理场的耦合作用。离心载荷使得叶片产生径向拉伸应变，气流载荷在叶片表面形成不均匀的压力分布并引发弯曲变形，热载荷则导致材料热膨胀并引起温度场重分布。上述因素共同导致光纤光栅反射中心波长的漂移，且各物理量的影响相互交织，难以直接分离。在此情况下，实测的总波长漂移量可近似视为温度效应与应变效应的线性叠加，这为后续的信号解耦处理提供了理论前提。
2.2 飞秒激光刻写技术与高温光栅
针对航空发动机涡轮转子的高温工作环境，常规紫外光刻光纤光栅的热稳定性难以满足应用需求。飞秒激光直写技术的发展为高温环境下的光纤光栅传感提供了新的技术路径。飞秒激光凭借其极高的峰值功率密度和极短的脉冲宽度，能够通过多光子吸收过程在光纤纤芯内引发非线性效应，实现折射率调制，无需光纤预先的光敏化处理。根据刻写方式的不同，飞秒激光制备的光纤光栅可分为相位掩模法和逐点直写法两大类。其中，逐点直写法通过精密位移平台控制光纤移动，使聚焦后的飞秒激光脉冲在纤芯内逐点写入折射率调制点，形成所需周期的光栅结构。采用这一方法制备的Ⅱ型光栅具有优异的热稳定性，能够在800℃以上的高温环境中长期稳定工作，其反射率峰值可达50%以上，3dB带宽约为0.4nm，栅区长度可根据需要灵活设计。本研究所采用的飞秒激光逐点刻写光栅正是基于上述技术制备而成，具备高精度、高稳定性、强反射率等综合优势，能够满足涡轮转子极端工况下的测量需求。
2.3 多级离散小波变换与信号解耦理论
小波变换作为一种时频局部化分析方法，在非平稳信号处理领域具有独特优势。相较于传统傅里叶变换仅能提供信号的全局频域信息，小波变换能够同时在时域和频域表征信号的局部特征，尤其适用于包含多种物理成分耦合的复杂信号分解。多级离散小波变换通过对信号进行逐层分解，实现不同频率成分的有效分离。其基本过程可概括为：第一层分解将原始信号分为逼近系数与细节系数，分别对应低频概貌与高频细节；第二层分解对第一层的逼近系数再次进行分解，依此类推，直至达到预设的分解层数。每一次分解都相当于对信号进行降采样处理，使得不同尺度下的频率区间被逐步细化。
将多级离散小波变换应用于光纤光栅复合信号解耦，其物理基础在于温度和应变响应在频域上的分布差异。温度变化通常是一个相对缓慢的过程，在发动机试车中表现为随转速和时间渐变的趋势项，其频谱能量集中在低频区段。而应变响应，尤其是动态应变成分，包含由离心力加载引起的准静态变化以及由气流激励、转子振动等因素引起的动态波动，其频带分布相对较宽，高频分量更为丰富。通过合理选择小波基函数和分解层数，可以逼近信号中提取反映温度变化的低频趋势，从细节信号中分离出反映应变响应的中高频成分，从而实现温度和应变的有效解耦。
2.4 波分复用技术与传感网络构建
波分复用技术是实现光纤光栅分布式测量的核心手段。其基本原理是在单根光纤上串联刻写多个具有不同布拉格中心波长的光栅，利用解调系统对不同波长通道的识别实现空间位置区分。每个光纤光栅对应一个特定的波长窗口，当外界物理量作用于某一测点时，仅引起该位置光栅的波长漂移，而不会干扰其他通道的测量。通过这种方式，一根光纤上可布设数个至数十个传感点，形成准分布式传感网络，极大提升了测量效率并简化了引线布局。对于航空发动机涡轮转子这一狭小空间内的测量对象而言，波分复用技术不仅减少了光纤引出数量，降低了对流场的干扰，也减轻了附加质量对转子动平衡的影响。
本研究基于飞秒激光直写技术，在一根光纤上刻蚀了7个不同中心波长的光纤光栅，反射波长依次为1515nm至1581nm间隔分布。各光栅之间的空间间距依据有限元动力学仿真结果优化设计，布设间距分别为3.07mm至27.71mm不等，确保传感点能够覆盖应力集中区域。光纤光栅串的布置位置S1至S7对应叶片及轮盘上的关键测点，相邻传感器间距L1至L6根据仿真所得应变梯度分布进行差异化设计，实现了传感资源的高效配置。
