CN108061522A - 分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种种分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统，包括宽带光源、传感光纤、波分复用器、波长解调装置、显示装置和多个光纤布拉格光栅应变测量装置，其中波分复用器具有三个FC接口，其中一个接口通过传感光纤与宽带光源连接，一个接口通过传感光纤与光线布拉格光栅应变测量装置连接，另一个接口通过传感光纤与波长解调装置的输入端连接，波长解调装置的输出端与显示装置连接，本发明可以实现多点同时测量，不受周围温度、风、振动及电磁干扰影响，并且在监测系统的安装和使用中不会对导弹发射箱结构本身的安全构成隐患。

Description

分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统，属于导弹发射箱应变监测技术领域。

背景技术

导弹武器系统与其他传统武器相比，具有火力猛烈、射程远等优点，其导弹燃气射流对导弹发射装置具有较大的冲击作用，影响导弹发射装置的射击稳定性和考验各零部件的强度，这就需要布置相应传感器对发射箱箱内的应变参数等物理参数进行测试，如导弹发射箱前外盖（内盖）载荷应变、导弹支撑架载荷应变的测试等，其测试数据直接影响发射箱甚至是弹上设备的设计和优化。

传统应变的在线监测普遍采用电阻应变传感器来实现，此类传感器虽然经过耐温处理，但测试可靠性会大打折扣。同时，电阻应变传感器在1000℃～1200℃高温环境下其物理特性会发生跳变，尤其在高温、强振动、强电磁的环境下，其可靠性和长期稳定性及其有限。大量工程实践表明，在高温环境下，温度每升高18℃，电子产品的故障发生率就会增加一倍，稳定性降为原来的1/2，即使是军品级的电子产品在高温下工作时其可靠测试范围也低于400℃。而导弹发射过程中发射箱内传感测试系统主要依托耐高温传感器实现测试，其测试数据会因周围环境变化而使测试误差增大，传感器可靠性降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统，可以实现多点同时测量，不受周围温度、风、振动及电磁干扰影响，并且在监测系统的安装和使用中不会对导弹发射箱结构本身的安全构成隐患，以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案是：一种光纤布拉格光栅应变测量装置，包括传感光纤，还包括透明晶体状的聚合物管和“工”字形钢质基片，其中，“工”字形钢质基片内具有固定槽，两端具有与固定槽连通的通孔，传感光纤穿过通孔固定在“工”字形钢质基片内，且位于“工”字形钢质基片固定槽内的传感光纤具有裸光纤光栅段，在裸光纤光栅段外套接长度长于裸光纤光栅段的聚合物管，在聚合物管与裸光纤光栅段之间填充有环氧树脂。

所述“工”字形钢质基片的四个角上设有安装孔。

所述传感光纤通过黏合剂密封固定在“工”字形钢质基片两端的通孔中。

所述裸光纤光栅段安装于聚合物管的轴心线上。

所述传感光纤为蓝宝石带包层光纤。

本发明还提供一种分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统，包括宽带光源、传感光纤、波分复用器、波长解调装置、显示装置和光纤布拉格光栅应变测量装置，其中波分复用器具有三个FC接口，其中一个接口通过传感光纤与宽带光源连接，一个接口通过传感光纤与光线布拉格光栅应变测量装置连接，另一个接口通过传感光纤与波长解调装置的输入端连接，波长解调装置的输出端与显示装置连接。

所述光纤布拉格光栅应变测量装置为1个以上，多个光纤布拉格光栅应变测量装置之间采用串联结构，且各光纤布拉格光栅应变测量装置的光栅周期不同。

本发明的有益效果：本发明“工”字形钢质基片在测试时，根据待测结构应变位置安装在相应部位。当待测结构产生应变时，应变会通过“工”字形钢质基片传递给固定于其内的光纤布拉格光栅，使得光栅栅格周期和纤芯的有效折射率发生变化，进而使光栅反射中心波长发生偏移。从反射中心波长偏移量可以计算出待测应变。

不同中心波长值的光纤布拉格光栅阵列可作为分布式传感的检测载体，不仅能成功应用于导弹发射箱应变监测，而且具有测量范围广、灵敏度高、对测试本体损伤性小、安装布设方式灵活的特点

本发明总结了以往的导弹发射箱应变监测方法，设计出结构简单、成本低廉的分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统。其抗干扰性强，不易受温度、风及磁场的影响，对结构本体扰动小，有效的避免了在测试过程中杂波噪声对测试数据的影响，形成了应变监测传感网络。

