在现代工程领域，空气动力学与水动力学测试是研究流体力学的重要手段，通过实时捕捉物体与流体的交互数据，为飞行器设计、船舶制造等尖端领域提供关键支撑。据统计，全球每年因流场监测误差导致的工程事故造成超过200亿美元损失，测试技术的迭代更新已成为行业突围的关键。然而传统传感技术常常面临电磁干扰严重、精度受限、响应滞后、极端环境适应性不足等挑战，严重制约高端装备的研发进程。那么，是否存在一种技术，能够在高温、高压、高流速、强电磁干扰等极端条件下，依然保持优异性能？光纤传感技术的问世给出了肯定答案！光纤传感技术以光纤为介质，基于光学测量原理，具有全光抗干扰、极端环境耐受、微型化等优势，已成为空气动力和水动力学测试中的重要技术。为了进一步提升光纤传感器在测试中的应用表现，研究者们不断创新，推动其技术发展。
图1 光纤传感技术与空气/水动力学测试的科技共振
研究背景
空气动力和水动力测试主要以力学参量（如应力、应变等）作为评估结构性能和流体相互作用的核心指标，用于精准反映物体在流体作用下的受力状态和变形特征，是优化设计和安全保障的重要依据。应变传感器作为力学参量测量的重要工具，通过监测物体表面的应变变化，可间接推导出应力等其他力学参量，其性能直接影响测试的准确性和可靠性。然而传统的电学应变传感器，在极端环境下的应用通常存在体积大、重量重、易受外界干扰、非绝缘等局限性，不仅影响实验效率，还会影响测试结果的精确性和可靠性。
光纤应变传感器作为一种本质安全、稳定性好、高精度、高灵敏度、适应性强的检测工具，逐渐成为空气动力学和水动力学测试中力学参量测量的理想选择。它以光纤作为核心传感介质，依赖光学传感原理，能够克服传统传感器在高压、强电磁干扰、复杂温湿度变化等环境中的局限性。并且光纤应变传感器易于复用成网，可在多个测试位置实时获取数据，无论是航空航天的风洞气动力测试、深海环境下的水动力测试，还是飞行/航行中的结构健康监测，它都展现出了非凡的应用潜力。目前，以光纤布拉格光栅应变传感器和光纤法布里珀罗应变传感器应用较为广泛。
图2 光纤应变传感器在空气动力测试和水动力测试中的分类及应用
主要内容
光纤布拉格光栅应变传感器和光纤法布里珀罗应变传感器工作原理通常基于光信号与被测物理量的相互作用。应变传感时，外力作用使光纤产生应变，从而改变光纤中光信号参量(光的波长、相位、强度等)，通过监测参数变化测量应变。文章以光纤布拉格光栅应变传感器和光纤法布里珀罗应变传感器为基础，从气动力测试和气动/水动测试和结构健康监测两方面分别进行了介绍。
图3 (a)光纤布拉格光栅应变传感原理图和(b)光纤法布里珀罗应变传感原理图
气动力/水动力测试是空气动力和水动力学中揭示流体与物体相互作用机理的关键环节，测力天平是其开展试验所必须的基础核心实验设备。光纤天平凭基于成熟的光纤应变传感技术，能够在复杂环境下精确测量风洞内试验模型所受空气动力载荷（包括力、力矩）的大小、方向和作用点，形成了一个完整的测量系统。光纤天平因其显著传感优势已成为全球天平测量技术发展的新趋势。目前，国内外多家研究机构研究主要集中在光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器和光纤法布里珀罗（FP）应变传感器两大方向，其中以光纤FP应变传感器的研究更为广泛和深入。经过大量的研究发现，虽然基于FP的光纤天平在解决高速、高超声速恶劣环境下气动力测试方面具有天然优势，但其气动力天平的宽频测量能力和宽量程高精度测量能力还进一步提升空间，以更好的适应高超声速飞行器复杂超快流场测试需求。
结构应变监测在在空气动力学和水动力学测试中具有极其重要的意义，用于评估机体的强度和耐久性，及时发现可能的疲劳、裂纹或潜在的结构失效风险，确保飞行器/船舶在不同飞行状态下的安全性。应变传感器作为结构监测的主要设备，是获取应变信息的主要来源。光纤应变传感器具有以最小的重量损失提供了高密度传感器覆盖的潜力，被科学界、工业界和最终用户认为是在空气动力学和水动力测试中对结构进行连续实时监测的最有发展前景的传感器之一，已在空气动力学和水动力学测试的结构健康测试中得到大量应用，其中以光纤FBG应变传感器研究为主。大量的研究表明，光纤FBG应变传感器利用高灵敏和分布式测量优势，实现了复杂结构中应力和变形的全面、长时监控。
结论
光纤传感器作为一种重要的测量传感装置，近年来在空气动力学和水动力学测试领域中得到了广泛且深入的应用，并取得了长足的进步。与传统传感技术相比，光纤传感器在气动力测试和结构应变监测等方面展现出了显著的独特优势，尤其是流场测量和气动载荷监测方面。并且其高灵敏、准分布式测量能力使其能够在复杂结构中提供全面的应变监测，这是传统传感器难以企及的。在精度、灵敏度和稳定性要求较高的极端应用环境中，光纤传感器的优势更为突出。
虽然在信号串扰、多点测量复用能力、瞬态应变捕捉等方面仍有挑战。但随着光纤技术沿着创新驱动的轨迹持续迈进，光纤应变传感器的性能不断实现突破性更新，其设计也朝着微型化与多功能化的方向深度发展。在此背景下，光纤应变传感器有望在航空航天和海洋工程领域发挥更加重要的作用。通过结合先进的数据处理算法和智能化解调分析系统，光纤应变传感器有潜力实现更高效、更精确的实时监测，助力航空航天器和海洋平台的性能优化和安全保障。同时，随着新的光纤材料和传感原理的不断研发，未来的光纤传感器将在灵敏度、稳定性和抗干扰性方面得到更大提升，进一步推动空气动力学和水动力学测试的发展！
作者及团队介绍
冉曾令空气动力测试研究课题组隶属于电子科技大学信息与通信工程学院，是光纤传感与通信重点实验室的重要组成部分。冉曾令教授及课题组成员长时间从事光纤传感与通信、智能感知与信息系统、信号与信息智能处理等方向研究，承担了国家863、科技部重大仪器专项课题、国家自然科学基金委重大一起专项课题等国家级项目，在光纤气动力天平及关键技术、高温极端环境应变与压力测量技术、光纤分布式声波地震传感及应用等领域取得了多项成果。
文章信息
陈巧玲, 冉曾令, 王雨旗, 等. 光纤传感器在空气动力与水动力学测试中的应用(特邀)．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20250049. DOI: 10.3788/IRLA20250049
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20250049（阅读原文）