3.1 光纤光栅测试系统搭建
为实现涡轮转子叶片在高速旋转状态下的温度和应变同步测量，某研究机构构建了一套完整的光纤光栅测试系统。系统主要由光纤光栅传感器串、高速光纤滑环、光纤光栅解调仪以及涡喷发动机试验件四大部分组成。解调仪具备90nm带宽和1kHz采样频率，能够实时采集各光栅的反射光谱并提取中心波长信息。高速光纤滑环作为旋转部件与静止设备之间的光信号传输纽带，其性能直接影响测量数据的连续性与可靠性。本实验选取单通道高速光纤滑环，安装于发动机进气匣端，滑环拨叉嵌入发动机本体轴心凹槽内，确保滑环与转子同步旋转，实现光信号的低损耗、稳定传输。
传感器的布设工艺是决定测量成败的关键环节。根据ANSYS有限元仿真分析结果，涡轮转子叶片在最大工作状态下的应力集中区域主要分布于叶背侧中部、叶背右下叶根处、叶背左上角以及叶背左下叶根处。在上述应力集中区设计光纤光栅传感器串的测试点位，确保关键部位的应变响应能够被有效捕获。考虑到试车过程中的高温环境，选用经过测试验证的高温胶将裸露于涡轮盘表面的光纤部分粘贴于试件表面。粘贴完成后，对发动机转子系统进行严格的动平衡实验，以消除因粘贴传感器引入的不平衡量，避免过大的振动响应影响结构疲劳寿命。
3.2 光纤光栅复合信号分离软件设计与实现
基于MATLAB平台开发了光纤光栅复合信号分离软件，该软件以多级离散小波变换为核心算法，集成了数据读取、预处理、去噪、信号分解、参数提取及可视化等功能模块。软件界面设计包含波长变化提取、温度灵敏度分析、应变灵敏度分析、细节与逼近信号分解、细节信号快速傅里叶变换分析、温度信号分析以及应变信号分析七个主要分析模块，形成了从原始光谱数据到物理参量输出的完整处理链路。
在信号预处理阶段，由于发动机试车环境中存在多种噪声源，包括光源强度波动、光纤连接器微弯损耗、滑环旋转扰动以及机械振动耦合等，采集到的光谱信号不可避免地叠加了噪声成分。这些噪声的存在会干扰中心波长的精确提取，进而影响温度和应变的解算精度。为此，本研究提出基于无偏风险估计阈值的小波域信号去噪方法。无偏风险估计阈值基于Stein无偏风险估计理论，旨在最小化估计信号与真实信号之间的期望损失，适用于小波系数服从高斯分布的情况。该方法能够在有效去除噪声的同时，较好地保留信号中的重要特征，具有较强的自适应能力。
为定量评价去噪效果，采用均方根误差和信噪比作为评价指标。选取sym4、sym6、sym8、db7、db8、db10六种小波基函数对实测光纤光栅中心波长数据进行去噪处理，对比分析不同小波基和分解层数下的处理效果。结果表明，去噪效果与小波基函数及分解层数密切相关：均方根误差随分解层次增加而减小，在分解至第8层后趋于稳定；信噪比则随分解层数增加而增大，同样在第8层后趋于平稳。针对FBG1采集数据，在分解层数为10时，6阶消失矩的sym6小波基函数表现出最优性能，其均方根误差最小、信噪比最大，因此选定sym6作为后续处理的主用小波基函数。
3.3 实验数据处理与复合信号解耦分析
采用sym6小波基函数和无偏风险估计阈值方法对FBG1数据进行去噪处理后，对去噪信号进行6层多级离散小波变换。由小波变换原理可知，每一层分解将信号分离为逼近信号与细节信号，逼近信号表征信号的基本变化趋势，细节信号则反映信号的快速波动成分。随着分解层数的增加，频域区间被逐步细化，低频部分进一步分解为更低频率的逼近成分，高频部分则细化为多个尺度的细节成分。