与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：

一、存在于同一根光纤内的布拉格光栅阵列，因其反射中心波长的不同可以综合利用宽带光源整个带宽，大大降低光损耗，提高测量范围。另外，容易构成传感网络，对被测导弹发射箱进行立体式、全方位应变监测。

二、采用先进的透明晶体状聚合物管封装技术及蓝宝石光纤材质，可有效去除温度影响。

三、针对导弹发射箱应变监测特点设计了“工”字形钢质基片，不仅能将导弹发射箱结构应变有效的传递给光纤布拉格光栅，而且还易于安装，对导弹发射箱本体不构成二次伤害。

四、本发明采用波分复用技术构成分布式光纤布拉格光栅传感器阵列，可以在导弹发射箱结构中进行大面积的多点测量，优点十分显著，这是其他传感器所不能比拟的。

附图说明

图1是本发明分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统的整体结构图；

图2是本发明分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统的传感光纤结构图；

图3是本发明分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统的光纤布拉格光栅封装结构图；

图4是本发明分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统的传感阵列结构图；

图中，1、宽带光源，2、波分复用器，3、传感光纤，4、“工”字形钢质基片，5、光纤布拉格光栅，6、波长解调装置，7、显示装置，8、纤芯，9、裸光纤光栅段，10、聚合物管，11、环氧树脂，12、 安装孔，13、黏合剂，14、固定槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：

实施例1：如图2至图4所示，本实施例一种光纤布拉格光栅应变测量装置，光纤布拉格光栅5由传感光纤3、透明晶体状的聚合物管10和”工”字形钢质基片4封装而成， “工”字形钢质基片4内具有固定槽14，两端具有与固定槽14连通的通孔，传感光纤3穿过通孔固定在”工”字形钢质基片4内，且位于”工”字形钢质基片4固定槽14内的传感光纤3具有裸光纤光栅段9，在裸光纤光栅段9外套接长度长于裸光纤光栅段9的聚合物管10，在聚合物管10与裸光纤光栅段9之间填充有环氧树脂11。

以上结构是光纤布拉格光栅5的基本构件，工作原理是：光入射传感光纤3，传输至光纤布拉格光栅5处时一部分光穿透过去，其余的光被光栅反射回来。当待测结构产生应变时，应变会通过”工”字形钢质基片4传递给固定于其内的光纤布拉格光栅5，使得光栅栅格周期和纤芯8的有效折射率发生变化，进而使光栅反射中心波长发生偏移。从反射中心波长偏移量可以计算出待测应变。

所述”工”字形钢质基片4的四个角上设有安装孔12，以便将其安装在待测结构上，同时不损伤待测结构件。

所述传感光纤3通过黏合剂13密封固定在”工”字形钢质基片4两端的通孔中，裸光纤光栅段9安装于聚合物管10的轴心线上，以提高测量精准度。

所述传感光纤3为蓝宝石带包层光纤，以避免温度对测量结果的影响。

所述光纤布拉格光栅5的封装方法是：首先用一支透明晶体状的聚合物管10穿过具有裸光纤光栅段9的传感光纤3，使裸光纤光栅段9保持在晶体状聚合物管10的圆柱中心位置，将光纤光栅段拉紧并维持一定拉力，用拉力计测得该拉力。注意晶体状的聚合物管10长度一定要大于裸光纤光栅段9的长度。此时，向聚合物管10内灌入环氧树脂11，灌注过程尽量减少气泡产生。封装后的光纤布拉格光栅5作为应变传感器就能避免温度对测试精度产生的影响。测试时，将已经封装好的传感光纤3穿过两侧开孔的”工”字形钢质基片4，使光纤布拉格光栅5置于光栅固定槽14内，并用黏合剂13对两侧开孔处和固定槽14缝隙处进行光纤固定及密封。

实施例2：如图1至图4所示，一种应用上述光纤布拉格光栅应变测量装置的导弹发射箱应变监测系统，包括宽带光源1、传感光纤3、波分复用器2、波长解调装置6、显示装置7和光纤布拉格光栅5应变测量装置，其中波分复用器2具有三个FC接口，其中一个接口通过传感光纤3与宽带光源1连接，一个接口通过传感光纤3与多个光线布拉格光栅应变测量装置连接，另一个接口通过传感光纤3与波长解调装置6的输入端连接，波长解调装置6的输出端与显示装置7连接。

