CN103837333B - 一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法 - Google Patents

Abstract

一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法，在飞行器舱体表面预先开设多个经度凹槽和纬度凹槽，并在飞行器舱体两端分别预留经度入舱孔和圆周上设置与纬度凹槽一一对应的纬度入舱孔；然后将多路光纤传感器布设在多个经度凹槽和纬度凹槽内，用粘胶剂填充凹槽将其固定，实现在飞行器舱体表面预埋光纤传感器；多路光纤传感器经相应的经度入舱孔和纬度入舱孔进入舱内，在舱体两端汇集成光纤束并集成于光纤连接器，然后与信息采集设备连接或者与相邻舱体连通。本发明可实现在单舱体或多舱体对接飞行器表面预埋光纤传感器，形成光纤传感检测网络，解决飞行器舱体的力学性能及损伤情况的全面监测问题，具有可靠性高、易操作的优点。

Description

一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法

技术领域

本发明是一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法，实现飞行器光纤智能结构的目的，用于飞行器舱体结构的状态监测、损伤探测等。

背景技术

智能结构，就是在基体中嵌入或粘贴传感器，从而能感知自身的实际状态，实现动态或在线状态下自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能。其研究始于80年代，美国政府首先提出了开展此方面的研究，随后世界其他发达国家和地区都相继开展智能结构的研究。进人90年代，其在军事和民用领域中潜在的应用价值，已经引起人们的极大关注，智能结构的研究空前活跃。该技术的发展和应用意味着工程结构功能的增强、结构使用效率的提高、结构形式的优化及结构维护成本的降低。航空航天飞行器对结构性能日益增高的要求以及飞行任务复杂程度的逐渐上升等因素，使得智能结构的健康监测技术愈来愈显示出旺盛的生命力及重要性。

目前，可以用于智能结构的传感器的选择很多，常用的有压电陶瓷、电阻应变丝、超磁致伸缩薄膜及光纤等，其中光纤传感器由于其具有体积小、质量轻、强度高、弯曲性好、柔韧性好、不受电磁波干扰、不需外加电源、耐腐蚀、成本低等优点，且可方便的布设在壳体表面上构成监控网格，受到很多智能结构研究人员的青睐，逐步形成一个新的领域—光纤智能结构。例如波音公司的专利US7212696B2（FiberOpticDamageDetectionSystemForCompositePressureVessels）利用光时域反射技术（OTDR）在壳体表面布设或预埋少量的传感光纤，当传感光纤受到撞击断裂后通过探测和解调反射光回来的时间差并结合传感光纤与金属壳体的物理对应关系，可获得撞击位置坐标。另外，大量国外科研人员也利用光纤传感网格覆盖或植入飞行器舱体的方法实现对结构状态的监测，如专利US7212696B2、US7189959B1、US7406219B2、US7630591等。国内方面如北京航空航天大学的专利CN101776441A公开了一种实时在线的空间飞行器(空间站)壳体受撞击度与撞击定位测量系统，该系统基于分布式光纤传感器测量应力应变技术和空间飞行器壳体受撞击度与撞击定位技术，主要解决了如空间碎片撞击空间站等非毁灭性撞击的损伤探测。

上述专利均采用光纤智能结构应用于航空航天飞行器，实现了结构状态监测、损伤探测，显然光纤智能结构的实现方法是上述工程应用的前提。专利CN1598626A公开了一种智能材料与结构中的光纤智能夹层及制作工艺，用于光纤智能结构的健康监测技术，可探索复合材料结构的损伤机理与现象，研究复合材料结构的宏观力学性能与损伤之间的定量关系，建立结构损伤主动、在线和实时监测。但未涉及具体的工程应用如飞行器舱体实现光纤智能结构的方法。

