CN106477070B - 一种基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法，所述实时监测方法包括以下步骤：a.搭建光栅光纤监测系统；b.建立飞机机翼外载荷数学模型，对所述机翼模型进行全域应力计算，寻找飞机机翼的外载荷应力集中区；c.在飞机机翼外载荷应力集中区布置所述光栅光纤监测系统；d.对所述飞机机翼持续施加外载荷，所述光栅光纤监测系统通过信号接收器采集光栅光纤组的中心波长偏移量数据，绘制外载荷大小与所述光栅光纤组的中心波长偏移量数据的关系曲线，其中由外载荷导致应变片发生应变，从而使所述光栅光纤组的中心波长发生偏移；e.将所述光栅光纤检测系统安装在飞机机翼，根据所述关系曲线对飞机飞行过程中机翼的实时载荷进行监控。
Description
专利的交叉引用
本申请要求2015年10月14日提交的，申请号CN201510663034.3的中国发明专利申请的优选权。
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法。
背景技术
飞机在实际飞行过程中，承受着各种环境下的随机载荷，结构破坏时有发生。对飞机结构进行实时监控，控制其飞行过程中自身的损伤情况，采用经济性维修和结构寿命健康管理，延长飞机寿命。
飞机在飞行过程中受到的外载荷主要为1)空气动力、2)质量力、3)其他部件传来的集中载荷。在飞机转弯或侧滑等飞行动作时侧向载荷会受到比平稳飞行时更大空气动力影响；机身本身的质量以及飞机内部的装载会对飞机产生质量力，对飞机造成载荷；飞机起飞、滑跑、降落过程中机翼、尾翼以及起落架等部件对飞机本身产生会产生载荷。飞机的外载荷严重影响飞机机身和飞机部件，不及时对飞机机身和飞机部件进行修护将大大降低飞机的使用寿命。但是对于飞机飞行过程中收到载荷对机身和飞机部件的影响，目前都是通过经验或者当飞机机身以及部件出现损伤时进行维修，这时的维修已经对飞机寿命产生了影响，缩减了飞机的寿命。
对于飞机飞行过程实时监控现有技术通常通过电阻式传感器来进行监控，其监控效果和精度不够准确，对飞机的修护指导意义不强。
因此，需要一种能有效解决对飞机飞行过程中的外载荷进行监测，在从而制导飞机修护的基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法，所述实时监测方法包括以下步骤：
a.搭建光栅光纤监测系统，所述监测系统包括泵浦源、第一掺铒光纤、第二惨铒光纤、波分复用器、光栅光纤组以及信号接收器；其中
所述光栅光纤组由多段光栅光纤与应变片贴合后以串联的方式进行连接；
b.建立飞机机翼外载荷数学模型，对所述机翼模型进行全域应力计算，寻找飞机机翼的外载荷应力集中区；
c.在步骤b中找到的飞机机翼外载荷应力集中区布置所述光栅光纤监测系统；
d.对所述飞机机翼持续施加外载荷，所述光栅光纤监测系统通过信号接收器采集光栅光纤组的中心波长偏移量数据，绘制外载荷大小与所述光栅光纤组的中心波长偏移量数据的关系曲线，其中
由外载荷导致应变片发生应变，从而使所述光栅光纤组的中心波长发生偏移；
e.将所述光栅光纤检测系统安装在飞机机翼，根据所述关系曲线对飞机飞行过程中机翼的实时载荷进行监控。
优选地，所述第一掺铒光纤和所述第二掺铒光纤掺杂浓度相同。
优选地，所述泵浦源为激光二极管单泵浦源。
优选地，所述泵浦源发出的泵浦光分两路分别进入第一掺铒光纤和第二惨铒光纤。
优选地，所述光栅光纤组末端设置熔接隔离器，防止端面回波对输出信号的影响。
优选地，步骤b中所述的全域应力计算包括机翼的剪力、弯矩以及扭矩的计算。
优选地，所述光栅光纤组与应变片通过胶粘的方式贴合。
优选地，步骤c中所述光栅光纤监测系统布置方式为通过胶粘的方式将应变片与飞机机翼外载荷应力集中区粘贴。
优选地，步骤d中采集光栅光纤组的中心波长偏移量数据进行处理，所述处理方法包括如下步骤：
d1.数据预处理，采集到的光栅光纤组的中心波长偏移量数据建立时间历程；针对数据时间历程进行检测，剔除不合格的起落数据；
d2.数据二次处理，对预处理得到的数据进行滤波和分段。
本发明采用了光栅光纤传感器对飞机机翼外载荷进行实时监测，监控过程精细、智能、准确，指导并实现了对飞机的有效维护，延长了飞机的整体寿命。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明光栅光纤监测系统的结构图；
图2示出了本发明基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法的流程图；