测试时，根据待测结构将光纤布拉格光栅5应变测量装置安装在相应部位，当具有多个测量位点时，采用间隔设置的多个光栅周期不同的光纤布拉格光栅5应变测量装置串联测量。由于纤芯8内所分布的光纤布拉格光栅5的光栅周期均不相同，故反射中心波长也会不同。P_RE即为携带有被测量信息的不同波长的光信号。

本实施例中，传感光纤3用于检测导弹发射箱结构应变并将其转换为光信号；“工”字形钢质基座用于固定传感光纤3和将导弹发射箱结构应变传递给传感光纤3；波分复用器2用于传输不同波长的光信号并在接收端将各个不同波长的光信号分开；宽带光源1和波长解调装置6采用于发射激光信号，获取待测光信号并得到导弹发射箱结构应变数据，实时分析和存储应变数据，自行储存导弹发射箱应变数据；显示装置7用于显示监测系统所需各种数据和波形图。

当被测结构产生应变时，带动与其联接的”工”字形钢质基片4产生应变，”工”字形钢质基片4将应变传递给光纤布拉格光栅5，使得其反射中心波长发生变化。波分复用器2传输波长不同的光信号，并将反射回来的各个不同波长的光信号分开，交由波长解调装置6进行处理，波长解调装置6将不同波长的带有被测量信息的光信号解调为光纤布拉格光栅5的中心波长偏移量，最后，由显示装置7显示监测系统所需各种数据和波形图。

所述波长解调装置6采用可调谐F-P滤波器解调法。

实际应用中，根据导弹发射箱结构损伤位置进行传感光纤3的布设，每处待测位置对应一个FBG结构。用隐形钢钉通过基片安装孔12将FBG结构固定于待测结构表面。当导弹发射箱监测位置产生应变时，传感光纤3内的光纤布拉格光栅5反射中心波长发生偏移。采集和处理传感光信号的处理装置获取待测光信号，并根据现有理论和计算方法得到导弹发射箱结构应变数据。经过MATLAB仿真，待测结构应变与光纤布拉格光栅5反射中心波长偏移量呈良好的线性关系，这就使得此系统的测试可行。

本发明基于分布式光纤布拉格光栅5（FBG）传感技术，当被测结构产生应变变化时光纤布拉格光栅5反射中心波长会发生偏移，并通过信号处理仪器显示出来。而反射中心波长偏移量与光栅的应变呈良好的线性关系，故通过光栅反射中心波长偏移就可得到被测结构应变信息。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光纤布拉格光栅应变测量装置，包括传感光纤（3），其特征在于：还包括透明晶体状的聚合物管（10）和”工”字形钢质基片（4），其中，”工”字形钢质基片（4）内具有固定槽（14），两端具有与固定槽（14）连通的通孔，传感光纤（3）穿过通孔固定在”工”字形钢质基片（4）内，且位于”工”字形钢质基片（4）固定槽（14）内的传感光纤（3）具有裸光纤光栅段（9），在裸光纤光栅段（9）外套接长度长于裸光纤光栅段（9）的聚合物管（10），在聚合物管（10）与裸光纤光栅段（9）之间填充有环氧树脂（11）。

2.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅应变测量装置，其特征在于：所述”工”字形钢质基片（4）的四个角上设有安装孔（12）。

3.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅应变测量装置，其特征在于：所述传感光纤（3）通过黏合剂（13）密封固定在”工”字形钢质基片（4）两端的通孔中。

4.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅应变测量装置，其特征在于：所述裸光纤光栅段（9）安装于聚合物管（10）的轴心线上。

5.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅应变测量装置，其特征在于：所述传感光纤（3）为蓝宝石带包层光纤。

6.一种分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统，其特征在于：包括宽带光源（1）、传感光纤（3）、波分复用器（2）、波长解调装置（6）、显示装置（7）和权利要求1至5任一所述的光纤布拉格光栅（5）应变测量装置，其中波分复用器（2）具有三个FC接口，其中一个接口通过传感光纤（3）与宽带光源（1）连接，一个接口通过传感光纤（3）与光线布拉格光栅应变测量装置连接，另一个接口通过传感光纤（3）与波长解调装置（6）的输入端连接，波长解调装置（6）的输出端与显示装置（7）连接。

7.根据权利要求6所述的分布式光纤布拉格光栅导弹发射箱应变监测系统，其特征在于：所述光纤布拉格光栅（5）应变测量装置为1个以上，多个光纤布拉格光栅（5）应变测量装置之间采用串联结构，且各光纤布拉格光栅（5）应变测量装置的光栅周期不同。