CN101806654A - 光纤光栅五分量测力天平及测量方法 - Google Patents
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Abstract
光纤光栅五分量测力天平及测量方法，属于航空航天测力实验等应用技术领域。本发明为了解决常规天平的敏感元件的应变片，在一些测力现场噪声影响比较严重，会在噪声电场中受到严重的干扰，无法得到正确的应变信号的技术问题，在天平上粘贴光纤光栅传感器作为天平感受气动力载荷的敏感元件，有效的提高天平的测量精度，在强磁场环境下可以不受现场的电磁干扰，信号不失真。在特种研究实验中，如等离子减阻技术研究需要高压放电，产生强磁场，因此一般的研究方式都是以测压为主，本发明可以拓宽在此类实验中的测量方法，提高测量的分析手段。光纤光栅天平经校准后，测量精度满足常规的天平实验要求，而考虑到了温度效应和综合抗干扰性，放宽了光纤光栅天平的使用环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空航天测力实验中的测量设备及测量方法，尤其涉及一种光纤光栅五分量测力天平及测量方法。属于航空航天测力实验等应用技术领域。
背景技术
风洞天平按工作原理可分为机械天平、应变天平、压电天平及磁悬挂天平等。目前广泛应用的是应变天平，应变天平是基于非电量电测的原理，把应变测量技术具体应用在风洞实验中，来测量作用在模型上的空气动力和力矩。用专门设计的天平元件来感受作用在模型上的空气动力，并将其按一定的坐标系统分解成空气动力和力矩分量。在此空气动力和力矩分量的作用下，天平元件产生相应的应变。粘贴在天平元件上的应变片将天平元件产生的应变量变换成与此成比例的电阻增量。由应变片组成的测量电桥，将电阻增量变换成电压输出，然后由检测仪表测量和记录下来。
光纤光栅传感器技术是20世纪70年代随着光纤技术和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它代表了新一带传感器技术的发展趋势，具有“传”、“感”合一的特点。它是利用光纤对某些特定物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的光信号的技术。常规天平的敏感元件选用应变片，但在一些测力现场噪声影响比较严重，普通的敏感元件会在噪声电场中受到严重的干扰，无法得到正确的应变信号。
发明内容
本发明为了解决常规天平的敏感元件的应变片，在一些测力现场噪声影响比较严重，会在噪声电场中受到严重的干扰，无法得到正确的应变信号的技术问题，提供一种光纤光栅五分量测力天平及测量方法，所述光纤光栅五分量测力天平，它主要由固定端、模型安装锥面及天平应变梁组成，在所述固定端侧面设有键槽，在所述天平应变梁上组桥采用五分量复合敏感元件，在所述五分量复合敏感元件的各应变梁的前端和后端分别粘贴有光纤光栅传感器。
光纤光栅五分量测力天平的测量方法，该方法的实现步骤为：
将固定端作为天平与测量转角机构的连接段，键槽用于与实验转角机构定位；五分量复合敏感元件的各应变梁用来粘贴光纤光栅传感器作为测量气动力的耦合梁；所述模型安装锥面为天平与模型的配合面；模型的气动力载荷由此配合面传到天平测量元件上；将0号光纤光栅传感器粘贴到天平固定端头部；在对应设计位置粘贴其他光纤光栅传感器，保证光栅变形与天平应变梁同步变形；
校准天平的五分量复合敏感元件，求出天平的校准系数；
在飞行器模型表面覆盖等离子体，通过激励电压、频率、相位以及电极分布的控制，控制表面等离子体内的电子密度以及等离子体的运动方向和流向；从而影响边界层里中性粒子的速度和附着能力，使飞行器机体表面流场发生改变；用光纤光栅传感器代替普通应变片，通过对光栅变形来测量天平应变梁的同步变形，实现测量作用在模型上的空气动力载荷，即力与力矩的大小、方向与作用点。
本发明效果和益处是：本发明采用光纤光栅传感器作为变形梁的敏感元件代替常规的应变片，具有传输距离长，信号精度高，可以精确到一个pm，不易被干扰等特点。而且可以一个光纤数个光栅传感器，通过不同的光信号波长来寻址，这样可以减少测量线的铺设，减少了由于线路过多而对天平结构的要求过多。对于航空航天测力实验的高精度要求是相适应的，减少了由于信号失真而造成的对实验数据的反复测量和分析，节省了研究时间，提高了实验数据的可靠性。
本发明有效的提高天平的测量精度，在强磁场环境下可以不受现场的电磁干扰，信号不失真。
在特种研究实验中，如等离子减阻技术研究需要高压放电，产生强磁场，因此一般的研究方式都是以测压为主，本发明可以拓宽在此类实验中的测量方法，提高测量的分析手段。光纤光栅天平经校准后，测量精度满足常规的天平实验要求，而考虑到了温度效应和综合抗干扰性，放宽了光纤光栅天平的使用环境。
附图说明
图1是本发明中光纤光栅五分量测力天平结构示意图
图2是图1中A-A剖面图
具体实施方式