发明内容

根据上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种将光纤传感器预埋至飞行器壳体中的方法，使得飞行器壳体结构表面形成连续的光纤传感网络，具有实时检测功能，实现对飞行器壳体结构的状态全面监测，如力学性能、温度特性及损伤情况等。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：飞行器舱体（1）结构表面预先开设经度光纤凹槽（2）、纬度光纤凹槽（3），并在飞行器舱体（1）结构两端预留经度入舱孔（4），在圆周上设置分散独立的纬度入舱孔（5），将经度或纬度光纤传感器（11）按顺序依次放入相应的经度或纬度光纤凹槽（10）中，并用粘胶剂（12）填充固定，达到飞行器独立舱体表面形成光纤传感器网络（8）的目的。经度或纬度光纤传感器在飞行器舱体表面预埋之后，均通过入舱孔进入舱段内部，利用光纤连接器进行集束。飞行器相邻舱段采取相同的预埋方法，通过光纤连接器（7）接插相连，实现多舱段光纤传感器（11）互联互通，达到飞行器壳体整体预埋光纤传感器的目的。

所述不同位置的经度光纤传感器（11）可借助两端的纬度光纤凹槽（3）导向汇集到相应的经度入舱孔（4）中；壳体表面的经度光纤传感器（11）在舱段两端汇集成集束光缆（6），从经度入舱孔（4）进入舱段内部集中到舱段两端的光纤连接器（7）上；壳体表面的纬度光纤传感器（11）从纬度入舱孔（5）进入舱段内部集中到舱段两端的光纤连接器（7）上。

所述光纤传感网络（8）中任意两根相邻经度或纬度方向的光纤传感器（11）间距可根据测量精度要求进行调整，间距越小对应测量精度越高。

所述每根经度或纬度光纤传感器（11）的固定方式为：首先，在飞行器壳体表面按照经纬交错开设光纤凹槽，然后将光纤传感器（11）预埋在光纤凹槽内，根据测量目的不同，选择相应的粘胶剂进行固定，如应力应变检测则采用弹性模量大于200Mpa的粘接剂将传感光纤（6）固定在凹槽内，温度检测则采用弹性模量小于100Mpa的粘接剂进行填充。填充后的光纤凹槽（10）表面不突出舱体表面，以利于飞行器壳体热防护层的套装。

所述粘接剂添加了填充剂用于降低粘接剂的热膨胀系数，填充剂的热膨胀系数小于23×10-6/℃，填充剂相对于粘接剂的质量百分比为1%～15%。

所述同一光纤凹槽内可冗余布设一根光纤传感器（11），用于备份。

所述光纤传感器（11）为点式光纤传感器或分布式光纤传感器。

所述光纤连接器（7）为多芯光纤活动连接器，相邻舱段的光纤集束连接时成对使用光纤连接器（7），成对使用，一端为插头，另一端为插座。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明所述光纤传感器的固定方式为在飞行器壳体表面加工凹槽作为布设通道，将每根传感光纤固定在相应的凹槽内，或预埋在飞行器壳体表面内，便于传感光纤的布设，同时可保证传感光纤在飞行器飞行过程中不被损坏。

（2）采用的光纤传感器具有环境适应性好、可靠性高的优点，满足在飞行器飞行过程中的高温、振动等恶劣条件下使用的要求。

（3）本发明提出了舱体间光纤传感网络的续接方法，可在飞行器壳体表面形成连续全面的光纤传感网络，并可通过调整光纤传感器间距来满足测量精度要求。

附图说明

图1是本发明一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法示意图；

图2是光纤传感器绕行舱体开孔的方法示意图。

具体实施方式

如图1所示，首先在飞行器舱体1结构加工时，预先开设经度光纤凹槽2、纬度光纤凹槽3、经度入舱孔4、纬度入舱孔5。其中，经度入舱孔4位于飞行器舱体1结构两端，纬度入舱孔5在飞行器舱体1结构圆周上分散独立开设。

将经度或纬度光纤传感器11按顺序依次放入相应的经度或纬度光纤凹槽10中，并用粘胶剂12填充固定。将不同位置即将入舱的经度光纤传感器11可在两端的纬度光纤凹槽3处进行汇集，并导向至相应的经度入舱孔4中；多路经度光纤传感器11入舱后汇集成集束光缆6并集中到光纤连接器7上；同时，壳体表面的纬度光纤传感器11从纬度入舱孔5进入舱段内部集中到舱段两端的光纤连接器7上。飞行器相邻舱段采取相同的预埋方法，通过光纤连接器7接插相连，实现多舱段光纤传感器11互联互通。

