光纤应变传感技术在结构变形测量中的应用

陈金池; 刘南; 黄研昕; 杨希明; 刘昱; 侯良学

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光纤应变传感技术在结构变形测量中的应用

更新时间：2026-07-28

- 光纤应变传感技术在结构变形测量中的应用
- Application of optical fiber strain sensing technology in structural deformation measurement
- 航空工程进展 2026年页码：1-9
- 作者机构：
  
  1.航空工业空气动力研究院气动研究与试验二部，沈阳 110034
  2.沈阳市飞行器非定常气动力及流固耦合气动力重点实验室，沈阳 110034
- 作者简介：
  
  黄研昕(1988-), 男, 博士, 高级工程师。 E-mail: yhuang76@126.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(U25A6007)
- DOI：
  中图分类号： V211.74
- 收稿：2026-03-11，
  
  修回：2026-07-04，
  
  网络首发：2026-07-28，
- 稿件说明：
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陈金池,刘南,黄研昕,等. 光纤应变传感技术在结构变形测量中的应用[J]. 航空工程进展.

CHEN Jinchi,LIU Nan,HUANG Yanxin, et al. Application of optical fiber strain sensing technology in structural deformation measurement[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering.(in Chinese)
陈金池,刘南,黄研昕,等. 光纤应变传感技术在结构变形测量中的应用[J]. 航空工程进展. DOI：

CHEN Jinchi,LIU Nan,HUANG Yanxin, et al. Application of optical fiber strain sensing technology in structural deformation measurement[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering.(in Chinese) DOI：

摘要

结构变形测量是静气弹、颤振和阵风载荷减缓等风洞试验的关键环节。近年来，激光位移测量与数字图像相关技术已被广泛应用于结构变形测量，其高精度测量结果可作为位移测量的参考基准，然而，在存在流场干扰、视场遮挡或需满足实时控制反馈的复杂试验环境下，上述方法仍存在一定局限性。为此，提出一种基于光纤应变数据的结构变形实时预测方法，通过静态加载试验获取结构应变与位移的样本数据，并建立数据驱动的应变—位移映射关系，以实现结构变形的预测；通过地面试验与阵风风洞试验，验证所提方法对结构静变形和瞬态响应变形的预测精度。结果表明：该方法对静变形的预测误差可达到0.01 mm，对结构瞬态响应的误差低于测点响应幅值的0.5%。本文所提方法可应用于风洞试验及飞行试验，为大展弦比机翼等柔性结构的气动弹性响应分析提供测量手段与数据支持。

Abstract

Structural deformation measurement is a critical component in wind tunnel tests concerning static aeroelasticity， flutter， and gust load alleviation. In recent years， high-precision optical methods like laser displacement measurement and Digital Image Correlation （DIC） have been widely used as reference benchmarks in structural deformation measurement. However， these optical methods face limitations in complex environments characterized by flow field interference， field-of-view occlusion， or the need for real-time feedback. To overcome these constraints， this paper proposes a real-time structural deformation prediction method based on fiber optic strain data. The method obtains strain-displacement sample data through static loading tests， and establishes a data-driven mapping for deformation prediction. Ground tests and gust wind tunnel tests were carried out to verify the prediction accuracy for both static deformation and transient vibrations. The results demonstrate that the method achieves a prediction error of 0.01 mm for static deformation， while keeping the transient response error below 0.5% of the response amplitude. The proposed method is applicable to both wind tunnel and flight tests， providing an effective measurement approach for the aeroelastic response analysis of flexible structures， such as high-aspect-ratio wings.

关键词

Keywords

references

马艳峰，贺尔铭，李俊杰，等 . 大展弦比机翼的静气动弹性分析［J］. 航空计算技术， 2014 ， 44 （ 3 ）： 53 - 57 .

Ma Yanfeng ， He Erming ， Li Junjie ， et al . Static aeroelastic analysis for high-aspect-ratio wing ［J］. Aeronautical Computing Technique ， 2014 ， 44 （ 3 ）： 53 - 57 . （in Chinese）

张忠源，段静波，路平，等 . 大展弦比柔性机翼非线性颤振研究［J］. 兵器装备工程学报， 2019 ， 40 （ 6 ）： 215 - 221 .

Zhang Zhongyuan ， Duan Jingbo ， Lu Ping ， et al . Research on aerodynamic nonlinearity of high-aspect-ratio flexible wings ［J］. Journal of Ordnance Equipment Engineering ， 2019 ， 40 （ 6 ）： 215 - 221 . （in Chinese）

Wang Y ， Inman D J . Experimental validation for a multifunctional wing spar with sensing， harvesting， and gust alleviation capabilities ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ， 2013 ， 18 （ 4 ）： 1289 - 1299 .

罗胜彬，宋春华，韦兴平，等 . 非接触测量技术发展研究综述［J］. 机床与液压， 2013 ， 41 （ 23 ）： 150 - 153 .