光纤光栅五分量测力天平，它主要由固定端1、模型安装锥面3及天平应变梁组成，在所述固定端1侧面设有键槽2，在所述天平应变梁上组桥采用五分量复合敏感元件4，在所述五分量复合敏感元件4的各应变梁的前端和后端分别粘贴有光纤光栅传感器5。
所述光纤光栅传感器5的粘贴位置，靠近固定端的叫做后端，另一端为前端。
所述光纤光栅传感器5的粘贴位置，为刚性强度忽略变形的部位。
所述光纤光栅传感器5粘贴部位以及光纤光栅应用在航空天平上的方法和粘贴部件在12-14mm的要求范围。
光纤光栅五分量测力天平的测量方法，该方法的实现步骤为：
将固定端1作为天平与测量转角机构的连接段，键槽2用于与实验转角机构定位；五分量复合敏感元件4用来粘贴光纤光栅传感器5测量气动力耦合梁；所述模型安装锥面3为天平与模型的配合面；模型的气动力载荷由此配合面传到天平测量元件上；将0号光纤光栅传感器5粘贴到天平固定端1头部；在对应设计位置粘贴其他光纤光栅传感器5，保证光栅变形与天平应变梁同步变形；
校准天平的五分量复合敏感元件4，求出天平的校准系数；
在飞行器模型表面覆盖等离子体，通过激励电压、频率、相位以及电极分布的控制，控制表面等离子体内的电子密度以及等离子体的运动方向和流向；从而影响边界层里中性粒子的速度和附着能力，使飞行器机体表面流场发生改变；用光纤光栅传感器代替普通应变片，通过对光栅变形来测量天平应变梁的同步变形，实现测量作用在模型上的空气动力载荷，即力与力矩的大小、方向与作用点。
所述五分量复合敏感元件4的各应变梁的测量点包括Y-升力元、Mx-转力矩元、My-偏航力矩元、Z-侧力元及Mz-抬头力矩元。
工作原理
由于光信号具有不受电磁的干扰而且具有传输距离长和精度高等特点。从而可以代替普通应变片作为测量的敏感元件。
光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性变化的一种光纤无源器件，只对特定波长的光具有反射作用，其它光无损耗地透过。光纤布拉格(Bragg)光栅(FBG)是最普遍的一种光栅，是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。FBG折射率分布于反射、投射特性如图1所示。根据耦合模理论，FBG的光栅方程为：
λB＝2neffΛ
其中，λB为FBG的反射波中心波长(Bragg波长)；neff为光纤光栅的有效折射率；Λ为光纤栅距。应力、温度等任何扰动都可能引起neff和Λ的变化，从而使光栅的中心反射波长发生漂移。当FBG发生微小应变时，Bragg波长会发生漂移。对式(1)求全微分得到：
dλB＝2dneffΛ+2neffdΛ
由上式可知，当光纤光栅受到应变作用时，光纤Bragg光栅的Bragg波长随着neff和Λ的改变而改变，因此Bragg波长对于外界力、热负荷极为敏感，应变是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的Bragg波长变化，而温度是由于光栅热膨胀效应和热光效应引起的Bragg波长变化。
航空航天测力实验研究中在飞行器表面覆盖等离子体，通过激励电压、频率、相位以及电极分布的控制，有效地控制表面等离子体内的电子密度以及等离子体的运动方向和流向。从而影响边界层里中性粒子的速度和附着能力，使飞行器机体表面流场发生改变，控制飞行器机翼后缘和表面的流动状态，实现飞行器的减租，提高飞行器的气动性能。而在此研究中常规的测力天平不能满足在高电场的使用要求，必须用一种新型的测量敏感元件代替。本发明就是使用现在已经技术成熟的光纤光栅传感器代替普通应变片的方法，来测量在特种实验中模型感受的气动力载荷，这样提高了实验能力和拓宽了研究领域。
针对在强磁场环境下的航空航天测力实验以及常规的测力实验，设计一台能够符合光纤光栅传感器粘贴条件的天平。普通光纤光栅传感器的刻栅长度一般在8-10mm，预留粘贴受力固定端，以及在天平应变梁上组桥，需要大概28mm的距离，因此光栅应变梁要设计足够的长。因此设计天平根据模型安装要求以及光纤贴片要求设计为五分量天平：Y(升力元)、Mx(滚转力矩元)、My(偏航力矩元)、Z(侧力元)、Mz(抬头力矩元)。由于光纤光栅传感器材质为玻璃纤维，因此对温度非常敏感，为了提高天平的测量精度，消除温度效应的影响，在天平刚性强度无变形的部位粘贴温度补偿光纤光栅传感器。
参看图1，固定端1是天平与测量转角机构连接段，其中有键槽2，用于定位使用；
五分量复合敏感元件4是用来粘贴光纤光栅传感器5测量气动力耦合梁，其中传感器的粘贴位置在图中标明，在靠近固定端的位置叫做后端，另一端为前端；
模型安装锥面3为天平与模型的配合面，模型的气动力载荷由此面传到天平测量元件上；
参看图2，A-A截面图为五分量复合敏感元件4的截面图，图上的数字标明粘贴光栅的位置以及排序，0号光栅粘贴到天平固定端头部。