图3示出了本发明对飞机机翼模型进行全域应力计算的示意图；
图4示出了本发明光栅光纤组的中心波长偏移量数据的处理流程图；
图5示出了本发明外载荷大小与光栅光纤组的中心波长偏移量数据的关系曲线。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。本发明所提供的一种基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法是通过光栅光纤制备的光栅光纤监测系统实现对机翼的实时监测，本实施例中示意性给出一种所述的光栅光纤监测系统，如图1所示本发明一个实施例中光栅光纤监测系统的结构图；所述光栅光纤检测系统包括泵浦源101、第一惨铒光纤102、第二惨铒光纤103、波分复用器105、光栅光纤组105以及信号接收器106。其中，光栅光纤组105包括多段光栅光纤1052，本实施例中示意性给出了4段光栅光纤，4段光栅光纤通过串联的方式进行连接；在一些实施例中，光栅光纤可以是多段，具体的由所要监测的飞机机翼的尺寸所决定，同样地，设置的多段光栅光纤通过串联的方式连接。所述光栅光纤1052通过胶粘黏贴在应变片1051上，当飞机机翼受到外载荷时，应变片1051发生变形引起光栅光纤1052的中心波长漂移实现对外载荷监测。应当理解的是本发明中采用的是多段光栅光纤构成的光栅光纤组105的整体出现波长漂移，使得监测到的外载荷与光栅光纤组105的波长漂移的关系更加精确。
为了实现高平坦的C+L波段放大的自发辐射光，本发明采用的泵浦源101为激光二极管单泵浦源，并且第一惨铒光纤102和第二惨铒光纤103的掺杂浓度相同。
泵浦源101产生的光路分成两路分别进入到第一惨铒光纤102和第二惨铒光纤103中，通过两路光路对泵浦源产生的光信号进行放大处理。波分复用器104将放大后的信号耦合进入到串联连接4段光栅光纤的光栅光纤组105中。信号接收器106采集光路信号，优选地，在光栅光纤组105的末端设置熔接隔离器，防止端面回波对输出信号的影响。
下面本实施例具体说明本发明利用上述光栅光纤监测系统对飞机机翼外载荷实时监测方法做详细说明，如图2所示本发明基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法的流程图，所示机翼外载荷实时监测方法应当包括如下步骤：
步骤201：搭建光栅光纤监测系统；所述监测系统包括泵浦源、第一掺铒光纤、第二惨铒光纤、波分复用器、光栅光纤组以及信号接收器。
步骤202：:仿真计算，寻找飞机机翼应力集中区；建立飞机机翼外载荷数学模型，对所述机翼模型进行全域应力计算，寻找飞机机翼的外载荷应力集中区。具体仿真计算过程借助有限元分分析方法，建立飞机数学模型，在飞机数学模型上布置光栅光纤并设置边界条件，所述边间条件为根据实际飞机飞行过程中的外载荷进行模拟。本实施例采用了包括对机翼的剪力、弯矩以及扭矩的模拟计算的全域应力计算，使得计算结果更加接近飞机实际飞行过程中的情况，从而对后续的检测更加准确。
通过仿真计算。寻找到飞机在飞行过程中最能产生应变的区域，如图3所示本发明对飞机机翼模型进行全域应力计算的示意图，飞机机翼301在计算过程中得到应变区域302，计算结果的到的应变区域302产生的应变集中区域303是受到外载荷最大的区域。
步骤203：布置光栅光纤监测系统；在步骤202中找到的飞机机翼外载荷应力集中区布置所述光栅光纤监测系统。本实施例中为了对光栅先材料的节约，只对应力集中区域303布置光栅光纤组。应当理解的是，在一些实施例中，为了对飞机更好的维护应当是对整个应变区域302布置光栅光纤组。上述布置光栅光纤组采用黏贴的方式将光栅光纤组的应变片与飞机机翼的应变集中区域相互胶粘黏贴固定，应当理解本实施例中采用的固定方式除了黏贴之外应当还包括其他本领域技术人员所能想到的一切固定方式，例如：特种胶固定或金属对接。
步骤204：绘制外载荷大小与光栅光纤组的中心波长偏移量数据的关系曲线；对所述飞机机翼持续施加外载荷，所述光栅光纤监测系统通过信号接收器采集光栅光纤组的中心波长偏移量数据，绘制外载荷大小与所述光栅光纤组的中心波长偏移量数据的关系曲线，其中
由外载荷导致应变片发生应变，从而使所述光栅光纤组的中心波长发生偏移。
对于飞机机翼持续施加外载荷的过程采用加载机对飞机机翼从空间6个维度进行加载，使施加的外载荷尽可能的与飞机飞行过程中产生的外载荷。