Luo Shengbin ， Song Chunhua ， Wei Xingping ， et al . Review for the development and research of non-contact measurement technology ［J］. Machine Tool & Hydraulics ， 2013 ， 41 （ 23 ）： 150 - 153 . （in Chinese）

袁道成，王洋 . 适于在线测量的激光位移传感器［J］. 计量技术， 2002 ， 46 （ 5 ）： 3 - 6 .

Yuan Daocheng ， Wang Yang . A laser displacement transducer applicable to on-line measurement ［J］. Measurement Technique ， 2002 ， 46 （ 5 ）： 3 - 6 . （in Chinese）

朱万彬 . 激光位移传感器在物体表面形状测量中的应用［J］. 光机电信息， 2010 ， 27 （ 10 ）： 70 - 72 .

Zhu Wanbin . Laser displacement sensor using in shape measurement ［J］. OME Information ， 2010 ， 27 （ 10 ）： 70 - 72 . （in Chinese）

Uchiyama T ， Shinohara K . System identification of mechanomyograms detected with an acceleration sensor and a laser displacement meter ［C］∥ 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society . Boston， MA ： IEEE ， 2011 ： 7131 - 7134 .

Tezuka A . Validation study of pressure-measurement system with laser displacement sensor and film ［C］∥ 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit . Reno， Nevada ： AIAA ， 2008 ： 272 - 285 .

Hammer J T ， Liutkus T J ， Seidt J D ， et al . DIC in dynamic punch testing ［C］∥ Dynamic Behavior of Materials（Vol . Ⅰ） . Cham ： Springer International Publishing ， 2015 ： 27 - 33 .

Baraniello V R ， Cicala M ， Cicala L . An algorithm for real time estimation of the flexible UAV structural motions using a video-based system ［C］∥ 14th International Conference on Information Fusion . Chicago， IL， USA ： IEEE ， 2011 ： 1 - 8 .

张雪华，魏子亮 . 光纤应变传感器测试系统在桥梁检测中的应用［J］. 交通世界， 2021 （ 1 ）： 201 - 202， 226 .

Zhang Xuehua ， Wei Ziliang . Application of optical fiber strain sensor testing system in bridge detection ［J］. Transpoworld ， 2021 （ 1 ）： 201 - 202， 226 . （in Chinese）

Li H N ， Li D S ， Song G B . Recent applications of fiber optic sensors to health monitoring in civil engineering ［J］. Engineering Structures ， 2004 ， 26 （ 11 ）： 1647 - 1657 .

Kim S H ， Lee J J ， Kwon I B . Monitoring of beam deflection subjected to bending load using Brillouin distributed optical fiber sensors ［C］∥ Smart Structures and Materials 2001： Sensory Phenomena and Measurement Instrumentation for Smart Structures and Materials . Newport Beach， CA， USA ： SPIE ， 2001 ： 63 - 69 .

Matta F ， Galati N ， Bastianini F ， et al . Distributed strain and non-contact deflection measurement in multi-span highway bridge ［C］∥ Proceedings of Structural Faults & Repair . Edinburgh， UK ： ECS Publications ， 2006 ： 11 - 18 .

沈圣，吴智深，杨才千，等 . 基于分布式光纤应变传感技术的改进共轭梁法监测结构变形分布研究［J］. 土木工程学报， 2010 ， 43 （ 7 ）： 63 - 70 .

Shen Sheng ， Wu Zhishen ， Yang Caiqian ， et al . An improved conjugated beam method for structural deformation monitoring based on distributed optical fiber strain sensing technique ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2010 ， 43 （ 7 ）： 63 - 70 . （in Chinese）

Yan J ， Du H Z ， Bu Y F ， et al . Data-driven method for real-time reconstruction of the structural displacement field ［J］. Journal of Aerospace Engineering ， 2024 ， 37 （ 3 ）： 04024028 .

Hill K O ， Meltz G . Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 1997 ， 15 （ 8 ）： 1263 - 1276 .

刘锋，谭祥勇，何卓 . 函数性线性回归模型分析方法及其应用［J］. 重庆理工大学学报（自然科学）， 2015 ， 29 （ 11 ）： 135 - 138 .

Liu Feng ， Tan Xiangyong ， He Zhuo . Methods of functional linear regression model and its applications ［J］. Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science）， 2015 ， 29 （ 11 ）： 135 - 138 . （in Chinese）

陶为俊，浣石，蒋国平 . 基于最小二乘法的Lagrange分析方法研究［J］. 振动与冲击， 2012 ， 31 （ 21 ）： 98 - 101， 142 .

Tao Weijun ， Huan Shi ， Jiang Guoping . Lagrangian analysis method based on least square ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2012 ， 31 （ 21 ）： 98 - 101， 142 . （in Chinese）

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