在天平四根变形梁上前端后端各粘贴一个光纤光栅，粘贴的数量共13根，其中光纤排列序号为逆时针顺序排列，前端为小号，后端为大号，具体功能如下：
0号光纤光栅传感器为温度补偿传感器；
7加12与8加11号光纤光栅传感器信号差值为Y(升力元)；
11加12与7加8号光纤光栅传感器信号差值为Mz(抬头力矩元)；
1加6与2加5号光纤光栅传感器信号差值为Mx(滚转力矩元)；
4加9与3加10号光纤光栅传感器信号差值为Z(侧力元)；
9加10与3加4号光纤光栅传感器信号差值为My(偏航力矩元)；
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的一个具体实施例。
按光栅传感器粘贴要求和天平气动力测量要求设计一台五分量天平，设计载荷见表1，在对应设计位置粘贴光纤光栅传感器，保证光栅变形与天平应变梁同步变形，在光纤表面涂保护性物质，以便保护光纤不被折断。把粘贴好的天平放入恒温箱内烘干，连接光纤到信号分析仪，读取信号零值，见表2。改变恒温箱温度，校测0号传感器的温度效应(忽略天平本身的热胀冷缩)。校测完毕后取出天平，安装到天平校测台架上，进行天平五分量校准，求出天平的校准系数，完成了天平的校准，天平的静校精度为，见表3.
表1技术设计载荷及校准载荷： (N、N*M)
| 项目/单元 | Y | Mz | Mx | Z | My |
| 设计载荷 | 400 | 32 | 3 | 60 | 3.2 |
| 校准载荷 | 300 | 26.28 | 3 | 50 | 2.4 |
表2桥路参数：
| 项目/单元 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 零载读数(nm) | 1283 | 1285 | 1288 | 1291 | 1294 | 1297 | 1300 |
| 项目/单元 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | |
| 零载读数(nm) | 1302 | 1306 | 1311 | 1314 | 1319 | 132Δ |
表3静校均方误差：
| 项目/单元 | Y | Mz | Mx | Z | My |
| 绝对误差(δ)(NN*M) | 0.6432 | 0.0332 | 0.0125 | 0.2516 | 0.0152 |
| 项目/单元 | Y | Mz | Mx | Z | My |
| 相对误差(σ)％ | 0.12 | 0.23 | 0.32 | 0.53 | 0.43 |
用于测量作用在模型上的空气动力载荷(力与力矩)的大小、方向与作用点。
Claims (5)
1.光纤光栅五分量测力天平，它主要由固定端(1)、模型安装锥面(3)及天平应变梁组成，在所述固定端(1)侧面设有键槽(2)，其特征在于：在所述天平应变梁上组桥采用五分量复合敏感元件(4)，在所述五分量复合敏感元件(4)的各应变梁的前端和后端分别粘贴有光纤光栅传感器(5)。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅五分量测力天平，其特征在于：所述光纤光栅传感器(5)的粘贴位置，靠近固定端的叫做后端，另一端为前端。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅五分量测力天平，其特征在于：所述光纤光栅传感器(5)0号的粘贴位置，为刚性强度忽略变形的部位。
4.光纤光栅五分量测力天平的测量方法，该方法的实现步骤为：将固定端(1)作为天平与测量转角机构的连接段，键槽(2)用于与实验转角机构定位；五分量复合敏感元件(4)用来粘贴光纤光栅传感器(5)测量气动力耦合梁；所述模型安装锥面(3)为天平与模型的配合面；模型的气动力载荷由此配合面传到天平测量元件上；将0号光纤光栅传感器(5)粘贴到天平固定端(1)头部；在对应设计位置粘贴其他光纤光栅传感器(5)，保证光栅变形与天平应变梁同步变形；
校准天平的五分量复合敏感元件(4)，求出天平的校准系数；
在飞行器模型表面覆盖等离子体，通过激励电压、频率、相位以及电极分布的控制，控制表面等离子体内的电子密度以及等离子体的运动方向和流向；从而影响边界层里中性粒子的速度和附着能力，使飞行器机体表面流场发生改变；用光纤光栅传感器代替普通应变片，通过对光栅变形来测量天平应变梁的同步变形，实现测量作用在模型上的空气动力载荷，即力与力矩的大小、方向与作用点。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅五分量测力天平的测量方法，其特征在于：所述五分量复合敏感元件(4)的各应变梁的测量点包括Y-升力元、Mx-转力矩元、My-偏航力矩元、Z-侧力元及Mz-抬头力矩元。
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