对高频细节信号进行傅里叶变换获取频谱图，与ANSYS有限元分析获得的固有频率进行对比，发现d1、d2、d3三层细节信号的频谱已涵盖所有主要模态的固有频率。据此判定，从第4层及以上的细节信号之和可视为动应变响应。本实验标定的应变灵敏度系数为1.209pm/με，据此计算获得应变变化范围为-497.74με至359.56με。将第6层分解后的逼近信号视为温度响应，初始波长为1514.0628nm，温度灵敏度系数为25pm/℃，计算得到温度变化最高达347.37℃。值得注意的是，在25秒左右发动机仍处于升速阶段，此时温度出现剧烈突变，分析认为这一现象源于快速升速导致的冷却气流动态失衡。
对FBG2至FBG7采用类似方法进行处理，为提高解耦精度，在处理过程中根据各通道信号特征对小波基函数进行了适当调整。实验结果表明，涡轮转子上布设的7个光纤光栅传感器所测温度和应变存在明显差异：传感器粘贴位置越靠近叶片顶端，所感受温度越高，FBG1至FBG4依次靠近叶顶，温度变化逐渐增大；FBG5位于背风面前缘，即叶片的迎风面与背风面交界处，该区域在工作过程中承受较大热负荷和气流力，因此温度变化最高且应变变化最为显著；FBG7处于涡轮盘中，外部罩有涡轮外壳，不与热气流直接接触，因此温度和应变变化均相对较小。
将实测各点应变数据与有限元仿真结果进行对比，两者具有较好的一致性：应力主要集中于叶片根部、叶片前缘和叶片尖端，其中背风面前缘是应变变化最为显著的区域，主要由气流冲击、热负荷集中、几何形状突变以及动静载荷耦合作用等因素共同导致。通过解耦方法获得的FBG1至FBG7温度变化整体趋势一致，均随发动机转速提升而增大，但叶片根部与叶身之间存在明显的温度梯度。整个叶片应变变化梯度明显，FBG6处应变变化最大。温度和应力变化趋势与仿真结果吻合，验证了所提出解耦方法的有效性。值得关注的是，在离心力与热负荷的复杂交互作用下，部分区域出现了负应变现象，分析认为这与温度梯度导致的局部热应力分布有关。
光纤光栅传感技术在航空发动机涡轮转子监测中的应用，不仅是传感方式的简单更替，更代表着状态监测理念的深刻变革。其在航空发动机领域所发挥的关键作用可从多个维度加以认识。
在极端环境适应性方面，光纤光栅传感器展现出传统电学传感器难以企及的优势。航空发动机涡轮部件的工作温度常达数百度，未来先进发动机的涡轮前温度更将突破1800℃，传统应变片在此环境下难以长期存活。飞秒激光刻写的光纤光栅凭借其本征耐高温特性，结合适当的热处理工艺，能够在数百度的高温环境中保持稳定的传感性能。同时，光纤材料为二氧化硅，具有优异的化学惰性，可耐受燃油燃烧产物的腐蚀，这对于长期服役的发动机健康监测系统而言至关重要。
在结构相容性方面，光纤光栅的微小尺寸和轻质特性使其与被测结构具有良好的相容性。涡轮转子叶片属于高速旋转部件，对附加质量极为敏感。传统应变片连同引线、固定胶层在内，其质量可能达到数克量级，粘贴于叶片表面会显著改变局部质量分布，影响转子的动平衡状态。而光纤光栅传感器连同涂覆层在内直径仅为百余微米，栅区长度数毫米，质量可忽略不计，对叶片原有动力学特性的影响可控制在极小范围内。这使得在叶片表面布设多个测点构成传感网格成为可能，为精细化测量应力分布创造了条件。
在多参数同步测量方面，光纤光栅传感器突破了传统传感器功能单一的限制。通过在一根光纤上串联多个光栅，可实现温度、应变、振动等多种物理量的准分布式测量。特别是在温度-应变交叉敏感问题得到有效解耦之后，光纤光栅能够同时提供热载荷和机械载荷的信息，为分析多场耦合效应提供数据支撑。对于涡轮转子叶片而言，温度分布与应力分布的内在关联是理解叶片失效机理的关键，光纤光栅的多参数测量能力为这一研究提供了有效工具。