光纤传感器11在飞行器舱体1表面的固定方式为：首先，在飞行器舱体1表面按照经纬方式开设凹槽，然后将光纤传感器11布设于凹槽内，每隔3-5cm设置一个粘接点，粘接点宽度小于1cm，利用弹性模量大于200Mpa的环氧树脂胶或无机胶将光纤传感器11固定在凹槽内，光纤传感器11与凹槽之间的空隙采用弹性模量小于100Mpa的硅橡胶或凝胶进行填充。其中，环氧树脂胶、无机胶、硅橡胶或凝胶添加了填充剂，填充剂的热膨胀系数小于23×10^-6/℃，填充剂相对于粘接剂的质量百分比为1%～15%，其作用是减小粘接剂和光纤、靶弹结构材料之间的热膨胀系数不匹配，避免剧烈温度变化过程中光纤应力过大发生损坏；光纤传感器11采用聚酰亚胺涂覆，或者碳涂覆，或者金属镀膜保护。而同一绕覆凹槽内可冗余布设一路光纤传感器11；当同一通道内两路光纤传感器11的一路出现意外损坏，可调整至备份光纤传感器11，保证整个光纤传感器网络的完整性，测量功能及测量精度也不受影响，冗余布设将具有更高的可靠性。

如图2所示，飞行器舱体作为重要的结构平台，不可避免的会在其表面设计安装孔13，用于安装天线、应答机等设备，当经度/纬度光纤传感器11在飞行器舱体表面布设时将不可避免的遇到这些安装孔13。此时，可在安装孔13附近的经度或纬度光纤凹槽10中设计倒角，将光纤传感器11导入附近与安装孔13不干涉的凹槽中，在经过该安装孔区域后再通过倒角将光纤传感器11回归到原经度或纬度光纤凹槽10中，从而实现此类安装孔的绕行方式。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法，其特征在于：飞行器舱体(1)表面预先开设经度光纤凹槽(2)和纬度光纤凹槽(3)，并在所述飞行器舱体(1)两端预留经度入舱孔(4)，用于将分散布设于经度光纤凹槽(2)中的光纤传感器(11)汇集引入飞行器舱体内部；在所述飞行器舱体(1)圆周上设置与纬度光纤凹槽(3)一一对应的纬度入舱孔(5)，用于将在飞行器舱体表面纬度光纤凹槽(3)内绕覆一周的光纤传感器(11)引入舱内；所有光纤传感器(11)在飞行器舱体(1)表面凹槽内布设完毕后，用粘胶剂(12)填充凹槽将其固定，实现在飞行器舱体表面预埋光纤传感器；通过经度入舱孔(4)和纬度入舱孔(5)进入飞行器舱体内部的光纤传感器(11)在飞行器舱体两端汇集成集束光缆(6)，并集成于光纤连接器(7)，然后与传感器信息采集设备连接用于传感信息采集，或者与相邻飞行器舱体的光纤连接器(7)接插，用于实现多飞行器舱体的光纤传感器(11)互相连通。

2.按照权利要求1所述的一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法，其特征在于：所述光纤传感器(11)的测量精度与其在飞行器舱体表面的布设间距有关，间距越小对应测量精度越高，通过调节相邻经度光纤凹槽(2)或相邻纬度光纤凹槽(3)的间距从而获得不同的测量精度。

3.按照权利要求1所述的一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法，其特征在于：所述光纤传感器(11)的固定方式根据测量目的不同，选择相应的粘胶剂进行固定，对于应力和应变检测则采用弹性模量大于200Mpa的粘胶剂填充凹槽并将其固定，对于温度检测则采用弹性模量小于100Mpa的粘胶剂；预埋有光纤传感器(11)的凹槽通过粘胶剂填充后表面不突出飞行器舱体表面，以利于飞行器舱体热防护层的套装。

4.按照权利要求2所述的一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法，其特征在于：所述经度光纤凹槽(2)或纬度光纤凹槽(3)中冗余预埋光纤传感器(11)用于备份。

5.按照权利要求1所述的一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法，其特征在于：光纤传感器(11)为点式光纤传感器或分布式光纤传感器。

6.按照权利要求1所述的一种飞行器舱体预埋光纤传感器的方法，其特征在于：所述光纤连接器(7)为多芯光纤活动连接器，成对使用，一端为插头，另一端为插座，在相邻飞行器舱体对接时将表面的光纤传感器(11)互相连通。