信号接收器接采集光栅光纤组的中心波长偏移量数据，对采集到的数据进行处理，如图4所示光栅光纤组的中心波长偏移量数据的处理流程图，具体数据处理过程包括如下步骤
步骤401：数据采集，通过光栅光纤监测系统的信号接收器采集光栅光纤组的中心波长偏移量；
步骤402：数据预处理，采集到的光栅光纤组的中心波长偏移量数据建立时间历程；针对数据时间历程进行检测，剔除不合格的起落数据；其中剔除的数据为采集到的伪读数以及二维低载荷数据。
步骤403：数据二次处理，对预处理得到的数据进行波峰数据和波谷数据进行滤波和分段。
经过处理的光栅光纤组的中心波长偏移量数据与施加的载荷数据进行验证，使绘制的外载荷大小与光栅光纤组的中心波长偏移量数据的关系曲线误差区间达到最小。如图5所示外载荷大小与光栅光纤组的中心波长偏移量数据的关系曲线，外载荷施加至极限点501时重现飞机机翼严重受损。
步骤205：对飞机飞行过程中机翼载荷实时监测；将所述光栅光纤检测系统安装在飞机机翼，根据所述关系曲线对飞机飞行过程中机翼的实时载荷进行监控。应当理解的是，所说关系曲线通过编程的方式写入控制程序，通过控制程序对飞机飞行过程中的载荷进行直观显示。关系曲线写成程序的过程应当是本领域技术人员所能想到的所有的编程方式，例如：PLC逻辑控制。
本发明采用了光栅光纤传感器对飞机机翼外载荷进行实时监测，监控过程精细、智能、准确，指导并实现了对飞机的有效维护，延长了飞机的整体寿命。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (7)
1.一种基于光栅光纤传感器的机翼外载荷实时监测方法，其特征在于，所述实时监测方法包括以下步骤：
a.搭建光栅光纤监测系统，所述监测系统包括泵浦源、第一掺铒光纤、第二掺 铒光纤、波分复用器、光栅光纤组以及信号接收器；其中，
所述光栅光纤组由多段光栅光纤与应变片贴合后以串联的方式进行连接，
所述泵浦源发出的泵浦光分两路分别进入第一掺铒光纤和第二掺 铒光纤，通过两路光路对泵浦源产生的光信号进行放大处理，波分复用器将放大后的信号耦合进入到光栅光纤组件中；
b.建立飞机机翼外载荷数学模型，对所述飞机机翼外载荷数学模型进行全域应力计算，寻找飞机机翼的外载荷应力集中区；
c.在步骤b中找到的飞机机翼外载荷应力集中区布置所述光栅光纤监测系统；
d.对飞机机翼持续施加外载荷，所述光栅光纤监测系统通过信号接收器采集光栅光纤组的中心波长偏移量数据，绘制外载荷大小与所述光栅光纤组的中心波长偏移量数据的关系曲线，其中，
由外载荷导致应变片发生应变，从而使所述光栅光纤组的中心波长发生偏移，
采集光栅光纤组的中心波长偏移量数据进行处理，所述处理方法包括如下步骤：
d1.数据预处理，采集到的光栅光纤组的中心波长偏移量数据建立时间历程；针对数据时间历程进行检测，剔除不合格的起落数据；
d2.数据二次处理，对预处理得到的数据进行滤波和分段，经过处理的光栅光纤组的中心波长漂移数据与施加的载荷数据进行验证；
e.将所述光栅光纤监测系统安装在飞机机翼的外载荷应力集中区，根据所述关系曲线对飞机飞行过程中机翼的实时载荷进行监控。
2.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于，所述第一掺铒光纤和所述第二掺铒光纤掺杂浓度相同。
3.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于，所述泵浦源为激光二极管单泵浦源。
4.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于，所述光栅光纤组末端设置熔接隔离器，防止端面回波对输出信号的影响。
5.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于，步骤b中所述的全域应力计算包括机翼的剪力、弯矩以及扭矩的计算。
6.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于，所述光栅光纤组与应变片通过胶粘的方式贴合。
7.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征在于，步骤c中所述光栅光纤监测系统布置方式为通过胶粘的方式将应变片与飞机机翼外载荷应力集中区粘贴。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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