在结构健康监测与寿命预测方面，光纤光栅传感器为预测性维护策略的实施奠定了技术基础。通过连续监测叶片在完整飞行任务剖面中的应变响应，可累积疲劳损伤数据，结合材料疲劳特性模型，对叶片的剩余寿命进行评估。当监测到应变特征出现异常变化时，系统可及时发出预警，避免突发性故障的发生。欧盟MORPHO项目的研究表明，将光纤光栅传感器与深度学习架构相结合，能够根据实测应变和导波数据有效预测部件的刚度退化和剩余使用寿命。这一技术路径对于提高航空发动机运行安全性、降低全寿命周期维护成本具有重要价值。
在信号传输与系统集成方面，光纤光栅传感器采用光信号传输，传输链路中不含任何电子元器件，这一特性使其在航空燃油等易燃环境中具有本质安全性。光纤本身具有良好的柔韧性，可沿着发动机复杂结构表面敷设，适应紧凑空间内的布线需求。结合高速光纤滑环技术，旋转部件上的传感信号可稳定传输至静止端的解调设备，解决了旋转部件在线监测的信号引出难题。这种光机电一体化的系统集成方案，为航空发动机这类复杂旋转机械的健康监测提供了可行的技术路径。
本研究基于光纤光栅传感技术，构建了一套适用于航空发动机涡轮转子的温度-应变复合信号测量系统，通过理论分析、实验验证与信号处理方法的有机结合，实现了高速旋转状态下关键参数的精确测量。研究获得的主要结论可归纳如下：首先，采用飞秒激光逐点刻写的Ⅱ型光纤光栅串配合高速光纤滑环的技术方案，能够有效解决旋转部件在线监测的信号传输问题，实现了0至17000r/min转速范围内叶片及轮盘测点的稳定数据采集。其次，提出基于无偏风险估计阈值的小波域信号去噪方法，通过对比多种小波基函数和分解层数的去噪效果，确定了适用于本实验数据的sym6小波基和8层分解参数，显著提高了信号质量。再次，将多级离散小波变换引入光纤光栅复合信号解耦，利用温度响应与应变响应在频域分布的差异性，实现了温度与应变信号的有效分离，解决了光纤光栅固有的交叉敏感问题。实验结果表明，温度变化从叶底到叶顶逐渐增大，叶片背风面前缘应变变化最为显著，这一分布规律与有限元仿真结果吻合良好，验证了所提出方法的有效性。实测获得的温度最高达497.77℃，应变最大变化范围为-451.93×10-6至2341.71×10-6。
在现有研究基础上，未来可在以下几个方向继续深化探索：其一，提升解调系统的动态响应能力，目前1kHz的采样频率对于捕捉叶片高阶振动模态尚显不足，后续可采用更高采样率的解调设备，并结合微波光子解调技术，实现更高频响的动态应变测量。其二，完善温度-应变解耦算法，目前采用的多级离散小波变换方法虽然能够实现信号分离，但其分解层数和小波基的选择仍需人工干预，后续可研究自适应分解方法，如经验模态分解与机器学习算法相结合，提高解耦的自动化水平和精度。其三，拓展多参数同步测量能力，在现有温度和应变测量的基础上，探索通过单根光纤光栅实现温度、应变、振动及压力等多参数同步测量的技术路径，满足航空发动机更为全面的状态监测需求。其四，推进传感器耐久性与工程适用性验证，针对航空发动机长寿命服役需求，开展光纤光栅传感器在热循环、振动疲劳及复杂载荷作用下的长期稳定性考核，积累可靠性数据，为工程化应用奠定基础。其五，探索与数字孪生技术的深度融合，将实测数据接入发动机数字孪生模型，通过数据驱动与物理模型相结合的混合孪生方法，实现涡轮转子结构状态的高保真仿真与剩余寿命精准预测。通过上述方向的持续研究，光纤光栅传感技术有望在航空发动机健康监测领域发挥更为重要的作用，为航空安全保障与智能化运维提供有力支撑。
综上所述，光纤光栅传感技术凭借其本征安全性、抗电磁干扰、分布式测量以及与结构的良好相容性，在航空发动机涡轮转子温度-应变复合信号测量方面展现出显著的技术优势。本研究搭建的实验系统与提出的信号处理方法，为实现极端工况下旋转部件的状态监测提供了有效方案，相关成果可为航空发动机结构健康监测与疲劳寿命预测研究提供参考。
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